许鹏  教授 博士 博导

 机械工程学院

 Peng Xu  Professor, PhD, PE, MBA

 College of Mechanical Engineering

 建筑遮阳和日光照明
   Building shading and daylighting control

 幻灯片1

 Contents
   内容纲要

 Importance of shading control and daylighting 遮阳和自然采光的重要性

 Shading strategies 常见遮阳策略

 Day lighting and building envelope 日光照明与建筑立面

 Sample projects and successful stories 成功案例

 Software 计算软件

 幻灯片2

 What is the pain?

 Windows, architecture love them, occupants love them.  They are modern, stylish, provide better view, easy to build, easy    to maintain

Office

Residential

Small commercials

Public buildings

 幻灯片3

 What is the pain?

 But engineers hate them, regulators do not want them, because they are wasting energy

 In winter, wall insulation value is about 10 times higher than that of conventional windows.  Therefore, buildings in co    ld climate can only have small windows

 In summer, direct solar heat gain accounts for more than 50% of cooling load

  Building codes all over the world are using description or energy budget method to regulate the window to wall ratio

  幻灯片4

  Low-energy intensity design and windows

     Windows are more important than any other building components in term of energy impact

  In cold climate, more than 50% heat loss are through windows

  In hot climate, direct solar heat gain is about 1/3 of cooling load

     Lighting energy consumption is more than heating and cooling combined in commercial buildings

  幻灯片5

  Low-energy intensity design and windows

  Air conditioning peak load analysis in summer

  50% of building envelope load are caused by windows

     Window shading in summer and window insulation in winter are two critical issues

  幻灯片6

  Energy survey results

  Year of Built, Government office building built at different years

  幻灯片7

  Energy survey results

  Worst energy intensity buildings get worse and worse 

  幻灯片8

  Misunderstanding of windows

  The smaller the better, control Window to Wall Ratio

  East and West facades are same

  Small north facing windows

  Size matters, height does not

  Window is fixed

  Blinds are interior design jobs, nothing to do with energy

  Mis-concept today

  Low energy intensity buildings

  幻灯片9

  Contents
    内容纲要

   Importance of shading control and daylighting 遮阳和自然采光的重要性

   Shading strategies 常见遮阳策略

   Day lighting and building envelope 日光照明与建筑立面

   Sample projects and successful stories 成功案例

  幻灯片10

  Heat flux through the window

  The major flux is direct solar beam in summer

  In winter, heat loss is the biggest problem

  Second transfer is important

  Tint glass is not very useful

  幻灯片11

  Window and shading design principles

  Use exterior shading, or shading in between glasses, internal shading is useless

  Design the building to shade itself 

  Use a horizontal form for south windows

  Maximizing windows in north

  Recessed windows, somewhat useful on the east

  Use a vertical form on east and west windows.

  Give west and south windows shading priority.  East is not important

  The shade’s color modifies light and heat.

     Movable shading is better than fixed shade. Use movable devices if budget is allowed

  幻灯片12

  West shading is hardest, vertical louvers sometimes not working

  Ways to reduce overhang size

  幻灯片13

  幻灯片14

  Reducing the size of overhang furthermore

  Allow lighting to come in

  幻灯片15

  Design shading for glare relief as well. Use

  exterior shading to reduce glare by partially

  blocking occupants’ view of the too-bright sky.

  幻灯片16

  Practical problems

  From thermal point of view, exterior shading systems are perhaps one good 

     solution, because direct solar radiation is completely blocked outside of buildings.  

  However, it has the following shortcomings:

  Dirt accumulation on blades, negative effects on building appearance

     Poor reliability. Actuators and mechanical systems are prone to failure due to exposure to wind, sun and rain.

  Difficult to repair.

  Visually unattractive.

     To avoid glare, blades are typically shut off in winter and useful solar heat is blocked too 

  幻灯片17

  Interior shading system

  Interior shading systems overcome the shortcomings of exterior shading systems,

     but on the thermal side, they are not as effectively as exterior shading.   Although 

     solar radiation is blocked, solar heat are retained indoor in summer.   Beyond that, 

  other shortcomings include: 

   Need to be cleaned and maintained regularly

      Prone to damage.  Furniture moving, indoor activities will inevitably damage the shutter.

       No automatic adjustment.  Interior blinds are left open or closed as they were, till someone feels discomfort with the      glare.

  幻灯片18

  Double facades with ventilation 

  Ventilated double facades with shading in between are better than interior and 

  exterior shading system.  However, they have several drawbacks:

      Ventilated fa?ade still have dirt problem.  Dirt accumulated in-between the fa?ade is hard to clean 

   Interior recycling ventilated double fa?          ades are useless thermal dynamically, because all the heat is still trapped indoor.

   High cost.  Need two layers of window systems.  Double the building cost. 

  幻灯片19

  Shading in between the glasses, dynamic facade

  幻灯片20

  Contents
    内容纲要

  Importance of shading control and daylighting 遮阳和自然采光的重要性

  Shading strategies 常见遮阳策略

  Day lighting and building envelope 日光照明与建筑立面

  Sample projects and successful stories 成功案例

  幻灯片21

  Day lighting is untapped energy source in buildings

  Natural lighting is free

  Natural lighting release less heat than artificial lighting, even with ventilated fixtures

  Lighting is on all four seasons

  幻灯片22

  Day lighting saving potentials

  Adding photo-controls

  0.62 kWh/sf-yr of office SF

  14.6% of 4.24 kWh/sf-yr (average interior lighting energy use)

  2.11 kWh/sf-yr in primary daylit zone

  53.5% of 4.24 kWh/sf-yr (average interior lighting energy use）

  35% of office space sf in daylit area

  Market size

  Office spaces with windows, 67%- 3,578 day lit office spaces

  Net window-to-wall ratios, 38% average for office buildings 

  幻灯片23

  Day lighting and building envelope

  幻灯片24

  Day lighting and building envelope

  Adding a light shelf increase savings 

  About 5% increase in savings

  Reducing furniture partition heights increase savings

  About 10-14% depending on partition heights

  Increase interior reflectance

  About 15% depending on interior reflectance

  幻灯片25

  Day lighting and building envelope

  幻灯片26

  Day lighting and building envelope

  幻灯片27

  Day lighting and building envelope

  幻灯片28

  Day lighting and building envelope

  幻灯片29

  Day lighting and building envelope

  Building Form and Skin

 • Increase exposure to daylight.  High skin-to-volume-      ratio, the greater percentage of floor space available for daylighting

 • Shape building for self-shading

 • Take a deep facade approach

 • Balance daylight admittance

 • Keep private offices somewhat shallow

  幻灯片30

  Day lighting and building envelope

  Windows

 • The higher the window, the deeper the daylighting zone. The practical depth of a daylighted zone is typically limited  to 1.5 times the window head height. With a reflective light shelf, this zone may be extended up to 2.5 times the head h  eight

 • Strip windows provide more uniform daylight. 

 • Large windows require more control. 

 • Size the windows and select glazing at the same time. 

 • Keep occupants away from large areas of single-pane glass. 

 • Use separate apertures for view and daylight. 

 • Position windows to direct light onto the ceiling.

 • Introduce more light-colored surfaces for good distribution.

  幻灯片31

  Window design to maximize daylighting

  Incorporate shading elements with windows

 • Use horizontal window shapes

 • Place view windows wisely. 

 • Locate windows near room surfaces (beams, walls) for good distribution—    these surfaces help reflect and redistribute daylight.

 • Windows on every orientation 

 - North: High quality consistent daylight with minimal

 heat gains, but thermal loss during heating

 conditions and associated comfort problems. 

 - South: Good access to strong illumination (the

 original source), although varies through the day.

 Shading is “easy”.

 - East and West: Shading is difficult. Shading is

 critical for comfort on both sides and heat gain too,

 especially on the west. Windows facing generally

 north and south create the fewest problems.

 • Don’t waste glazing area where it can’t be seen

  幻灯片32

  Blinds matters!

  90% of buildings have operable fenestration controls, blinds, shades, louvers, curtains

  幻灯片33

  Daylighting simulation examples

  幻灯片34

  Blinds day lighting simulation

  幻灯片35

  Automated blinds control

  Raised for hours when there is no direct sun, lowered for hours when there is direct sun

  Blinds are at 45 deg angle to block direct sun

  Representative of a fully automated system

  幻灯片36

  Blinds control is an energy saving gold mine

  Blinds retrofits

  They are easy to improve

  Scope of design and product improvement

  Daylighting optimized blinds

  Blinds manufacturers don’t know the potential of their product for daylighting savings

  Everyone is focus on HVAC savings

  Just like glass/windows forget they are making a daylighting products

  Low cost retrofit item

  幻灯片37

  Split blinds, no cost ideas

  幻灯片38

  Separate the window functions with different operation schedules
     Daylight windows provide:
     Seasonal adjustment for solar redirection
     View windows provide:
     Occupant daily or hourly control for glare

  幻灯片39

  Reflective louvers acts as light shelf

  幻灯片40

  Automated blinds retrofit options

  幻灯片41

  Successful examples

  Genzyme Building

  Automated reflective blinds

  All facades operated to produce uniform daylighting

  Archiving persistent savings

  幻灯片42

  Real picture of daylighting control

  幻灯片43