夏热冬冷地区玻璃幕墙办公建筑遮阳形式与节能研究

黄 云，周建旺，张高锋，曲 胜，刘慧慧，陈祥华

(浙江中节能绿建环保科技有限公司，浙江 杭州 310012)



夏热冬冷地区玻璃幕墙办公建筑遮阳形式与节能研究

黄 云，周建旺，张高锋，曲 胜，刘慧慧，陈祥华

(浙江中节能绿建环保科技有限公司，浙江 杭州 310012)

建筑遮阳对夏季建筑节能有着非常重要的作用,合理设计建筑遮阳,不但能降低空调能耗,还能减少室内眩光,提高舒适度,在夏热冬冷地区适合广泛推广,尤其是围护结构隔热性能较弱的玻璃幕墙建筑。通过选取夏热冬冷地区典型玻璃幕墙办公建筑为例,模拟比较不同形式的遮阳构件对围护结构日照辐射、室内采光、空调能耗等因素的影响,权衡判断在夏热冬冷地区适宜推广的建筑遮阳形式,为该地区节能建筑外遮阳的设计提供参考依据。

建筑遮阳；建筑节能；机翼遮阳翻板；金属遮阳百叶；折臂遮阳蓬

1 建筑遮阳概述

1.1 建筑遮阳发展历史

遮阳对建筑物的影响显著且由来已久,无论是考究的古典建筑还是自由的乡土民居,都表现出对遮阳重要性的充分理解。从古希腊时期建筑师提出的设置柱廊遮挡夏季阳光,到现代欧洲“高技”派建筑师福斯特、皮阿诺等充分利用新技术、新材料设计的创新遮阳构件,无一不反映出遮阳对于建筑的重要性。建筑遮阳及其立面设计的多样化,正是我们多元化、快速进步和以媒介为主导的现代社会的标志。

1.2 建筑遮阳的优点

1.2.1 降低夏季空调负荷

夏季,窗户辐射得热占建筑得热中很大一部分,是增加空调负荷的罪魁祸首。当设置外遮阳措施后,太阳辐射热没有直接到达建筑表面,而是在遮阳设施表面被反射或吸收,只有少部分通过遮阳设施而到达建筑表面。正是由于对太阳辐射热的阻挡功能,建筑遮阳技术在现代节能建筑设计中得到了广泛重视,并成为节能建筑的流行元素之一。

1.2.2 保护室内隐私

建筑遮阳根据材料不同,通常会对室内视觉通透性产生不同大小的影响。因此,通过调节遮阳构件,可以达到隔断视线,保护室内视觉隐私的效果。另外,部分金属遮阳卷帘在加强强度后,闭合时还可起到防盗的效果。

1.2.3 缓解室内采光的眩光问题

建筑窗洞在提供自然采光的同时,往往会造成不必要的眩光,给工作和生活带来一定干扰。而遮阳设施的使用,恰好能缓解这一问题,使室内的采光系数趋于一致,照度更趋均匀,光线柔和。

1.2.4 丰富立面效果

通过建筑立面综合设计,合理选用和安装遮阳构件还能为立面设计增添特殊的韵律美和节奏感。连续的窗洞和线性的遮阳构件作为建筑的基本构图要素,利用“线”的造型来打破建筑立面上缺乏变化的“面”元素,在优美的线条中,体现出建筑自身的韵律。

1.3 建筑遮阳的分类

建筑遮阳按安装部位主要分为三类：外遮阳、本位遮阳和内遮阳[1]。外遮阳安装在建筑窗扇、幕墙外侧,遮阳隔热的效果比较好,但清洗维护费用较高,同时由于要考虑防风、防腐蚀等问题,生产成本也比较高。本位遮阳通常指采用低辐射Low-E玻璃、双层玻璃百叶等手段,通过优化围护结构自身的隔热能力来提高其遮阳性能。内遮阳安装在窗扇、幕墙内侧,以不同形式的窗帘呈现,优点是操控、清洗方便,成本也较低,但其隔热性能不是非常理想。

对于采用玻璃幕墙的办公建筑而言,既有建筑中较为常见的是内遮阳(布艺窗帘、铝合金百叶等),其优点是造价低廉,更换简便,可适用于不同租户的装修风格。但从遮阳隔热的效果来看,外遮阳无疑是更好的选择。玻璃幕墙办公建筑常见的外遮阳主要有机翼型遮阳板、金属外百叶帘、玻纤复合外遮阳等,此类遮阳构件如设计、运行维护得当,还能为建筑立面增添韵律感,可谓集美观、实用于一身。而本位遮阳中,双层玻璃间百叶、电控变色膜等技术虽然比较适合幕墙建筑,但是其技术尚未十分成熟,造价较高,且面临替换难、故障率高等问题,尚待进一步开放与推广。

另外,建筑遮阳按构件形状可分为遮阳板、遮阳格栅、遮阳百叶、遮阳帘等；按控制方式可分为固定式遮阳系统、手动控制遮阳系统、电动控制遮阳系统、全天候智能化遮阳系统等。还可按构件材料、立面效果、使用时间等进行分类,不一而足[2]。

1.4 建筑遮阳发展现状

我国遮阳行业与发达国家相比,最突出的差距在于遮阳工程的设计,不少建筑设计单位没有将遮阳工程设计纳入建筑设计的范畴,而是完成建筑设计后再将内遮阳产品作为装修工程进行弥补。相反,发达国家在建筑设计过程中往往将外遮阳设计与建筑立面融为一体,十分重视整体规划,具有整体美感。国内主要的建筑设计科研单位缺少专门针对建筑遮阳方面的研究设计人才,大多数设计师将遮阳仅仅当作一种建筑装饰的附加配套设施,目的是为了标榜该建筑的造价及档次,过于注重表现遮阳的符号性、强调建筑物的立面效果,而忽略了其最基本的对采光、节能的重要含义,因此节能效果并没有得到体现。

2 研究思路与方案

2.1 研究思路

本项目旨在探讨以杭州地区为例的夏热冬冷气候区玻璃幕墙办公建筑遮阳形式的选择,尤其关注东、西立面不利朝向的外遮阳设计手段；结合具体项目模拟分析金属机翼板、金属百叶帘、折臂遮阳蓬等主流遮阳构件对辐射遮挡、采光视野等的影响,总结在遮阳构件选择时需要考虑的影响因素与重点技术指标。

2.2 案例简介

本次研究选择的项目案例位于夏热冬冷地区的杭州市,建筑用地面积17 085.97 m2,其中地上建筑面积7 498.43 m2,总共4层。受地块自身因素影响,建筑朝向为南偏东47°,非常不利。夏热冬冷地区夏季室外温度较高,需要使用空调设备进行降温。大量西向、东向房间将导致空调能耗显著升高,并且对室内使用空间的热舒适性造成严重影响。因此,必须在项目3层4层主要办公空间的东南、西南、西北向立面安装遮阳构件。项目幕墙采用6Low-E+12A+6低辐射中空玻璃,传热系数为2.6 W/(m2·K),遮阳系数为0.50,窗墙比为东向0.31,南向0.19,西向0.36,北向0.14,外墙加权平均传热系数0.83 W/(m2·K),屋顶传热系数0.70 W/(m2·K),外遮阳构件安装总面积约为651.6 m2。见图1。

2.3 比选方案

2.3.1 金属水平机翼式翻板

翻板外遮阳是公共建筑中最常用的一种刚性活动外遮阳,翻板叶片一般由铝合金压制型材制成,具有刚中带韧的特点,抗风性能好。主要应用于大面积的幕墙围护结构立面或顶面,形成整齐的外立面效果。叶片的大小和疏密可以根据项目情况订制,翻转角度可以根据需要改变,兼顾不同时段遮阳与采光的需求,节能效果明显,调节性能优越。

2.3.2 金属水平外遮阳百叶

外遮阳百叶一般以柔性金属为基材加工而成,百叶排列形式多以横排为主,可以根据窗洞尺寸进行个性化搭配,在整个立面上形成特殊效果。叶片厚度比室内百叶厚,具有非常优越的耐候性和抗风能力。遮阳系数可以在0.14～1.00之间调节。叶片在制作过程中可以采用卷边、折边、开孔等处理手法,形成不同的立面效果。外遮阳百叶的升降方式通常为电机驱动, 也可选用手动摇柄。 导向方式有钢丝导向和轨道导向两种,实际工程中多采用轨道导向,虽然安装施工要求较高,但抗风能力强、运行噪声小,且密闭性更高。

图1 项目案例效果图

2.3.3 斜伸式折臂遮阳篷

斜伸式折臂遮阳蓬依靠内置卷布管对篷布的卷曲,并通过滑轨所连接支撑杆的收放完成启闭工作。支撑杆内置弹簧产生的弹力将篷布绷挺,上部有一段垂直部分遮挡了阳光,下部与建筑立面产生一定的角度,配合可开启窗户,从而起到更好的遮阳、通风效果,遮阳系数为0.33～1.00。在安装时,其伸出的角度和宽度可以根据门窗的开启方式和角度进行调节,灵活配合建筑立面进行设计。在收拢时,篷布将完全卷入顶部罩壳中,室内采光将完全不受影响且视觉上察觉不到其存在,恢复建筑原貌。遮阳蓬驱动方式同样也可分为手动摇柄和电机驱动两种。遮阳蓬面料选择多为腈纶纤维,耐气候色牢度较好,使用寿命一般可达5年。见图2。

图2 金属水平机翼式翻板、金属水平外遮阳百叶与斜伸式折臂遮阳蓬

2.4 模拟软件与工况

本模拟将从辐射得热、建筑能耗和室内采光三个方面综合评价不同遮阳方案对建筑室内环境的影响。

辐射得热的模拟主要使用Autodesk Ecotect Analysis 2011对项目进行建模和模拟。Ecotect是一个用于分析建筑采光、日照的多功能分析软件,比较适合于前期方案的分析[3]。直观化的建模手段和人性化的操作界面使其在建筑节能模拟计算方面获得广泛应用。模拟气象数据取自中国气象局气象信息中心气象资料室与清华大学建筑技术科学系编著的《中国建筑热环境分析专用气象数据集》(2005年)中杭州市的气象数据。模拟时间选取《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准(JGJ 134—2010)》中规定的夏季空调计算期,即6月15日至8月31日[4]。

室内采光的模拟主要使用Ecotect建模结合Radiance进行计算。Radiance是由劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory,LBNL)开发的采光模拟软件,采用了蒙特卡洛算法优化的反向光线追踪算法进行分析计算,该软件分析计算的结果已得到业界的广泛认可。模拟气象数据同样取自《中国建筑热环境分析专用气象数据集》(2005年)中杭州市的气象数据。本项目模拟采取全阴天模型,光线较为稳定,适合用于室内自然采光模拟。

建筑能耗的模拟主要使用Equest进行建筑全年能耗模拟。Equest是一款在美国能源部(U.S. Department of Energy)和电力研究院的资助下,由美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)和J.J.Hirsch及其联盟(Associates)共同开发的一款基于DOE-2基础上的建筑能耗分析软件,其模拟结果已得到国内外暖通空调业界的普遍认可,具有一定的权威性。模拟时围护结构性能参数设定参照《公共建筑节能设计标准(GB 50189—2005)》中的基准建筑进行设定[5]，气象数据同样取自《中国建筑热环境分析专用气象数据集》(2005年)中杭州市的气象数据,根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准(JGJ 134—2010)》中外遮阳系数计算公式C.0.1-1、C.0.1-2和C.0.3,无遮阳模型窗扇遮阳系数取0.5；机翼式翻板外遮阳系数取东向0.26(x=0.99,a=0.56,b=-1.3),南向0.39(a=0.79,b=-1.4),西向0.27(a=0.57,b=-1.3),综合遮阳系数分别为0.13、0.195、0.135；金属百叶帘除x=1外其余计算参数与机翼式翻板相同,综合遮阳系数计算结果也相同；斜伸式折臂遮阳蓬外遮阳系数取东西向0.59(x=0.71,a=0,b=-0.96,η*=0.4),南向0.68(a=0.35,b=-1),综合遮阳系数分别为0.295、0.34。

3 结论分析

3.1 模拟结果

3.1.1 辐射模拟

东南向墙面未设置外遮阳时,夏季平均辐射量为96.4 kW·h/m2,设置外百叶帘后平均辐射量为25.2 kW·h/m2,机翼式翻板为20.4 kW·h/m2,斜伸式折臂遮阳蓬为60.2 kW·h/m2。

图3 无遮阳与其他三种遮阳方案西北立面日照辐射模拟结果对比

西南向墙面未设置外遮阳时,夏季平均辐射量为139.6 kW·h/m2,设置外百叶帘后平均辐射量为27.0 kW·h/m2,机翼式翻板为22.9 kW·h/m2,斜伸式折臂遮阳蓬为84.9 kW·h/m2。

西北向墙面未设置外遮阳时,夏季平均辐射量为175.0 kW·h/m2,设置外百叶帘后平均辐射量为30.1 kW·h/m2,机翼式翻板为22.1 kW·h/m2,斜伸式折臂遮阳蓬为106.2 kW·h/m2。

因此,从降低辐射效果看,机翼式翻板遮阳效果较好,设置前后辐射量减幅最高可达87.4%。斜伸式折臂遮阳蓬由于遮挡面积最小,因此隔热效果最弱。

另外,从模拟结果看,西北向外立面夏季辐射量明显高于东南向和西南向,整个下午都处于阳光直射下,说明遮阳构件的设置十分必要。

3.1.2 采光模拟

从模拟结果看,未设置遮阳措施时,标准东南向办公室平均采光系数为6.23%,在设置外百叶帘且将百叶倾角调至60°后,虽遮阳效果显著,对自然光采光的影响也不容忽视,平均采光系数降至0.76%。而相应的,机翼式翻板和斜伸式折臂遮阳蓬分别为0.61%和2.15%。同样由于斜伸式折臂遮阳蓬遮挡面积最小,能取得最好的自然光采光效果。

图4 无遮阳与其他三种遮阳方案室内采光系数模拟结果对比

3.1.3 能耗模拟

无遮阳与其他三种遮阳方案空调能耗模拟结果对比见表1～3。通过能耗模拟,斜伸式折臂遮阳蓬每年夏季可节省空调能耗约4 970 kW·h,而金属外百叶帘和水平机翼式翻板遮阳可节省空调能耗约10 180 kW·h。

表1 无遮阳工况空调能耗模拟结果 1000 kW·h

表2 机翼型翻板与金属外百叶帘工况空调能耗模拟结果 1000 kW·h

表3 折臂遮阳蓬工况空调能耗模拟结果 1000 kW·h

3.2 成本分析

根据估算,按3层4层主要办公空间的东南、西南、西北向立面安装外遮阳,外遮阳总面积共计651.6 m2。如按电动机翼式翻板1 100元/m2的造价估算,外遮阳成本增量约为71.68万元。手动控制的金属外百叶帘造价约在700元/m2左右,而斜伸式折臂遮阳蓬根据面料不同,造价在500～1 000元/m2不等。

根据分析,外遮阳构件可有效降低夏季室内温度,节省空调能耗,提高室内热舒适性,并且对干扰视觉舒适度的直射眩光具有良好的调节作用。如采取金属百叶帘或机翼式翻板外遮阳,每年节省空调能耗约10 180 kW·h左右,按商业电价0.9元/kW·h计算,每年节能效益近1万元。此外,安装外遮阳后,能通过改善工作环境大幅提高员工工作效率,同样属于潜在的节能效益。

4 结 语

通过各项模拟结果比较,并结合成本造价等各方面因素,推荐在夏热冬冷地区玻璃幕墙建筑项目中根据项目外观造型采用金属外百叶帘或金属水平机翼式翻板外遮阳。理由如下：

1) 机翼式翻板造型整洁大气,容易形成大面积垂直连贯肌理,而金属外百叶帘则更适合按楼层划分形成水平带状肌理,两者设计得当,均能优化建筑的外立面造型。

2) 机翼式翻板遮阳隔热效果最好,金属外百叶帘其次,均能较大程度地减少空调能耗并维持室内舒适。

3) 机翼式翻板与金属外百叶帘耐候性、抗风性相对较强,尤其是机翼式翻板,使用寿命也相对较长,而斜伸式折臂遮阳蓬抗风耐候性能相对较弱。

当然,由于无法完全收起,机翼式翻板对室内自然光采光效果和视野通透性存在一定影响。

在调节控制方面,统一调节有利于外立面效果美观,而用户末端调节则更能满足用户实时需求,需要综合考虑有所取舍。

[1] 杨伟华，曹毅然，李德荣. 建筑遮阳的测试与研究 [J]. 住宅科技，2009(7):7-9.

[2] 曾会容. 建筑幕墙的遮阳板设计 [J]. 中国建筑金属结构，2008(6):30-35.

[3] 云鹏. Ecotect建筑环境设计教程 [M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007.

[4] 中国建筑科学研究院.JGJ 134—2010夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[5] 中国建筑科学研究院.GB 50189—2015公共建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

Sunshade Forms and Energy Saving Study on the Office Buildings with Glass Curtain Wall in the Hot-Summer and Cold-Winter Zones

HUANGYun,ZHOUJianwang,ZHANGGaofeng,QUSheng,LIUHuihui,CHENXianghua

2016-05-23

黄 云(1987—),男,浙江杭州人,硕士，从事绿色建筑咨询工作。

TU226

A

1008-3707(2016)12-0024-06