夏熱冬冷地區玻璃幕墻辦公建筑遮陽形式與節能研究

黃 云，周建旺，張高鋒，曲 勝，劉慧慧，陳祥華

(浙江中節能綠建環?？萍加邢薰?，浙江 杭州 310012)

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夏熱冬冷地區玻璃幕墻辦公建筑遮陽形式與節能研究

黃 云，周建旺，張高鋒，曲 勝，劉慧慧，陳祥華

(浙江中節能綠建環?？萍加邢薰?，浙江 杭州 310012)

建筑遮陽對夏季建筑節能有著非常重要的作用,合理設計建筑遮陽,不但能降低空調能耗,還能減少室內眩光,提高舒適度,在夏熱冬冷地區適合廣泛推廣,尤其是圍護結構隔熱性能較弱的玻璃幕墻建筑。通過選取夏熱冬冷地區典型玻璃幕墻辦公建筑為例,模擬比較不同形式的遮陽構件對圍護結構日照輻射、室內采光、空調能耗等因素的影響,權衡判斷在夏熱冬冷地區適宜推廣的建筑遮陽形式,為該地區節能建筑外遮陽的設計提供參考依據。

建筑遮陽；建筑節能；機翼遮陽翻板；金屬遮陽百葉；折臂遮陽蓬

1 建筑遮陽概述

1.1 建筑遮陽發展歷史

遮陽對建筑物的影響顯著且由來已久,無論是考究的古典建筑還是自由的鄉土民居,都表現出對遮陽重要性的充分理解。從古希臘時期建筑師提出的設置柱廊遮擋夏季陽光,到現代歐洲“高技”派建筑師福斯特、皮阿諾等充分利用新技術、新材料設計的創新遮陽構件,無一不反映出遮陽對于建筑的重要性。建筑遮陽及其立面設計的多樣化,正是我們多元化、快速進步和以媒介為主導的現代社會的標志。

1.2 建筑遮陽的優點

1.2.1 降低夏季空調負荷

夏季,窗戶輻射得熱占建筑得熱中很大一部分,是增加空調負荷的罪魁禍首。當設置外遮陽措施后,太陽輻射熱沒有直接到達建筑表面,而是在遮陽設施表面被反射或吸收,只有少部分通過遮陽設施而到達建筑表面。正是由于對太陽輻射熱的阻擋功能,建筑遮陽技術在現代節能建筑設計中得到了廣泛重視,并成為節能建筑的流行元素之一。

1.2.2 保護室內隱私

建筑遮陽根據材料不同,通常會對室內視覺通透性產生不同大小的影響。因此,通過調節遮陽構件,可以達到隔斷視線,保護室內視覺隱私的效果。另外,部分金屬遮陽卷簾在加強強度后,閉合時還可起到防盜的效果。

1.2.3 緩解室內采光的眩光問題

建筑窗洞在提供自然采光的同時,往往會造成不必要的眩光,給工作和生活帶來一定干擾。而遮陽設施的使用,恰好能緩解這一問題,使室內的采光系數趨于一致,照度更趨均勻,光線柔和。

1.2.4 豐富立面效果

通過建筑立面綜合設計,合理選用和安裝遮陽構件還能為立面設計增添特殊的韻律美和節奏感。連續的窗洞和線性的遮陽構件作為建筑的基本構圖要素,利用“線”的造型來打破建筑立面上缺乏變化的“面”元素,在優美的線條中,體現出建筑自身的韻律。

1.3 建筑遮陽的分類

建筑遮陽按安裝部位主要分為三類：外遮陽、本位遮陽和內遮陽[1]。外遮陽安裝在建筑窗扇、幕墻外側,遮陽隔熱的效果比較好,但清洗維護費用較高,同時由于要考慮防風、防腐蝕等問題,生產成本也比較高。本位遮陽通常指采用低輻射Low-E玻璃、雙層玻璃百葉等手段,通過優化圍護結構自身的隔熱能力來提高其遮陽性能。內遮陽安裝在窗扇、幕墻內側,以不同形式的窗簾呈現,優點是操控、清洗方便,成本也較低,但其隔熱性能不是非常理想。

對于采用玻璃幕墻的辦公建筑而言,既有建筑中較為常見的是內遮陽(布藝窗簾、鋁合金百葉等),其優點是造價低廉,更換簡便,可適用于不同租戶的裝修風格。但從遮陽隔熱的效果來看,外遮陽無疑是更好的選擇。玻璃幕墻辦公建筑常見的外遮陽主要有機翼型遮陽板、金屬外百葉簾、玻纖復合外遮陽等,此類遮陽構件如設計、運行維護得當,還能為建筑立面增添韻律感,可謂集美觀、實用于一身。而本位遮陽中,雙層玻璃間百葉、電控變色膜等技術雖然比較適合幕墻建筑,但是其技術尚未十分成熟,造價較高,且面臨替換難、故障率高等問題,尚待進一步開放與推廣。

另外,建筑遮陽按構件形狀可分為遮陽板、遮陽格柵、遮陽百葉、遮陽簾等；按控制方式可分為固定式遮陽系統、手動控制遮陽系統、電動控制遮陽系統、全天候智能化遮陽系統等。還可按構件材料、立面效果、使用時間等進行分類,不一而足[2]。

1.4 建筑遮陽發展現狀

我國遮陽行業與發達國家相比,最突出的差距在于遮陽工程的設計,不少建筑設計單位沒有將遮陽工程設計納入建筑設計的范疇,而是完成建筑設計后再將內遮陽產品作為裝修工程進行彌補。相反,發達國家在建筑設計過程中往往將外遮陽設計與建筑立面融為一體,十分重視整體規劃,具有整體美感。國內主要的建筑設計科研單位缺少專門針對建筑遮陽方面的研究設計人才,大多數設計師將遮陽僅僅當作一種建筑裝飾的附加配套設施,目的是為了標榜該建筑的造價及檔次,過于注重表現遮陽的符號性、強調建筑物的立面效果,而忽略了其最基本的對采光、節能的重要含義,因此節能效果并沒有得到體現。

2 研究思路與方案

2.1 研究思路

本項目旨在探討以杭州地區為例的夏熱冬冷氣候區玻璃幕墻辦公建筑遮陽形式的選擇,尤其關注東、西立面不利朝向的外遮陽設計手段；結合具體項目模擬分析金屬機翼板、金屬百葉簾、折臂遮陽蓬等主流遮陽構件對輻射遮擋、采光視野等的影響,總結在遮陽構件選擇時需要考慮的影響因素與重點技術指標。

2.2 案例簡介

本次研究選擇的項目案例位于夏熱冬冷地區的杭州市,建筑用地面積17 085.97 m2,其中地上建筑面積7 498.43 m2,總共4層。受地塊自身因素影響,建筑朝向為南偏東47°,非常不利。夏熱冬冷地區夏季室外溫度較高,需要使用空調設備進行降溫。大量西向、東向房間將導致空調能耗顯著升高,并且對室內使用空間的熱舒適性造成嚴重影響。因此,必須在項目3層4層主要辦公空間的東南、西南、西北向立面安裝遮陽構件。項目幕墻采用6Low-E+12A+6低輻射中空玻璃,傳熱系數為2.6 W/(m2·K),遮陽系數為0.50,窗墻比為東向0.31,南向0.19,西向0.36,北向0.14,外墻加權平均傳熱系數0.83 W/(m2·K),屋頂傳熱系數0.70 W/(m2·K),外遮陽構件安裝總面積約為651.6 m2。見圖1。

2.3 比選方案

2.3.1 金屬水平機翼式翻板

翻板外遮陽是公共建筑中最常用的一種剛性活動外遮陽,翻板葉片一般由鋁合金壓制型材制成,具有剛中帶韌的特點,抗風性能好。主要應用于大面積的幕墻圍護結構立面或頂面,形成整齊的外立面效果。葉片的大小和疏密可以根據項目情況訂制,翻轉角度可以根據需要改變,兼顧不同時段遮陽與采光的需求,節能效果明顯,調節性能優越。

2.3.2 金屬水平外遮陽百葉

外遮陽百葉一般以柔性金屬為基材加工而成,百葉排列形式多以橫排為主,可以根據窗洞尺寸進行個性化搭配,在整個立面上形成特殊效果。葉片厚度比室內百葉厚,具有非常優越的耐候性和抗風能力。遮陽系數可以在0.14～1.00之間調節。葉片在制作過程中可以采用卷邊、折邊、開孔等處理手法,形成不同的立面效果。外遮陽百葉的升降方式通常為電機驅動, 也可選用手動搖柄。 導向方式有鋼絲導向和軌道導向兩種,實際工程中多采用軌道導向,雖然安裝施工要求較高,但抗風能力強、運行噪聲小,且密閉性更高。

圖1 項目案例效果圖

2.3.3 斜伸式折臂遮陽篷

斜伸式折臂遮陽蓬依靠內置卷布管對篷布的卷曲,并通過滑軌所連接支撐桿的收放完成啟閉工作。支撐桿內置彈簧產生的彈力將篷布繃挺,上部有一段垂直部分遮擋了陽光,下部與建筑立面產生一定的角度,配合可開啟窗戶,從而起到更好的遮陽、通風效果,遮陽系數為0.33～1.00。在安裝時,其伸出的角度和寬度可以根據門窗的開啟方式和角度進行調節,靈活配合建筑立面進行設計。在收攏時,篷布將完全卷入頂部罩殼中,室內采光將完全不受影響且視覺上察覺不到其存在,恢復建筑原貌。遮陽蓬驅動方式同樣也可分為手動搖柄和電機驅動兩種。遮陽蓬面料選擇多為腈綸纖維,耐氣候色牢度較好,使用壽命一般可達5年。見圖2。

圖2 金屬水平機翼式翻板、金屬水平外遮陽百葉與斜伸式折臂遮陽蓬

2.4 模擬軟件與工況

本模擬將從輻射得熱、建筑能耗和室內采光三個方面綜合評價不同遮陽方案對建筑室內環境的影響。

輻射得熱的模擬主要使用Autodesk Ecotect Analysis 2011對項目進行建模和模擬。Ecotect是一個用于分析建筑采光、日照的多功能分析軟件,比較適合于前期方案的分析[3]。直觀化的建模手段和人性化的操作界面使其在建筑節能模擬計算方面獲得廣泛應用。模擬氣象數據取自中國氣象局氣象信息中心氣象資料室與清華大學建筑技術科學系編著的《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》(2005年)中杭州市的氣象數據。模擬時間選取《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準(JGJ 134—2010)》中規定的夏季空調計算期,即6月15日至8月31日[4]。

室內采光的模擬主要使用Ecotect建模結合Radiance進行計算。Radiance是由勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory,LBNL)開發的采光模擬軟件,采用了蒙特卡洛算法優化的反向光線追蹤算法進行分析計算,該軟件分析計算的結果已得到業界的廣泛認可。模擬氣象數據同樣取自《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》(2005年)中杭州市的氣象數據。本項目模擬采取全陰天模型,光線較為穩定,適合用于室內自然采光模擬。

建筑能耗的模擬主要使用Equest進行建筑全年能耗模擬。Equest是一款在美國能源部(U.S. Department of Energy)和電力研究院的資助下,由美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)和J.J.Hirsch及其聯盟(Associates)共同開發的一款基于DOE-2基礎上的建筑能耗分析軟件,其模擬結果已得到國內外暖通空調業界的普遍認可,具有一定的權威性。模擬時圍護結構性能參數設定參照《公共建筑節能設計標準(GB 50189—2005)》中的基準建筑進行設定[5]，氣象數據同樣取自《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》(2005年)中杭州市的氣象數據,根據《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準(JGJ 134—2010)》中外遮陽系數計算公式C.0.1-1、C.0.1-2和C.0.3,無遮陽模型窗扇遮陽系數取0.5；機翼式翻板外遮陽系數取東向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),綜合遮陽系數分別為0.13、0.195、0.135；金屬百葉簾除x=1外其余計算參數與機翼式翻板相同,綜合遮陽系數計算結果也相同；斜伸式折臂遮陽蓬外遮陽系數取東西向0.59(x=0.71,a=0,b=-0.96,η*=0.4),南向0.68(a=0.35,b=-1),綜合遮陽系數分別為0.295、0.34。

3 結論分析

3.1 模擬結果

3.1.1 輻射模擬

東南向墻面未設置外遮陽時,夏季平均輻射量為96.4 kW·h/m2,設置外百葉簾后平均輻射量為25.2 kW·h/m2,機翼式翻板為20.4 kW·h/m2,斜伸式折臂遮陽蓬為60.2 kW·h/m2。

圖3 無遮陽與其他三種遮陽方案西北立面日照輻射模擬結果對比

西南向墻面未設置外遮陽時,夏季平均輻射量為139.6 kW·h/m2,設置外百葉簾后平均輻射量為27.0 kW·h/m2,機翼式翻板為22.9 kW·h/m2,斜伸式折臂遮陽蓬為84.9 kW·h/m2。

西北向墻面未設置外遮陽時,夏季平均輻射量為175.0 kW·h/m2,設置外百葉簾后平均輻射量為30.1 kW·h/m2,機翼式翻板為22.1 kW·h/m2,斜伸式折臂遮陽蓬為106.2 kW·h/m2。

因此,從降低輻射效果看,機翼式翻板遮陽效果較好,設置前后輻射量減幅最高可達87.4%。斜伸式折臂遮陽蓬由于遮擋面積最小,因此隔熱效果最弱。

另外,從模擬結果看,西北向外立面夏季輻射量明顯高于東南向和西南向,整個下午都處于陽光直射下,說明遮陽構件的設置十分必要。

3.1.2 采光模擬

從模擬結果看,未設置遮陽措施時,標準東南向辦公室平均采光系數為6.23%,在設置外百葉簾且將百葉傾角調至60°后,雖遮陽效果顯著,對自然光采光的影響也不容忽視,平均采光系數降至0.76%。而相應的,機翼式翻板和斜伸式折臂遮陽蓬分別為0.61%和2.15%。同樣由于斜伸式折臂遮陽蓬遮擋面積最小,能取得最好的自然光采光效果。

圖4 無遮陽與其他三種遮陽方案室內采光系數模擬結果對比

3.1.3 能耗模擬

無遮陽與其他三種遮陽方案空調能耗模擬結果對比見表1～3。通過能耗模擬,斜伸式折臂遮陽蓬每年夏季可節省空調能耗約4 970 kW·h,而金屬外百葉簾和水平機翼式翻板遮陽可節省空調能耗約10 180 kW·h。

表1 無遮陽工況空調能耗模擬結果 1000 kW·h

表2 機翼型翻板與金屬外百葉簾工況空調能耗模擬結果 1000 kW·h

表3 折臂遮陽蓬工況空調能耗模擬結果 1000 kW·h

3.2 成本分析

根據估算,按3層4層主要辦公空間的東南、西南、西北向立面安裝外遮陽,外遮陽總面積共計651.6 m2。如按電動機翼式翻板1 100元/m2的造價估算,外遮陽成本增量約為71.68萬元。手動控制的金屬外百葉簾造價約在700元/m2左右,而斜伸式折臂遮陽蓬根據面料不同,造價在500～1 000元/m2不等。

根據分析,外遮陽構件可有效降低夏季室內溫度,節省空調能耗,提高室內熱舒適性,并且對干擾視覺舒適度的直射眩光具有良好的調節作用。如采取金屬百葉簾或機翼式翻板外遮陽,每年節省空調能耗約10 180 kW·h左右,按商業電價0.9元/kW·h計算,每年節能效益近1萬元。此外,安裝外遮陽后,能通過改善工作環境大幅提高員工工作效率,同樣屬于潛在的節能效益。

4 結 語

通過各項模擬結果比較,并結合成本造價等各方面因素,推薦在夏熱冬冷地區玻璃幕墻建筑項目中根據項目外觀造型采用金屬外百葉簾或金屬水平機翼式翻板外遮陽。理由如下：

1) 機翼式翻板造型整潔大氣,容易形成大面積垂直連貫肌理,而金屬外百葉簾則更適合按樓層劃分形成水平帶狀肌理,兩者設計得當,均能優化建筑的外立面造型。

2) 機翼式翻板遮陽隔熱效果最好,金屬外百葉簾其次,均能較大程度地減少空調能耗并維持室內舒適。

3) 機翼式翻板與金屬外百葉簾耐候性、抗風性相對較強,尤其是機翼式翻板,使用壽命也相對較長,而斜伸式折臂遮陽蓬抗風耐候性能相對較弱。

當然,由于無法完全收起,機翼式翻板對室內自然光采光效果和視野通透性存在一定影響。

在調節控制方面,統一調節有利于外立面效果美觀,而用戶末端調節則更能滿足用戶實時需求,需要綜合考慮有所取舍。

[1] 楊偉華，曹毅然，李德榮. 建筑遮陽的測試與研究 [J]. 住宅科技，2009(7):7-9.

[2] 曾會容. 建筑幕墻的遮陽板設計 [J]. 中國建筑金屬結構，2008(6):30-35.

[3] 云鵬. Ecotect建筑環境設計教程 [M]. 北京：中國建筑工業出版社，2007.

[4] 中國建筑科學研究院.JGJ 134—2010夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5] 中國建筑科學研究院.GB 50189—2015公共建筑節能設計標準[S].北京：中國建筑工業出版社，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

黃 云(1987—),男,浙江杭州人,碩士，從事綠色建筑咨詢工作。

TU226

A

1008-3707(2016)12-0024-06