玻璃幕墻建筑的遮陽及采光與節能

1.前言

　　20世紀，世界建筑科學技術突飛猛進，發達國家建筑圍護結構的保溫隔熱性能和氣密性大有提高，采暖、空調和遮陽的設備與技術日益進步，人們可以在越來越更為優裕和舒適的室內環境中生活與工作。從經典型建筑珍品到粗糙的鄉土建筑，建筑遮陽無不得到充分重視，并以不同方式體現出來。

　　建筑主體節能最重要的方面是有效的建筑單體設計，主要包括隔熱（窗、墻、屋頂）、遮陽、通風。合理的建筑物遮陽設計可以使空調系統的運行能耗降低約16%～29%.

　　2.玻璃幕墻的遮陽節能

　　2.1玻璃幕墻遮陽的必要性

　　70年代能源危機后，發展了不同系統來增強玻璃幕墻的熱性能。玻璃幕墻是公共建筑外圍護結構的主導，是建筑物熱交換、熱傳導最活躍、最敏感的部位，是傳統墻體失熱損失的5～6倍，其能耗約占整個建筑能耗的40%左右，故玻璃幕墻的節能有極其重要的地位。

　　在國內，隨著市場經濟的發展，建筑節能是中國經濟社會可持續發展的迫切需要，建設單位和設計單位的節能環保意識不斷提高，對玻璃幕墻的節能要求也不斷的提高。雖然玻璃幕墻建筑采用遮陽措施能達到理想的隔熱節能效果，但在國內，現階段各方對此重視不夠。一棟設計不良的全為玻璃幕墻的建筑物，其全年空調耗電量可能是一般混凝土外墻大樓的4倍。而玻璃幕墻的使用壽命達五十年之久，其節能效果當然遠勝于短壽命的冷氣機、冰箱、鍋爐等。故玻璃幕墻建筑的節能比其他建筑產品節能更為重要，發展玻璃幕墻的遮陽技術也是建筑節約能源最有潛力的工具。

　　2.2玻璃幕墻遮陽的研究

　　建筑外圍護結構的節能設計，由開窗、方位、遮陽和隔熱材料等因素環環相扣，這些因素影響建筑物的耗能量。臺灣的西拉雅研究室曾對臺灣的辦公建筑的外圍護結構進行研究，對建筑外圍護結構的各要素的耗能量進行分析，其分析結果如下：

　　從上表可以得出結論：

　　①外墻的開窗率是外墻節能的最重要因素，降低開窗面積率是節能最重要手段，但是降低開窗率也必須確保和顧及適當的自然采光，并免除心理的封閉感。但是對于追求通透效果的玻璃幕墻而言，只能采用降低開啟窗面積并加強不透光地方的隔熱設計來達到節能要求。

　　②外遮陽和玻璃遮蔽是外墻節能的第二重要因素，玻璃材質及外遮陽都影響遮蔽率的大小，但是裝設遮陽板、遮陽百頁等外遮陽遠比改變玻璃材質的效果大。玻璃材質可選擇高反射率的反射玻璃和吸熱玻璃（反射率太大的反射玻璃會造成眩光污染的公害），所以要選擇適當的反射玻璃。

　　③建筑方位因素是外墻節能設計的第三要素（占13.8%的比重）。大面積的玻璃幕墻應避免東照西曬，建筑的長向應朝南北向放置。

　　采用遮陽措施不僅是玻璃幕墻建筑節能設計的必要手段，而且也是標準較高的玻璃幕墻建筑在建筑設計上的必要手段。

　　2.3遮陽的作用與效果

　　由于玻璃幕墻由玻璃和金屬結構組成，而玻璃表面換熱性強，熱透射率高，故對室內熱條件有極大的影響。在夏季，陽光透過玻璃射入室內，是造成室內過熱的主要原因。特別在南方炎熱地區，如果人體再受到陽光的直接照射，將會感到炎熱難受。在玻璃幕墻上設置遮陽系統，可以**限度減少陽光的直接照射，從而避免室內過熱，是炎熱地區建筑防熱的主要措施之一。設置遮陽后，會有以下作用及效果：

　　2.3.1遮陽對太陽輻射的作用

　　外圍護結構的保溫隔熱性能受許多因素的影響，其中影響**的指標就是遮陽系數。一般來說，遮陽系數受到材料本身特性和環境的控制。遮陽系數就是透過有遮陽措施的圍護結構和沒有遮陽措施的圍護結構的太陽輻射熱量的比值。遮陽系數愈小，透過外圍護結構的太陽輻射熱量愈小，防熱效果愈好。由此可見，遮陽對遮擋太陽輻射熱的效果是相當大的，玻璃幕墻建筑設置遮陽措施更是效果明顯。

　　2.3.2遮陽對室內溫度作用

　　遮陽對防止室內溫度上升有明顯作用，在夏熱地區試驗觀測表明，在閉窗的情況下，有無遮陽，室溫差值較大。而且有遮陽時，房間溫度波幅值較小，室溫出現**值的時間延遲，室內溫度場均勻。因此，遮陽對空調房間可減少冷負荷，所以對空調建筑來說，遮陽更是節約電能的主要措施之一。

　　2.3.3遮陽對采光的作用

　　從天然采光的觀點來看，遮陽措施會阻擋直射陽光，防止眩光，使室內照度分布比較均勻，有助于視覺的正常工作。對周圍環境來說，遮陽可分散玻璃幕墻的玻璃（尤其是鍍膜玻璃）的反射光，避免了大面積玻璃反光造成光污染。但是，由于遮陽措施有擋光作用，從而會降低室內照度，在陰雨天更為不利。因此，在遮陽系統設計時要有充分的考慮，盡量滿足室內天然采光的要求。側面采光有可能導致房間內的亮度過高，有時會引起眩光。選擇何種形式的玻璃需要兼顧采光和節能兩個方面的要求。采用遮陽篷可以兼顧能效和采光。

　　2.3.4遮陽對建筑外觀的作用

　　一般人認為玻璃幕墻設計只能平板化，無法設計外遮陽等遮陽設施，但是由國外的許多案例我們可以發現金屬玻璃幕墻能以輕巧的金屬板設計成優美的遮陽形式并成為建筑造型有趣的一部份。遮陽系統在玻璃幕墻外觀的玻璃墻體上形成光影效果，體現出現代建筑藝術美學效果。因此，在歐洲建筑界，已經把外遮陽系統作為一種活躍的立面元素，加以利用，甚至稱之為雙層立面形式。一層是建筑物本身的立面，另一層則是動態的遮陽狀態的立面形式。這種具有"動感"的建筑物形象不是因為建筑立面的時尚需要，而是現代技術解決人類對建筑節能和享受自然需求而產生的一種新的現代建筑形態。

　　2.3.5遮陽對房間通風的影響

　　遮陽設施對房間通風有一定的阻擋作用，在開啟窗通風的情況下，室內的風速會減弱22%-47%，具體視遮陽設施的構造情況而定；對玻璃表面上升的熱空氣有阻擋作用，不利散熱，在遮陽的構造設計時應加以注意。

　　2.4遮陽的形式及構造設計

　　遮陽具有防止太陽輻射、避免產生眩光、改善室內環境氣候、及建筑外觀上光影美學效果之功能，但也對室內的采光、通風帶來不同層次的影響。遮陽系統本身而言，根據位置分為外部遮陽與內部遮陽，其中又可分為活動式遮陽及固定式遮陽。就遮陽形式來分，一般分為四種：水平遮陽、垂直遮陽、綜合式遮陽和擋板式。

　　根據地區的氣候特點和房間的使用要求，可以把遮陽作為**性的或臨時性的。**性的就是在玻璃幕墻內外設置各種形式的遮陽板和遮陽簾，臨時性的就是在玻璃的內外設置輕便的布簾，竹簾，軟百頁，帆布蓬等。在**性的遮陽設施中，按其構件能否活動，有可分為固定式或活動式兩種。活動式的遮陽可視一年中季節的變換，一天的時間變化和天空的陰晴情況，任意調節遮陽板的角度；在寒冷的季節，可以避免遮擋陽光，爭取日照。

　　遮陽的效果除與遮陽形式有關外，還與構造設計有很大的關系，設計時要特別注意以下幾點：

　　2.4.1遮陽板面的組合與構造

　　在滿足阻擋直線陽光的前提下，可以有不同板面組合的形式，應該選擇對通風，采光，視野，構造和立面處理等要求更為有利的形式。為了使于熱空氣的散逸，并減少對通風，采光的影響，常將板面做成百頁的或部分做成百頁的，或中間層做成百頁的。遮陽板可用鋁板，輕金屬或混泥土制做。

　　2.4.2遮陽板的安裝位置

　　圖3的遮陽設施的靈活性大，使用合理，因此近年在國外的建筑中應用較廣。

　　遮陽板安裝的位置對防熱和通風的影響很大。例如將板面緊靠墻面布置時，受熱表面加熱而上升的熱空氣將受室外風壓作用導入室內。這種情況對綜合式遮陽更為嚴重，為了克服這個缺點，板面應該離開玻璃墻面一定的距離安裝，以使大部分熱空氣沿著墻面排走，且應使遮陽板盡可能減少擋風，**還能兼起導風入室作用。

　　2.4.3材料與顏色

　　為了減輕自重，遮陽構件以采用輕質量為宜。遮陽構件經常暴露在室外，受日曬雨淋，容易損壞，因此要材料堅固耐久。如果遮陽室活動式的，又要求輕便靈活，以便調節或拆除。材料的外表面對太陽輻射熱的吸收系數要小，設計時可根據上述的要求并結合實際情況來選擇適宜的遮陽材料。

　　遮陽的構件的顏色對隔熱效果也有影響。以安裝在玻璃幕墻內側的百葉簾為例，暗色、中間色和白色的遮陽系數分別為：86%、74%和62%.白色的比暗色的要減少24%.為了加強表面的反射，減少吸收，遮陽簾朝向陽光的一面，應為淺色發亮的顏色，而在背陽光的一面，應為較暗的無光澤顏色，以免引起眩光。

　　2.4.4外遮陽和內遮陽

　　一般來講，室外南向仰角45°的水平遮陽板，可輕易遮去68％的太陽輻射熱。裝在窗口內側的布簾，軟百頁等遮陽設施，其所吸收的太陽輻射熱，大部分散發給室內空氣。裝在外側的遮陽板，吸收的輻射熱，大部分散發給室外的空氣，從而減輕了對室內溫度的影響。因此采用外遮陽（遮陽板）是**的建筑節能之道。

　　3.遮陽系統智能化設計

　　遮陽系統智能化的諸多優點被忽略，或僅僅作為樓宇的點綴而已。我們認為智能遮陽系統是建筑智能化系統不可或缺的一部分。遮陽系統為改善室內環境而設，如今一種新型的智能玻璃幕墻技術先后在德國、英國等西歐國家得到發展。

　　智能玻璃幕墻廣義上包括玻璃幕墻、通風系統、空調系統環境檢測系統、樓宇自動控制系統。其技術核心是一種有別與傳統幕墻的特殊幕墻-熱通道幕墻，它的**特點是由內外兩層幕墻之間形成一個通風換氣層，由于此換氣層中空氣的流通或循環的作用，使內層幕墻的溫度接近室內溫度，減小溫差因而它比傳統的幕墻采暖時節約能源42%-52%，制冷時節約能源38%-60%.在空氣腔中增加日光控制裝置（如百葉、光反射板、熱反射板等），可以同時滿足建筑自然通風、自然采光的要求。另外由于雙層幕墻的使用，整個幕墻的隔音效果得到了很大的提高。

　　4.結束語

　　合理的遮陽系統對玻璃幕墻建筑的藝術與技術的作用和效果，尤其是在建筑節能與智能化方面，都需要我們不斷地去開發和研究。對國內外建筑遮陽技術的調研；對適用性遮陽構造方案的研究；對遮陽構造性能系數的研究；對適用遮陽系統節能軟件的開發；對遮陽構造藝術性的評價將是我們以后的工作重點。

　　建筑遮陽不應該僅是一組組物理數字計算，只要合理的整合技術和藝術，就可以成為具有表現力的建筑立面要素，成為可呼吸的建筑表皮，更好的發揮其作用，來實現建筑節能