玻璃幕墻的遮陽節能技術

　　摘要:本文在節能環保為當今國際上建筑發展的總趨勢的環境下，論述建筑節能的重要途徑就是對外圍護結構進行隔熱保溫，提出在我國尤其是南方地區以玻璃幕墻為外圍護結構的建筑，建筑節能的一個重要措施就是對玻璃幕墻進行遮陽設計。指出玻璃幕墻遮陽設計的重要性，對遮陽系統的構造和方式進行探討，并提倡建筑遮陽系統智能化。
　　 前言
　　20世紀，世界建筑科學技術突飛猛進，房屋建筑快速發展，各發達國家建筑圍護結構的保溫隔熱和氣密性能大有提高，采暖、空調和照明的設備與技術日益進步，人們越來越能夠在更為優裕和舒適的室內環境中生活與工作，人類建筑文明取得了前所未有的成就。在此同時，人們也不得不面對著資源枯竭、環境惡化、生態破壞、氣候變暖等一系列嚴峻問題。據統計，在我國這個發展中國家，建筑能耗占社會總能耗的25%，隨著經濟的發展和人民生活質量提高，這個比例還會不斷增長。強調節能、低污染、低耗能的綠色建筑順應時代的要求而生，我國也頌布了一系列法規和政策來對建筑節能和合理使用資源做出明確的規定。
　　隨著我國玻璃幕墻熱的發展，去年全國已經超過150萬平方米， 近幾年玻璃幕墻總面積超過300萬平方米。金屬玻璃幕墻具有輕量化、不燃化、耐震、施工迅速等優點，在現代都市高樓化，防火、防震、施工安全的要求前提下，已成為不可阻擋的趨勢，今后將成為高樓建筑的設計主流。金屬玻璃幕墻可以減少傳統混凝土外墻大量的鋼筋、混凝土使用量，對于減少高耗能建材使用所達到的節約能源、資源有很大的幫助。而且金屬玻璃幕墻較易于回收利用，也可達到環保的目的。
　　玻璃幕墻是現代高檔建筑較多采用的外圍護結構，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5～6倍，幕墻的能耗約占整個建筑能耗的40%左右，故幕墻的節能有極其重要的地位。
　　一、玻璃幕墻遮陽的必要性 ：
　　 建筑外圍護結構的節能設計，由開窗、方位、遮陽到隔熱材料等因素環環相扣， 這些因素左右建筑物的耗能量。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，其結果分析以下：

　　從以上可以得出結論 ：
　　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顧及確保適當的自然采光，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(唯反射率太大的反射玻璃會造成眩光污染的公害)。
　　3) 建筑方位因素是外墻節能設計的第三要素(占了12％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配置。
　　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也不斷提高，對玻璃幕墻的節能要求也不斷的提高，現階段提高玻璃幕墻隔熱保溫性能的主要措施有：
　　1)采用鍍膜玻璃、LOW-E玻璃、熱反射玻璃、中空玻璃等玻璃處理技術以減少太陽透過玻璃的直接輻射。
　　2)采用鋁塑復合材料、斷熱橋型材等高熱阻材料應用技術。
　　以上隔熱保溫措施原理比較簡單，使玻璃幕墻結構的傳熱系數大大降低。這些節能措施在建筑現階段已應用較廣。雖然玻璃幕墻建筑采用遮陽措施能達到更好的隔熱節能作用，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建筑的全年空調耗電量，可能是一般混凝土外墻大樓的四倍。而玻璃幕墻的使用壽命達五十年之長，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。所以發展玻璃幕墻的遮陽技術也是建筑物是節約能源最有潛力的工具。
　　另外，在建筑設計中要求，當建筑具備下列條件時（建筑標準較高的房間，僅有1～2兩項）就要采用遮陽措施：
　　1) 室內氣溫大于290C ；
　　2) 太陽輻射強度大于240千卡/米時 ；
　　3) 陽光照射室內深度大于0.5米 ；
　　4) 陽光照射室內時間超過一小時 ；
　　采用遮陽措施不僅是玻璃幕墻建筑節能設計的必要手段，而且是標準較高玻璃幕墻建筑的建筑設計的必要手段。
　　 二、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，可以最大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 ：
　　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，其中影響最大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。在廣州地區進行實測得到的各主要朝向窗口的遮陽系數分別為：西向17%，南向45%，北向60%。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) 遮陽對室內溫度作用。遮陽防止室內溫度上升有明顯作用，在廣州某西向房間試驗觀測表明：在閉窗的情況下，有、無遮陽 ，室溫最大差值達20 C,平均差值1.4 0 C。而且有遮陽時，房間溫度波幅值較小，室溫出現最大值的時間延遲，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。
　　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。
　　4) 遮陽對建筑外觀的作用。一般人都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。
　　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。而對玻璃表面上升的熱空氣有阻擋作用，不利散熱，因此在遮陽的構造設計時應加以注意。
　　三、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，以位置上來分有“外部遮陽”與“內部遮陽”之區別，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，可以把遮陽作為的或臨時性的。永久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。在永久性的遮陽設施中，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。（見圖5）這種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。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

　　就我國所處地理緯度來說，各種遮陽板基本形式適應是朝向范圍如下：
　　1．水平式遮陽（見圖1） 在玻璃前采用伸出重疊的平板這種形式的遮陽，能有效地遮擋太陽高度角較大的，從玻璃幕墻上方投射下來的陽光。故它適用于南向的玻璃幕墻建筑物。

 

 

 

 

 

 

 

 

　　2．垂直式遮陽（見圖2） 設于玻璃前之凸出板的垂直式遮陽，能有效地遮擋角度較小的，從玻璃窗側斜射進來的陽光。但對于角度較大的，從玻璃窗上面射下來的陽光，或接近日出、日沒時平射的陽光，它不起遮擋作用。故垂直式的遮陽主要適用于東北，北和西北向附近的玻璃幕墻建筑。

　　3．綜合式遮陽（見圖3） 綜合式遮陽能有效地遮擋高角度中等的，從玻璃窗前射下來的陽光。遮陽效果比較均勻，故它適用于東南或西南向的玻璃幕墻建筑。

　　4.擋板式遮陽（見圖4） 這種式的遮陽，能有效地遮擋高度角較小的，正射窗口的陽光。故它主要用于東西向的玻璃幕墻建筑。

　　由于遮陽系統對室內采光，通風及冬季日照等亦帶來不同層次的影響。目前出現一種遮陽采光系統。其采用遮陽板和導光板組合的遮采光系統，形式一般為在建筑玻璃幕墻或窗上部裝設一水平遮陽設施，其功用除了可直接阻礙太陽的直射光熱外，更可間接利用遮陽板設計將太陽光反射至天花板，再經天花板將自然光導入室內較深處。
　　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 ：
　　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．遮陽板的安裝位置 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，為了克服著個缺點，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，最好還能兼起導風入室作用。
　　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。
　　4．外遮陽和內遮陽 一般來講，明色室內百葉只可擋去17％太陽輻射熱，而室外南向仰角45度的水平遮陽板，可輕易遮去68％的太陽輻射熱，兩者間的遮陽效果相差甚大。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，大部分將散發給室內空氣。如果裝在外側的遮陽板，則吸收的輻射熱，大部分將散發給室外的空氣，從而減輕了室內溫度的影響。因此采用外遮陽（遮陽板）是最好的建筑節能之道。
　　四、外遮陽構件尺寸的計算
　　(一) 水平式遮陽
　　任意朝向建筑的玻璃幕墻的外水平遮陽板挑出長度，按下式計算
　　 L-=H*coths*cosγs，ω
　　式中
　　 L----水平板挑出長度，m;
　　H---水平板下沿至下一水平板高度，m;
　　hs---太陽高度角，deg;
　　γs，ω----太陽方位角與墻方位角之差，deg;
　　γs，ω=As-Aω
　　 As---太陽方位角，deg;
　　Aω---墻方位角,Deg.

　　 (二) 垂直式遮陽
　　任意朝向建筑的玻璃幕墻的外垂直遮陽板挑出長度，按下式計算：
　　L⊥=B·cotγs，ω
　　式中
　　 L⊥---垂直板挑出長度，m；
　　B---板面間凈距，m；
　　γs，ω---太陽方位角與墻方位角之差，deg.

　

　　(三) 綜合式遮陽
　　 任意朝向建筑的玻璃幕墻的綜合式遮陽的挑出長度，可先計算出垂直板和水平板兩者的挑出長度，然后根據兩者計算的數值按構成的要求確定綜合式遮陽挑出長度。
　　附：太陽高度角和方位角的計算公式 ：
　　1.求太陽高度角hs ：
　　sin hs =sinφ·sinδ+cosψ·cosδ·cosΩ
　　式中 hs-太陽高度角，deg;
　　φ-地理緯度，deg;δ-赤緯，deg;Ω-時角，deg。
　　2，求太陽方位角As ：
　　 COSAs= sinhs·sinψ-sinδ/(coshs·cosψ) As-太陽方位角，deg.
　　　五、遮陽系統智能化設計
　　現今高資訊科技化的社會，人們是生活形態已逐漸改變，創造高資訊科技化和人性化的生活空間與環境,已成為目前建筑物生產力與經濟效益外的另一項重要規劃設計課題。智能化建筑的室內環境的控制是以智能化的方式控制物理或以自動化的方式，以達到建筑物的安全，健康，節能，舒適與高效率的工作環境，智能化建筑不僅需要令各種設備系統的效能均處與最適化的運轉下，更需要使設備系統和空間的使用及構造材料，施工方法系統整體結合，充分考慮視覺，聽覺及觸覺和感覺感受，以滿足高性能及高感性的人性化設計。當暖通和綜合照明系統的智能化正被人們接受并廣泛成為大型樓字和現代家居之必需時，遮陽系統智能化的諸多優點卻被忽略，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,相信越來越多的現代建筑將采用，并在設計階段就應被集成進去。遮陽系統為改善室內環境而設，遮陽系統的智能化將是建筑智能化系統最新和最有潛力的一個發展分支。
　　建筑幕墻的遮陽系統智能化就是對控制遮陽板角度調節或遮陽簾升降的電機的控制系統采用現代計算機集成技術。目前國內外的廠商已經成功開發出以下幾種控制系統:
　　 1.時間電機控制系統 這種時間控制器儲存了太陽升降過程的記錄，而且，已經事先根據太陽在不同季節的不同起落時間作了調整。因此，在任何地方，控制器都能很準確地使電機在設定的時間進行遮陽板角度調節或窗簾升降。并且還能利用陽光熱量感應器(熱量可調整)，來進一步自動控制遮陽簾的高度或遮陽板角度，使房間不被太強烈的陽光所照射。
　　 2.氣候電機控制系統 這種控制器是一個完整的氣候站系統，裝置有太陽/風速/雨量/溫度感應器。此控制器在廠里已經輸入基本程序包括光強弱/風力/延長反應時間的數據。這些數據可以根據地方和所需而隨時更換。而 “延長反應時間” 這一功能使遮陽板或窗簾不會因為太陽光的小小改變而立刻作出反應。
　　遮陽系統能夠實現節能的目的，需要靠它的智能控制系統，這種智能化控制系統是一套較為復雜的系統工程，是從功能要求到控制模式到信息采集到執行命令到傳動機構的全過程控制系統。它涉及到氣候測量、制冷機組運行狀況的信息采集、電力系統配置、樓宇控制、計算機控制、外立面構造等多方面的因素。智能遮陽系統的節能功效可以在設計階段就能被計算機推導軟件容易并可靠地計算出來。（圖7為德國柏林議會新穹頂，其遮陽葉板由計算機控制隨太陽移動）。　

　　六、結語
　　研究遮陽系統對建筑物藝術與建筑技術作用和效果，尤其是建筑節能與智能化方面，需要我們的不斷的開發和研究。對國內外建筑遮陽技術的調研 ；對適用性遮陽構造方案研究 ；對遮陽構造的性能系數研究 ；對適用遮陽系統節能軟件開發 ；和遮陽構造藝術性的評價將是我們以后的工作重點。
　　同時也希望國內企業和同行在掌握和學習國外新技術的同時，能夠全面地研究遮陽系統相關技術的發展和配套產品的開發，真正使國內的建筑幕墻的遮陽系統跟上時代步伐。
　　參考文獻
　　（1）柳孝圖 ， 《建筑物理》，中國建筑工業出版社，1991年7月。
　　 （2）《建筑設計資料集》編委會，《建筑設計資料集》，中國建筑工業出版社1994年6月。
　　（3）《堅朗電動建筑遮陽系統》，深圳南鋁建筑裝飾材料有限公司。
　　（4）臺灣西拉雅研究室網站（www.arch.ncku.edu.tw）。　　

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