玻璃幕墙建筑的遮阳采光与节能

1.前言
　　20世纪，世界建筑科学技术突飞猛进，发达国家建筑围护结构的保温隔热性能和气密性大有提高，采暖、空调和遮阳的设备与技术日益进步，人们可以在越来越更为优裕和舒适的室内环境中生活与工作。从经典型建筑珍品到粗糙的乡土建筑，建筑遮阳无不得到充分重视，并以不同方式体现出来。
　　建筑主体节能最重要的方面是有效的建筑单体设计，主要包括隔热（窗、墙、屋顶）、遮阳、通风。合理的建筑物遮阳设计可以使空调系统的运行能耗降低约16%～29%.
　　2.玻璃幕墙的遮阳节能
　　2.1玻璃幕墙遮阳的必要性
　　70年代能源危机后，发展了不同系统来增强玻璃幕墙的热性能。玻璃幕墙是公共建筑外围护结构的主导，是建筑物热交换、热传导最活跃、最敏感的部位，是传统墙体失热损失的5～6倍，其能耗约占整个建筑能耗的40%左右，故玻璃幕墙的节能有极其重要的地位。
　　在国内，随着市场经济的发展，建筑节能是中国经济社会可持续发展的迫切需要，建设单位和设计单位的节能环保意识不断提高，对玻璃幕墙的节能要求也不断的提高。虽然玻璃幕墙建筑采用遮阳措施能达到理想的隔热节能效果，但在国内，现阶段各方对此重视不够。一栋设计不良的全为玻璃幕墙的建筑物，其全年空调耗电量可能是一般混凝土外墙大楼的4倍。而玻璃幕墙的使用寿命达五十年之久，其节能效果当然远胜于短寿命的冷气机、冰箱、锅炉等。故玻璃幕墙建筑的节能比其他建筑产品节能更为重要，发展玻璃幕墙的遮阳技术也是建筑节约能源最有潜力的工具。

　　2.2玻璃幕墙遮阳的研究
　　建筑外围护结构的节能设计，由开窗、方位、遮阳和隔热材料等因素环环相扣，这些因素影响建筑物的耗能量。台湾的西拉雅研究室曾对台湾的办公建筑的外围护结构进行研究，对建筑外围护结构的各要素的耗能量进行分析，其分析结果如下：
　　从上表可以得出结论：
　　①外墙的开窗率是外墙节能的最重要因素，降低开窗面积率是节能最重要手段，但是降低开窗率也必须确保和顾及适当的自然采光，并免除心理的封闭感。但是对于追求通透效果的玻璃幕墙而言，只能采用降低开启窗面积并加强不透光地方的隔热设计来达到节能要求。
　　②外遮阳和玻璃遮蔽是外墙节能的第二重要因素，玻璃材质及外遮阳都影响遮蔽率的大小，但是装设遮阳板、遮阳百页等外遮阳远比改变玻璃材质的效果大。玻璃材质可选择高反射率的反射玻璃和吸热玻璃（反射率太大的反射玻璃会造成眩光污染的公害），所以要选择适当的反射玻璃。
　　③建筑方位因素是外墙节能设计的第三要素（占13.8%的比重）。大面积的玻璃幕墙应避免东照西晒，建筑的长向应朝南北向放置。
　　采用遮阳措施不仅是玻璃幕墙建筑节能设计的必要手段，而且也是标准较高的玻璃幕墙建筑在建筑设计上的必要手段。

　　2.3遮阳的作用与效果
　　由于玻璃幕墙由玻璃和金属结构组成，而玻璃表面换热性强，热透射率高，故对室内热条件有极大的影响。在夏季，阳光透过玻璃射入室内，是造成室内过热的主要原因。特别在南方炎热地区，如果人体再受到阳光的直接照射，将会感到炎热难受。在玻璃幕墙上设置遮阳系统，可以最大限度减少阳光的直接照射，从而避免室内过热，是炎热地区建筑防热的主要措施之一。设置遮阳后，会有以下作用及效果：
　　2.3.1遮阳对太阳辐射的作用
　　外围护结构的保温隔热性能受许多因素的影响，其中影响最大的指标就是遮阳系数。一般来说，遮阳系数受到材料本身特性和环境的控制。遮阳系数就是透过有遮阳措施的围护结构和没有遮阳措施的围护结构的太阳辐射热量的比值。遮阳系数愈小，透过外围护结构的太阳辐射热量愈小，防热效果愈好。由此可见，遮阳对遮挡太阳辐射热的效果是相当大的，玻璃幕墙建筑设置遮阳措施更是效果明显。
　　2.3.2遮阳对室内温度作用
　　遮阳对防止室内温度上升有明显作用，在夏热地区试验观测表明，在闭窗的情况下，有无遮阳，室温差值较大。而且有遮阳时，房间温度波幅值较小，室温出现最大值的时间延迟，室内温度场均匀。因此，遮阳对空调房间可减少冷负荷，所以对空调建筑来说，遮阳更是节约电能的主要措施之一。
　　2.3.3遮阳对采光的作用
　　从天然采光的观点来看，遮阳措施会阻挡直射阳光，防止眩光，使室内照度分布比较均匀，有助于视觉的正常工作。对周围环境来说，遮阳可分散玻璃幕墙的玻璃（尤其是镀膜玻璃）的反射光，避免了大面积玻璃反光造成光污染。但是，由于遮阳措施有挡光作用，从而会降低室内照度，在阴雨天更为不利。因此，在遮阳系统设计时要有充分的考虑，尽量满足室内天然采光的要求。侧面采光有可能导致房间内的亮度过高，有时会引起眩光。选择何种形式的玻璃需要兼顾采光和节能两个方面的要求。采用遮阳篷可以兼顾能效和采光。
　　2.3.4遮阳对建筑外观的作用
　　一般人认为玻璃幕墙设计只能平板化，无法设计外遮阳等遮阳设施，但是由国外的许多案例我们可以发现金属玻璃幕墙能以轻巧的金属板设计成优美的遮阳形式并成为建筑造型有趣的一部份。遮阳系统在玻璃幕墙外观的玻璃墙体上形成光影效果，体现出现代建筑艺术美学效果。因此，在欧洲建筑界，已经把外遮阳系统作为一种活跃的立面元素，加以利用，甚至称之为双层立面形式。一层是建筑物本身的立面，另一层则是动态的遮阳状态的立面形式。这种具有"动感"的建筑物形象不是因为建筑立面的时尚需要，而是现代技术解决人类对建筑节能和享受自然需求而产生的一种新的现代建筑形态。
　　2.3.5遮阳对房间通风的影响
　　遮阳设施对房间通风有一定的阻挡作用，在开启窗通风的情况下，室内的风速会减弱22%-47%，具体视遮阳设施的构造情况而定；对玻璃表面上升的热空气有阻挡作用，不利散热，在遮阳的构造设计时应加以注意。

　　2.4遮阳的形式及构造设计
　　遮阳具有防止太阳辐射、避免产生眩光、改善室内环境气候、及建筑外观上光影美学效果之功能，但也对室内的采光、通风带来不同层次的影响。遮阳系统本身而言，根据位置分为外部遮阳与内部遮阳，其中又可分为活动式遮阳及固定式遮阳。就遮阳形式来分，一般分为四种：水平遮阳、垂直遮阳、综合式遮阳和挡板式。
　　根据地区的气候特点和房间的使用要求，可以把遮阳作为永久性的或临时性的。永久性的就是在玻璃幕墙内外设置各种形式的遮阳板和遮阳帘，临时性的就是在玻璃的内外设置轻便的布帘，竹帘，软百页，帆布蓬等。在永久性的遮阳设施中，按其构件能否活动，有可分为固定式或活动式两种。活动式的遮阳可视一年中季节的变换，一天的时间变化和天空的阴晴情况，任意调节遮阳板的角度；在寒冷的季节，可以避免遮挡阳光，争取日照。
　　遮阳的效果除与遮阳形式有关外，还与构造设计有很大的关系，设计时要特别注意以下几点：
　　2.4.1遮阳板面的组合与构造
　　在满足阻挡直线阳光的前提下，可以有不同板面组合的形式，应该选择对通风，采光，视野，构造和立面处理等要求更为有利的形式。为了使于热空气的散逸，并减少对通风，采光的影响，常将板面做成百页的或部分做成百页的，或中间层做成百页的。遮阳板可用铝板，轻金属或混泥土制做。
　2.4.2遮阳板的安装位置
　　遮阳设施的灵活性大，使用合理，因此近年在国外的建筑中应用较广。
　　遮阳板安装的位置对防热和通风的影响很大。例如将板面紧靠墙面布置时，受热表面加热而上升的热空气将受室外风压作用导入室内。这种情况对综合式遮阳更为严重，为了克服这个缺点，板面应该离开玻璃墙面一定的距离安装，以使大部分热空气沿着墙面排走，且应使遮阳板尽可能减少挡风，最好还能兼起导风入室作用。
　　2.4.3材料与颜色
　　为了减轻自重，遮阳构件以采用轻质量为宜。遮阳构件经常暴露在室外，受日晒雨淋，容易损坏，因此要材料坚固耐久。如果遮阳室活动式的，又要求轻便灵活，以便调节或拆除。材料的外表面对太阳辐射热的吸收系数要小，设计时可根据上述的要求并结合实际情况来选择适宜的遮阳材料。
　　遮阳的构件的颜色对隔热效果也有影响。以安装在玻璃幕墙内侧的百叶帘为例，暗色、中间色和白色的遮阳系数分别为：86%、74%和62%.白色的比暗色的要减少24%.为了加强表面的反射，减少吸收，遮阳帘朝向阳光的一面，应为浅色发亮的颜色，而在背阳光的一面，应为较暗的无光泽颜色，以免引起眩光。
　　2.4.4外遮阳和内遮阳
　　一般来讲，室外南向仰角45°的水平遮阳板，可轻易遮去68％的太阳辐射热。装在窗口内侧的布帘，软百页等遮阳设施，其所吸收的太阳辐射热，大部分散发给室内空气。装在外侧的遮阳板，吸收的辐射热，大部分散发给室外的空气，从而减轻了对室内温度的影响。因此采用外遮阳（遮阳板）是最好的建筑节能之道。

　　3.遮阳系统智能化设计
　　遮阳系统智能化的诸多优点被忽略，或仅仅作为楼宇的点缀而已。我们认为智能遮阳系统是建筑智能化系统不可或缺的一部分。遮阳系统为改善室内环境而设，如今一种新型的智能玻璃幕墙技术先后在德国、英国等西欧国家得到发展。
　　智能玻璃幕墙广义上包括玻璃幕墙、通风系统、空调系统环境检测系统、楼宇自动控制系统。其技术核心是一种有别与传统幕墙的特殊幕墙-热通道幕墙，它的最大特点是由内外两层幕墙之间形成一个通风换气层，由于此换气层中空气的流通或循环的作用，使内层幕墙的温度接近室内温度，减小温差因而它比传统的幕墙采暖时节约能源42%-52%，制冷时节约能源38%-60%.在空气腔中增加日光控制装置（如百叶、光反射板、热反射板等），可以同时满足建筑自然通风、自然采光的要求。另外由于双层幕墙的使用，整个幕墙的隔音效果得到了很大的提高。

　　4.结束语
　　合理的遮阳系统对玻璃幕墙建筑的艺术与技术的作用和效果，尤其是在建筑节能与智能化方面，都需要我们不断地去开发和研究。对国内外建筑遮阳技术的调研；对适用性遮阳构造方案的研究；对遮阳构造性能系数的研究；对适用遮阳系统节能软件的开发；对遮阳构造艺术性的评价将是我们以后的工作重点。
　　建筑遮阳不应该仅是一组组物理数字计算，只要合理的整合技术和艺术，就可以成为具有表现力的建筑立面要素，成为可呼吸的建筑表皮，更好的发挥其作用，来实现建筑节能。