玻璃幕墙建筑竖向遮阳设计速查表及后世博案例分析

2015-12-02张丽娜葛曹燕

上海节能 2015年8期

张丽娜季亮葛曹燕

上海世博发展（集团）有限公司

玻璃幕墙将建筑美学、建筑功能、建筑节能和建筑结构等因素有机地统一起来，是现代建筑常用的一种立面形式，多用于公共建筑中。玻璃幕墙由玻璃和金属等结构组成，由于玻璃表面换热性强，热透射率高，夏季太阳辐射通过玻璃进入到室内，造成室内过热[1]，而引起空调能耗的增加。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，作为一种简单有效的节能技术，受到建筑行业的广泛关注。建设部新颁布的《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2014）中，遮阳措施的采取作为一项评分项出现[2]。所以，在倡导绿色建筑的今天，研究如何有效的设置遮阳措施对于新《绿色建筑评价标准》的实施推广具有十分重要的指导意义。本文针对上海地区的气候特点，以竖向遮阳板为研究对象，采用软件模拟的方法，分析了不同朝向遮阳板的外挑长度、间距、夹角的影响作用。

1 遮阳技术

建筑遮阳技术包括对建筑围护结构的遮阳和对窗户的遮阳[3]，本文主要探讨

对玻璃幕墙形式的建筑围护结构的遮阳技术。

遮阳按构造形式一般可以分为水平遮阳、垂直遮阳、综合式遮阳、挡板遮阳。

在玻璃幕墙建筑中，垂直遮阳形式较为普遍。本文所指竖向遮阳，包括与建筑立面成90°（垂直遮阳）及其它角度（夹角遮阳）的竖向遮阳形式。如上海市某项目，为了使建筑立面看起来富有韵律，变化中有统一，0°、30°、60°和90°4种类型的竖向遮阳板，按一定规律排布，如图1中项目A效果图所示。所以，本文将采用软件模拟方法深入研究竖向遮阳技术,以推进该技术的推广应用。

图1 竖向遮阳技术应用案例

2 模拟概况

针对上海地区的气候特点，采用光环境模拟软件Ecotect建模分析。

（1）软件介绍

Ecotect是美国Autodesk公司开发的综合建筑性能模拟软件，其提供了包括热、光、声、日照、造价以及可视度在内的一系列建筑性能模拟和分析功能[4]，适用于从概念设计到详细设计环节的可持续设计及分析。Ecotect自身具有强大的建模工具，且与其他常用的设计软件SketchUp、3DMAX、Radiance、AutoCAD有很好的兼容性，可以直接导入3DS、DXF格式的文件。除了常用于采光系数的计算，Ecotect还可模拟建筑立面太阳辐射得热量。

（2）模型建立

选取边长为23 m，高度为5 m的正八边形建筑为研究对象，各个立面均为玻璃幕墙形式，且不考虑周围建筑物的遮挡作用。分析模型、竖向遮阳板分别如图2和图3所示。

图2 分析模型（无遮阳）

图3 竖向遮阳板示意图

(3)模拟工况

为分析不同朝向遮阳板的外挑长度、间距、夹角对遮阳效果的影响作用，模拟工况设置如表1所示。

表1 模拟工况设置

本文模拟采用IWEC（International Weather for Energy Calculation）上海地区气象数据，该数据由ASHRAE和美国国家可再生能源实验室自主开发[5]。

3 结果及分析

上海属于夏热冬冷地区，夏季太阳辐射强，对室内热环境影响大，所以本文模拟夏季6月1日~ 9月30日期间0:00~24:00时的累计太阳辐射得热量，并对比无遮阳和各种遮阳工况下的模拟值，得到不同模拟工况下的遮阳效果。现以南向为例，分析遮阳板的外挑长度、间距、夹角对遮阳效果的影响作用，对其余朝向遮阳效果的影响分析可参照南向。

(1) 外挑长度、间距对遮阳效果的影响

图5为90°夹角遮阳板（即垂直遮阳）时，不同外挑长度、不同板间距下采用遮阳板比无遮阳时立面累计太阳辐射得热量的降低比例。由图5可以看出，在同一间距下，遮阳板外挑长度越大，遮阳效果越好；同一外挑长度下，遮阳板间距越大，遮阳效果越差。此结论显而易见，遮阳板外挑长度越大，其遮阴面积越大；间距越小，遮阳板密度越大，遮阳效果愈加显著。

(2) 夹角对遮阳效果的影响

图6为外挑长度200 mm的遮阳板在不同夹角、不同间距下采用遮阳板比无遮阳时立面累计太阳辐射得热量的降低比例。由图6可以看出，在同一间距下，遮阳板垂直于外立面时，遮阳效果最好；60°、120°次之，且遮阳效果相近；30°、150°最差，遮阳效果也极为相近。另外，夹角60°、120°比90°遮阳板时遮阳效果降低甚微，低于1%；而夹角30°、150°比60°、120°遮阳板时遮阳效果降低较为显著，在3%~5%之间。由此可见，在其他参数不变的条件下，以垂直遮阳板为中心，随着遮阳板与两侧外立面夹角的减小，遮阳效果逐渐变差。

图5 南向（90°）遮阳效果

图6 南向（外挑长度200mm）遮阳效果

4 竖向遮阳设计速查表

图7 竖向遮阳设计速查表

通过上述模拟分析，得到大量数据。将此结果整理成速查表，可供建筑设计人员在初期设计时，根据工程预期达到的遮阳效果，快速查图表以确定遮阳板的外挑长度和间距。篇幅所限，仅列四个朝向垂直遮阳时的遮阳设计速查表，如图7所示。

5 后世博案例分析

后世博项目外立面多为玻璃幕墙形式，考虑到该片区项目定位于绿色建筑，对节能降耗及室内环境的舒适性都有较高要求，多数建筑采用了外遮阳措施。以其中项目甲(见图8)为例，分析竖向遮阳设计速查表在该项目中的应用。

图8 项目甲遮阳效果图

如图8所示，在初期设计时，1号楼北西东3个立面和2号楼南西东3个立面考虑沿幕墙外侧设置外挑长度450 mm、间距2 030 mm的竖向石材装饰构件作为外遮阳措施。现以此竖向遮阳的设置条件，采用竖向遮阳设计速查表预估2号楼设置竖向遮阳后的效果。在图7的南、东、西三向的图表中，以外挑长度400的曲线为准，得到横坐标取2 100时的纵坐标值，即为该朝向的遮阳效果。查图可得结果如表2所示。

表2 项目甲2号楼各朝向预估遮阳效果（外挑长度400 mm、间距2 100 mm）

本项目遮阳外挑长度450 mm、间距2 030 mm，根据3(1)小节的分析，遮阳效果优于表2结果。故通过速查表预估，2号楼南西东3个立面设置外挑长度450 mm、间距2 030 mm的竖向遮阳后，遮阳效果均大于15%，效果显著，可满足上海市《绿色建筑评价标准》（DG/TJ08-2090-2012）优选项条文“5.2.18 建筑围护结构透明部分应合理采用外遮阳设施”的要求。

兼顾项目的遮阳效果和建筑造型的美观性、丰富性，该项目施工图纸确定的最终遮阳方案为：在采用上述遮阳构件的基础上，竖向遮阳之间设置直径220 mm竖向金属管遮阳，并在转角处设置竖向间隔600 mm、宽150 mm的横向遮阳构件，因此，项目整体的遮阳效果大为增加，图9为2号楼南向最终有无遮阳的夏季累计太阳辐射得热量模拟结果。

设置遮阳措施后，2号楼南向减少37%的太阳辐射得热量，东向、西向分别减少22%、23%，项目遮阳效果显著，室内环境的舒适性提高。