基于城市综合体项目建筑幕墙的遮阳节能设计

常永健

（上海新地嘉兆物联网有限公司，上海 201106）

建筑幕墙的广泛使用并不是偶然，其体现了现代建筑技术与建筑艺术的文明发展成果，不仅发挥了建筑围护结构体系的作用，还完善了外立面艺术效果。我国节能环保产业政策的实施，要求建筑设计必须引入绿色理念，故幕墙设计应从材料选择、结构与构造、通风遮阳等方面来提高建筑幕墙节能需求与要求，在设计中结合建筑体量不断创新与开发，发挥玻璃幕墙遮阳技术的积极作用。

1 项目概况

本项目位于商务核心区，项目地块拟建造甲级写字楼、会展、商业为一体的城市综合体项目，总建筑面积为163 738 m2，其中，地上总建筑面积为103 409 m2；地下总建筑面积为60 329 m2，建筑分类为一类高层建筑。本项目地标性建筑为办公楼用途，建筑在地面以上总高41.5 m，造型为圆柱体形，首层部分面积以下有一层地下室和地上8个楼层，南北向和东西向均分为三跨；立面基于严格的环境分析，采用遮阳百叶窗和高性能玻璃系统，以此尽可能减少建筑物能源消耗，达到建筑节能效果，从而实现总体规划准则和绿色建筑三星要求。

2 玻璃幕墙遮阳节能设计要素

2.1 幕墙节能设计措施

玻璃幕墙外墙节能设计主要受到外墙开窗率、外遮阳和玻璃遮蔽以及建筑方位的影响。外墙节能设计中建筑方案因素占有13.8%的比重，如采取大面积玻璃幕墙设计就应规避东照西晒对室内带来不利影响，应朝南北向对建筑进行长向放置；其次，外墙开窗率也是提高外墙节能的重要因素，幕墙设计中如追求通透效果，只能采取降低开窗面积，并对不透光的地方采取隔热设计，以此满足节能要求；此外，合理选择玻璃材质也可提高外墙节能效率，遮蔽率受到玻璃材质及外遮阳的影响，选用具有适当反射效率的反射玻璃和吸热玻璃可在一定程度上减少太阳直射，但相比之下，装设遮阳板、遮阳百叶等外遮阳措施的效果更好。

2.2 遮阳设计的必要性

玻璃幕墙由玻璃与金属结构组成，具有高热透射率和强换热性，夏季阳光透过玻璃射入室内造成室内温度过热，影响环境舒适度和空调设备运行效果。采用遮阳措施是玻璃幕墙节能设计的必要手段，是对于标准较高的建筑进行节能设计的关键之一，玻璃幕墙设置有效的遮阳系统可减少阳光直射，避免室内过热。遮阳系数是影响外围护结构保温隔热性能最主要的因素，遮阳系数越小，透过外围护结构的太阳辐射热量越小，防热效果最佳；其次，合理的遮阳设计减少空调房间冷负荷，是节约电能的主要措施之一；遮阳虽然会对直射阳光有所阻挡，但可防止眩光，促进室内照度分布均匀；遮阳设计时与玻璃幕墙外观系统结合设计可形成光影效果，符合现代建筑美学趋势。但是，由于遮阳设施阻挡房间通风，在设计中必须要综合考虑幕墙构造设计，在玻璃选择时也必须兼顾采光和节能两方面要求。

3 设计目标

本项目基于场地特定的环境条件和能源照射，构成一定数量、对应环境与可持续的建筑设计，在设计中应充分考虑结构蓄热、自然通风、蒸发冷却、被动式太阳能供暖等各种因素，通过幕墙遮阳设计可在一定程度上规避噪音、景观和隐私方面的制约；采用幕墙遮阳，减少眩光和热量吸收；采用建筑体量和幕墙设计来加强内部空间的日光潜能；通过幕墙设计优化热能和太阳能性能，同时不限制日光和景观潜能，从而使幕墙系统与建筑体量结合为一体，促进项目整体可持续发展。综合上述，幕墙遮阳设计应优先利用被动式手段，实现建筑节能，结合立面美观设计，实现比透明幕墙本身更好的遮阳隔热效果，从而创造健康人居环境，

4 建筑幕墙遮阳节能设计要点

4.1 遮阳系统设计

本次设计采用遮阳百叶窗和高性能玻璃系统，幕墙采用LOW-E中空玻璃，该玻璃幕墙隔热性能是幕墙所有玻璃深加工产品中较为理想的，可有效降低传热系数K值，若冲入惰性气体氩气可进一步降低传热系统；在玻璃中间层冲入惰性气体可有效提升隔音效果，且实现玻璃绝对干燥，防止结露现象；外遮阳采用高性能智能百叶窗，一方面可保护隐私起到抗辐射性能，另一方面结合建筑特点，起到装饰作用。本次外遮阳对三种方案进行了优化设计，根据建筑外遮阳系数简化计算，最终选定外遮阳系数最低，建筑节能率最高的方案，其水平挑出长度655 mm、水平遮阳距窗台高度为3 000 mm、垂直挑出长度为500 mm，垂直遮阳间距为1 500 mm（如图1）。

图1 遮阳尺寸示意图

4.2 采光影响分析

本次遮阳设计在满足阻挡直线阳光的前提下，选择对通风、采光、视野、构造和立面处理等要求更为有利的遮阳组合形式。绿色建筑标准要求主要功能空间面积的75%达到至少2%的采光系统，故在遮阳设计时应考虑外部空间有适宜的亮度进入到室内，以创造安全舒适的公共空间。本项目在对建筑体量设计时，已经满足办公空间采光通过幕墙和地面增加室内外日照，在遮阳设计之前，先对基于建筑体量的场地天光分量进行了分析，天光分量是指天空投射到平面的部分，用百分比丈量，每个室外空间可以利用自然采光。在进行幕墙垂直天光分量分析中发现，沿西北道路交底部分的幕墙可能有采光问题，主要原因具体取决于相邻建筑高度，但建筑高出部位具有良好的采光潜能，幕墙设计通过增加玻璃墙应用率以对应该日光条件；面向公共领域的幕墙也具有良好的采光潜能。其次，对建筑垂直天光分量进行测量，即测量建筑每个立面接收到的日光，如窗户中心的天空光分量小于15%，建筑内部空间日光照射会有不利影响（如图2）。

图2 墙壁自然采光

分析建筑内部采光潜能，通过对外立面和平面图内部安排的分析，将所拟建筑物外表面的采光潜能转换成内部空间可用日光，本项目通过建模软件对建筑楼板进行了分析，得知较低楼层采光有限，但外围办公区有75%的面积符合采光要求，内部辅助功能的采光将由人工照明的反射光加以补充，故本次窗墙比为70%。遮阳根据建筑设计需求进行设置，经过三种方案对比，从自然采光角度考虑，本次选定的遮阳方案为室内采光达标面积比例适中的方案，对室内自然采光影响相对较小。

4.3 通风影响分析

除了采光需求，建筑周围空气流动对室内自然通风策略和室外舒适有关键作用，故在建筑立面设计时，就应令空气流动在夏季和过渡季节最大化的同时提供避风处，以使人在冬季免遭风的侵袭。但由于遮阳设施对房间通风有一定阻碍，开启窗通风情况下，室内风速会减弱22%~47%，且对玻璃表面上升的热空气也有阻碍，不利散热。因此，遮阳构造设计时必须要加以注意，设计前应充分考虑幕墙通风。本项目通过室内自然通风模拟分析可知，后方展览大楼和办公楼，空气只在限定的区域和北风的地方流动，但建筑体量在地面层有不同的高度和开口，可促进空气流动，夏季主导风在温度和湿度条件允许的情况下，空间外立面有潜力提供自然通风，办公楼幕墙周围空气流通良好，并具有不错的自然通风潜力（如图3）。目前三种方案对室内通风都存在一定影响，但所选定的方案影响幅度最小。

4.4 视野影响分析

通过模拟软件对外遮阳方案室外可视度情况进行分析，先在建筑外设置足够体量大的假象物体，以此作为被视对象，按照房间1.2 m高度对室外物体可视面积进行分析，根据三种方案的室外可视面积衰减率计算，本次选定方案对室外物体的可视面积最大。

图3 夏季主导风风速与流向分析

5 结束语

综合上述，建筑玻璃幕墙通过采用遮阳设计可阻挡阳光直射，可减轻或避免对建筑内部环境、建筑使用效果产生过多影响。遮掩设计是建筑节能的重要环节，那么，如何采用行之有效的技术手段来减小流向室内的热流密度，降低对建筑整体采光、通风、视野等的影响就成为了遮阳设计中必须要考虑的问题。本项目基于绿色建筑设计评标，根据低碳城市模式总体目标采取多样化能源策略，优先考虑被动式设计并辅以主动技术，根据当地具体状况、现场气候特点进行有针对的设计，采用可行的遮阳装置，建筑材料选用环保型的材料，玻璃幕墙外墙采用低反射玻璃，避免了常见的反射玻璃幕墙带来的光污染；同时推行建筑物东西轴转，优化夏季遮阳和冬季光线穿透能力，降低建筑生命周期内的能耗，从而通过合理的遮阳系统设计促进项目整体节能目标的达成，并将技术与艺术相整合，以打造可呼吸的建筑立面，符合城市综合体地标建设总目标。