某建筑玻璃幕墙及遮阳组合优化设计分析

田 翔

随着现代建筑技术的不断发展和城市化进程的推进，玻璃幕墙成为当代建筑中不可或缺的元素，其优雅的外观和高度透明性赋予建筑更具现代感与艺术性[1]。然而，随之而来的能耗问题成为需要解决的难题。在建筑中，能源消耗主要与室内照明、空调系统和外立面的玻璃幕墙的类型以及遮阳选择的类型有关。因此，优化传统的设计方案成为实现节能目标、提高建筑能效的重要途径[2]。

玻璃幕墙及遮阳组合优化设计的目标是在满足建筑功能和美学需求的同时，最大限度地减少能源消耗，降低对环境的负担。优化设计涉及诸多因素，包括材料的选择、幕墙结构、遮阳材料、遮阳形式、遮阳位置等。不同的设计方案会对建筑的能耗和舒适性产生显著影响，因此需要在保证建筑性能的前提下，寻求最佳的组合方案[3]。众多学者也对玻璃幕墙展开了研究，如周荃[4]通过测试1012 个常用建筑玻璃样本的性能，给出了各类玻璃可见光透射比和遮阳系数的范围并分析了相关性。陈常冬[5]运用热工模拟计算软件Therm 及Window 对当前主流的透明幕墙形式及各种类型的幕墙节能优缺点进行研究分析，并从节能设计角度提出一些值得推广的节能技术。

本文以纳米比亚内政与移民部总部大楼项目作为依托，通过Design Builder 软件探讨对建筑的东、南、西、北四个方向的组合优化方案的制冷能耗展开分析，并从各方案材料成本节约电费对比和各方案综合成本对比的角度对各优化方案的经济性与市场前景展开分析。

1 工程概况

本文以纳米比亚内政与移民部总部大楼项目为研究背景，该项目位于纳米比亚首都温得和克市，为大型政府综合办公楼，建筑面积6.1 万m2，共15 层，其中地下2 层，地上13 层，建筑高度54.06 m，裙楼外立面采用玻璃幕墙（主楼是外挂石材的）。该地太阳辐射量为4500 MJ/m2，全年日照时间约为2400 h，终年温和，昼夜温差较大，夏季白天平均气温20～34 ℃，冬季白天平均气温18 ～25 ℃，冬季夜间气温经常低于0 ℃，并常有地雾，年平均降雨量350 mm。

2 实验参数设定

本文选择Design Builder 软件进行建模分析，在本模拟软件中，玻璃幕墙的传热系数K 值、隔热SHGC 和可见光透过率等参数分别设定为2.99、0.26 和0.4 W/（m2·K）。软件的区域属性中的房间参数设定为：照明功率为11 W/m2，人体散热70 W；舒适温度为18℃～26 ℃；新风量40 m3/h；电器设备功率为20 W/m2；参考民用建筑设计规范选择墙体、屋顶以及楼板等围护结构的K值分别为1.06、0.7和3.15 W/（m2·K）。本文考虑的遮阳类型和玻璃组合方式共26 组，具体形式见表1。将垂直、水平、综合、中间、自动遮阳记为a、b、c、d、e；低辐射玻璃与高透、中透、低透的组合记为A、B、C；热反射玻璃与高透、中透、低透的组合记为D、E、F，如表1 所示。

表1 组合方式

3 玻璃幕墙及遮阳组合优化设计分析

3.1 北向制冷能耗组合优化分析

图1 所示显示了北向组合方案照明耗及节能率。由图可知2 号组合方案的制冷能耗最低，相比于优化前的建筑制冷能耗从1001260 kWh 降至976998.6 kWh，且节能率达到-2.42%，因此2 号组合方案是最佳组合方案。14 号组合方案的冷能耗最高，且节能率达到1.81%，因此该方案是最不利方案。方案1、3、4、5 在方案2 的基础上改变遮阳方式改建筑的制冷能耗分别降低为996536.2、996203.1、1010041.0 kWh，其节能率分别为节省0.47%、节省0.51%、增加0.88%。在方案2 的基础上将玻璃类型改为中透低辐射、中透热反射，其制冷能耗分别 降 低 为989239.7、992031.1 kWh，其节能率分别为节省1.2%和0.92%。由此可见，对于玻璃幕墙的选取，高透低辐射和高透热反射为最优选，遮阳的最优选为水平遮阳，综合遮阳次之，中间遮阳最差。

图1 北向优化方案（来源：作者自绘）

3.2 南向制冷能耗组合优化分析

图2 显示了南向组合方案照明耗及节能率。由图可知，相比于优化前，2 号优化方案的制冷能耗从947328.4 kWh 降 至935241.4kWh，节能率为1.28%；在2 号优化方案的基础上将遮阳方式改为垂直遮阳和综合遮阳，其制冷能耗分别降至941156.7和939160.9 kWh，节能量分别为0.65%和0.86%；将玻璃改为中透低辐射和中透热反射玻璃，其能耗分别增至941870.2 和942605.9 kWh，节能率分别为0.58%和0.5%，因此从能耗和节能率的角度，南向最优方案为方案2，最差方案为方案14，这与北向的结论一致。

图2 南向优化方案（来源：作者自绘）

3.3 东西向制冷能耗组合优化分析

图3 显示了西向组合方案照明耗及节能率。由图3 可知，在26 组优化方案中，16 组方案均达到了降低能耗的目的，其中方案2 的效果达到最佳。在水平遮阳的基础上采用5 种玻璃进行组合，其节能率处于1.54%～2.22%；在自动百叶遮阳的基础上采用5 种玻璃进行组合，其节能率处于0.46%～2.04%；而采用中间百叶遮阳与5 种玻璃组合，其能耗均高于优化前的方案，节能率增加0.62%～1.69%。在夏季西向面对太阳的辐射时间最长，而东南北向面对太阳的辐射时间相对较短。因此，房屋的西向面会受到更多的太阳辐射，导致室内热量积聚较多，需要更多的制冷能耗来维持室内舒适温度。东向的规律与西向一致，方案2 的效果达到最佳。

图3 东西向优化方案（来源：作者自绘）

3.4 节能优化措施及其经济性与市场前景分析

图4 将各方案材料成本及节约电费进行了对比。由图4 可知，相较于优化之前，方案1 的材料成本增加343.9 万元；方案2 ～方案6 的材料的成本分别节约617.7、485.5、387.4、438.2 和486.5 万元，因此方案2 ～方案6 在降低成本方面均可起到不同程度的效果。在25 a 的生命周期内，方案1 ～方案6 分别节约电费135.8、1429.8、1316.1、138.3、144.1 和115.8万元。

图4 各方案材料成本及节约电费对比（来源：作者自绘）

因此，从成本和节约电费的角度来看，2 号优化方案的性价比最优，市场应用前景广阔。图5 对比了方案1 ～方案6 的综合成本。相比优化前，方案1 的资金成本增加了2.63%，方案2 ～方案6 的成本降低了20.76%～25.86%，成本变量方面，除了方案1 均降低了，其中方案2 降低的最多，约为204.8 万元。高透低辐射玻璃虽然在材料成本上可能会略高一些，但是其节能效果可以满足建筑节能要求，降低了空调系统的能耗和维护成本。

图5 各方案综合成本对比（来源：作者自绘）

4 结论

本文以纳米比亚内政与移民部总部大楼项目为依托，采用Design Builder 软件建立数值模型，对26 组合优化方案从制冷能耗和经济性能展开分析。由此得出如下结论：

第1，对于玻璃幕墙的选取，高透低辐射和高透热反射为最优选，遮阳的最优选的种类为水平遮阳，综合遮阳次之，中间遮阳最差。第2，从能耗和节能率的角度，南向最优方案为方案2，最差方案为方案14，这与北向的结论一致。第3，在26 组优化方案中，16 组方案均达到了降低能耗的目的，其中方案2 的效果达到最佳。第4，从成本和节约电费的角度来看，2号优化方案的节能性和积极性最高，其性价比也最优，市场应用前景广阔,可推广性强、符合当下绿色，环保及节能减排的趋势和要求。