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建筑物玻璃幕墙的遮阳节能技术

时间:2015-07-29来源:dede58.com浏览次数:

        20世纪,世界建筑科学技术突飞猛进,房屋建筑快速发展,各发达国家建筑围护结构的保温隔热和气密性能大有提高,采暖、空调和照明的设备与技术日益进步,人们越来越能够在更为优裕和舒适的室内环境中生活与工作,人类建筑文明取得了前所未有的成就。在此同时,人们也不得不面对着资源枯竭、环境恶化、生态破坏、气候变暖等一系列严峻问题。据统计,在我国这个发展中国家,建筑能耗占社会总能耗的25%,随着经济的发展和人民生活质量提高,这个比例还会不断增长。强调节能、低污染、低耗能的绿色建筑顺应时代的要求而生,我国也颂布了一系列法规和政策来对建筑节能和合理使用资源做出明确的规定。
  随着我国玻璃幕墙热的发展,去年全国已经超过150万平方米, 近几年玻璃幕墙总面积超过300万平方米。金属玻璃幕墙具有轻量化、不燃化、耐震、施工迅速等优点,在现代都市高楼化,防火、防震、施工安全的要求前提下,已成为不可阻挡的趋势,今后将成为高楼建筑的设计主流。金属玻璃幕墙可以减少传统混凝土外墙大量的钢筋、混凝土使用量,对于减少高耗能建材使用所达到的节约能源、资源有很大的帮助。而且金属玻璃幕墙较易于回收利用,也可达到环保的目的。
  玻璃幕墙是现代高档建筑较多采用的外围护结构,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5~6倍,幕墙的能耗约占整个建筑能耗的40%左右,故幕墙的节能有极其重要的地位。
一、玻璃幕墙遮阳的必要性 :
  建筑外围护结构的节能设计,由开窗、方位、遮阳到隔热材料等因素环环相扣, 这些因素左右建筑物的耗能量。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,其结果分析以下:
 
  从以上可以得出结论 :
  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顾及确保适当的自然采光,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(唯反射率太大的反射玻璃会造成眩光污染的公害)。
  3) 建筑方位因素是外墙节能设计的第三要素(占了12%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配置。
  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也不断提高,对玻璃幕墙的节能要求也不断的提高,现阶段提高玻璃幕墙隔热保温性能的主要措施有:
  1)采用镀膜玻璃、LOW-E玻璃、热反射玻璃、中空玻璃等玻璃处理技术以减少太阳透过玻璃的直接辐射。
  2)采用铝塑复合材料、断热桥型材等高热阻材料应用技术。
  以上隔热保温措施原理比较简单,使玻璃幕墙结构的传热系数大大降低。这些节能措施在建筑现阶段已应用较广。虽然玻璃幕墙建筑采用遮阳措施能达到更好的隔热节能作用,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建筑的全年空调耗电量,可能是一般混凝土外墙大楼的四倍。而玻璃幕墙的使用寿命达五十年之长,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。所以发展玻璃幕墙的遮阳技术也是建筑物是节约能源最有潜力的工具。
  另外,在建筑设计中要求,当建筑具备下列条件时(建筑标准较高的房间,仅有1~2两项)就要采用遮阳措施:
  1) 室内气温大于290C ;
  2) 太阳辐射强度大于240千卡/米时 ;
  3) 阳光照射室内深度大于0.5米 ;
  4) 阳光照射室内时间超过一小时 ;
  采用遮阳措施不仅是玻璃幕墙建筑节能设计的必要手段,而且是标准较高玻璃幕墙建筑的建筑设计的必要手段。
二、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 :
  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。在广州地区进行实测得到的各主要朝向窗口的遮阳系数分别为:西向17%,南向45%,北向60%。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) 遮阳对室内温度作用。遮阳防止室内温度上升有明显作用,在广州某西向房间试验观测表明:在闭窗的情况下,有、无遮阳 ,室温最大差值达20 C,平均差值1.4 0 C。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。
  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。
  4) 遮阳对建筑外观的作用。一般人都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。
  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。而对玻璃表面上升的热空气有阻挡作用,不利散热,因此在遮阳的构造设计时应加以注意。
三、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,以位置上来分有“外部遮阳”与“内部遮阳”之区别,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。(见图5)这种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。
 
  就我国所处地理纬度来说,各种遮阳板基本形式适应是朝向范围如下:
   1.水平式遮阳(见图1) 在玻璃前采用伸出重叠的平板这种形式的遮阳,能有效地遮挡太阳高度角较大的,从玻璃幕墙上方投射下来的阳光。故它适用于南向的玻璃幕墙建筑物。
 
  2.垂直式遮阳(见图2) 设于玻璃前之凸出板的垂直式遮阳,能有效地遮挡角度较小的,从玻璃窗侧斜射进来的阳光。但对于角度较大的,从玻璃窗上面射下来的阳光,或接近日出、日没时平射的阳光,它不起遮挡作用。故垂直式的遮阳主要适用于东北,北和西北向附近的玻璃幕墙建筑。
 
  3.综合式遮阳(见图3) 综合式遮阳能有效地遮挡高角度中等的,从玻璃窗前射下来的阳光。遮阳效果比较均匀,故它适用于东南或西南向的玻璃幕墙建筑。

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