图2 法赫德国王图书馆
对绿色建筑来说,良好的遮阳是建筑重要的设计构件,目的是为建筑物抵御强烈的直射阳光,从而尽可能减少用于制冷的能源消耗和预期的制冷荷载。
遮阳措施需要根据外墙玻璃的布置方式和种类而定,并可以通过固定或活动的构件而加以控制。除了考虑具体地理位置太阳的角度,对于设置在建筑外部的活动遮阳装置而言,我们在方案设计阶段还需要考虑风稳定性。外墙玻璃和遮阳措施对房间自然采光量的影响,与房间制冷所需能源和人工照明之间存在直接的比例关系。
遮阳措施的需求很大程度上与其使用位置和使用类型无关。当然,对不同气候带和设计意图来说,也有不同的方法进行遮阳。不过,无论采用什么方法,都需要满足同样的有效遮阳要求。图1反映了幕墙的有效总能源渗透率级别的遮阳目标值。有效总能源渗透率级别由外墙窗户区域的比例(室内比例)和玻璃与遮阳设施相加时的总能源渗透率级别构成。
图1 在考虑功能用房外墙窗户面积比例f的情形下,总能源渗透率参数gtot(总能源渗透率由建筑物的玻璃和遮阳装置的特征决定,再乘以窗户面积比例则可计算出功能用房的能耗参数。该参数在很大程度上决定了制冷的能耗及夏季室内的舒适度)
较小的窗户区域应采用遮阳效果较低的措施,例如透明遮光帘。较大的窗户区域则需在建筑外部设置更有效的遮阳装置。建筑内部的遮阳装置受热后,对制冷的能源消耗以及幕墙附近的局部作用温度会造成负面影响。
在选择适当的遮阳系统时,特别是采取建筑内部遮阳措施时,结合相应的玻璃类型来计算总能源渗透率尤为重要。目前,许多生产厂家提供的数值是针对建筑外部遮阳系统的。
气候炎热地区通常位于太阳迅速升高到天空的纬度区。在这些地区,推荐采用固定的遮阳装置,因为在大多数情况下全年都需要遮阳。图2所示是沙特阿拉伯法赫德国王国家图书馆的帆状遮阳装置。通过三维模拟计算,帆状的几何形状最能够获得太阳能增益最佳遮阳效果,同时能保证视野(图3)。除了直接阳光辐射,通过幕墙或帆状结构反射的散射太阳光也需予以考虑。
图3 计算入射太阳光的模拟模型(取决于帆状结构的几何形状和太阳的位置);注:德国建筑的首层叫首层,1层指的是中国的二层,2层指的是中国的三层,以此类推。
在强风地区,通常有三种方式可实现充足的夏季隔热效果:第一种是建筑外部的固定遮阳装置,通常采用屋面凸出的形式。不过这种方式只能为南方太阳高照的国家提供充分的遮阳,且只有在阳光直射的情况下才可发挥作用。在中欧地区,还需在南向设置额外的遮阳措施。第二种是安装悬挑玻璃结构,作为防风遮阳挡板,以双层幕墙为典型代表。第三种是采用活动的防风装置。这些装置可采用多种材料,如木制、铝质甚至彩釉玻璃。
如需要在遮阳玻璃后的室内安装遮阳板,在中欧地区,通常会导致过高的有效总能源渗透率级别,除非外墙玻璃区域比例非常低,仅有30%-40%。不过,这又会大幅降低日光照射率,除了产生不好的心理影响外,还会增加人工照明所需要的能源消耗。只有在北欧的一些地区,温暖而日照充分的日子比较少,从节约能源的角度,可以采用较大的玻璃幕墙,同时在建筑内部安装遮阳系统。
在翻新和改造列入文物保护的建筑物外墙时,通常在处理夏季隔热的问题上会遇到建筑设计和能源消耗之前的冲突。出于美观考虑,加装外部遮阳装置通常不可行。然而,改建后的室内环境又必须保持舒适的温度。与新建写字楼不同,老旧的办公楼通常蓄热蓄冷能力很低(倒如吊顶的厚度不到15cm)。因此,制冷能源消耗飙升。图4反映了汉堡Kaiserhof写字楼的情况:属于文物保护的建筑外墙当时几乎要整个重建,但最后还是只在底部进行了唯一一处加建。
图4 汉堡Kaiserhof写字楼
活板窗之后一定距离的位置,安装了推拉玻璃窗,用户可在任何时候推拉窗户。冬季,活板窗上部打开,形成自然通风;夏季,两边活板窗都打开。室内可推拉的玻璃窗则仍然由用户根据户外气候(风、太阳、温度)自主开关。夏季可打开活板窗,一直保持遮阳装置的自然通风,这意味着室内制冷荷载始终保持较低水平。晚上,活板窗也可以提供很好的夜间通风(图5)。
图5 kaiserhof写字楼的外墙和通风概念设计
当然,遮阳装置也是幕墙和建筑的设计元素。在大部分中欧地区只需要在夏季进行遮阳;但在欧洲南部国家,则全年都需要。因此,遮阳保护装置也是建筑外部造型的一个重要因素。
绿色建筑的判定标准不仅是设计,还必须证明其节能;但在另一方面,建筑也需要销售和租赁出去,因此设计的美观性毋庸置疑是需要考虑的因素。
图6反映了另一种遮阳保护设计方案。建筑外部的活动百叶窗采用独立铝条板构成;在夏季太阳高挂时,百叶窗升高,在建筑南侧提供良好的遮阳效果;当太阳位置较低时,活动百叶窗自动降下。铝条板的间距和倾斜角度通过模拟技术,根据能源和采光量以及建筑朝向预先设定。
图6 慕尼黑Campeon写字楼的折叠式百叶
能够折射自然光的遮阳装置。室外百叶是效率最高的遮阳装置之一,能够满足节能、采光量、可见和灵活性的所有要求。如果采用标准的室外百叶,只需稍作改动,就能达到高度防风、通透、自然采光和遮阳的效果。凹形打孔竖式百叶制成的百叶窗便是一个很好的例子,能实现极好的自然采光和朝外的视野。
另一种形式的室外百叶是将室外百中的百叶上部折叠,与下部形成不同的角度。这种形式既经济又能保证良好的自然采光。还有一种更好的自然采光形式,即结合幕墙上部区域的采光系统和幕墙其他部位的室外百叶进行采光。不过,如果采用这种形式,则需要确定采光控制装置能在夏季实现良好的防眩光效果。