某建筑玻璃幕墻及遮陽組合優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

田 翔

隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，玻璃幕墻成為當(dāng)代建筑中不可或缺的元素，其優(yōu)雅的外觀和高度透明性賦予建筑更具現(xiàn)代感與藝術(shù)性[1]。然而，隨之而來的能耗問題成為需要解決的難題。在建筑中，能源消耗主要與室內(nèi)照明、空調(diào)系統(tǒng)和外立面的玻璃幕墻的類型以及遮陽選擇的類型有關(guān)。因此，優(yōu)化傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案成為實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)、提高建筑能效的重要途徑[2]。

玻璃幕墻及遮陽組合優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在滿足建筑功能和美學(xué)需求的同時(shí)，最大限度地減少能源消耗，降低對環(huán)境的負(fù)擔(dān)。優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及諸多因素，包括材料的選擇、幕墻結(jié)構(gòu)、遮陽材料、遮陽形式、遮陽位置等。不同的設(shè)計(jì)方案會(huì)對建筑的能耗和舒適性產(chǎn)生顯著影響，因此需要在保證建筑性能的前提下，尋求最佳的組合方案[3]。眾多學(xué)者也對玻璃幕墻展開了研究，如周荃[4]通過測試1012 個(gè)常用建筑玻璃樣本的性能，給出了各類玻璃可見光透射比和遮陽系數(shù)的范圍并分析了相關(guān)性。陳常冬[5]運(yùn)用熱工模擬計(jì)算軟件Therm 及Window 對當(dāng)前主流的透明幕墻形式及各種類型的幕墻節(jié)能優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行研究分析，并從節(jié)能設(shè)計(jì)角度提出一些值得推廣的節(jié)能技術(shù)。

本文以納米比亞內(nèi)政與移民部總部大樓項(xiàng)目作為依托，通過Design Builder 軟件探討對建筑的東、南、西、北四個(gè)方向的組合優(yōu)化方案的制冷能耗展開分析，并從各方案材料成本節(jié)約電費(fèi)對比和各方案綜合成本對比的角度對各優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)性與市場前景展開分析。

1 工程概況

本文以納米比亞內(nèi)政與移民部總部大樓項(xiàng)目為研究背景，該項(xiàng)目位于納米比亞首都溫得和克市，為大型政府綜合辦公樓，建筑面積6.1 萬m2，共15 層，其中地下2 層，地上13 層，建筑高度54.06 m，裙樓外立面采用玻璃幕墻（主樓是外掛石材的）。該地太陽輻射量為4500 MJ/m2，全年日照時(shí)間約為2400 h，終年溫和，晝夜溫差較大，夏季白天平均氣溫20～34 ℃，冬季白天平均氣溫18 ～25 ℃，冬季夜間氣溫經(jīng)常低于0 ℃，并常有地霧，年平均降雨量350 mm。

2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

本文選擇Design Builder 軟件進(jìn)行建模分析，在本模擬軟件中，玻璃幕墻的傳熱系數(shù)K 值、隔熱SHGC 和可見光透過率等參數(shù)分別設(shè)定為2.99、0.26 和0.4 W/（m2·K）。軟件的區(qū)域?qū)傩灾械姆块g參數(shù)設(shè)定為：照明功率為11 W/m2，人體散熱70 W；舒適溫度為18℃～26 ℃；新風(fēng)量40 m3/h；電器設(shè)備功率為20 W/m2；參考民用建筑設(shè)計(jì)規(guī)范選擇墻體、屋頂以及樓板等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的K值分別為1.06、0.7和3.15 W/（m2·K）。本文考慮的遮陽類型和玻璃組合方式共26 組，具體形式見表1。將垂直、水平、綜合、中間、自動(dòng)遮陽記為a、b、c、d、e；低輻射玻璃與高透、中透、低透的組合記為A、B、C；熱反射玻璃與高透、中透、低透的組合記為D、E、F，如表1 所示。

表1 組合方式

3 玻璃幕墻及遮陽組合優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

3.1 北向制冷能耗組合優(yōu)化分析

圖1 所示顯示了北向組合方案照明耗及節(jié)能率。由圖可知2 號(hào)組合方案的制冷能耗最低，相比于優(yōu)化前的建筑制冷能耗從1001260 kWh 降至976998.6 kWh，且節(jié)能率達(dá)到-2.42%，因此2 號(hào)組合方案是最佳組合方案。14 號(hào)組合方案的冷能耗最高，且節(jié)能率達(dá)到1.81%，因此該方案是最不利方案。方案1、3、4、5 在方案2 的基礎(chǔ)上改變遮陽方式改建筑的制冷能耗分別降低為996536.2、996203.1、1010041.0 kWh，其節(jié)能率分別為節(jié)省0.47%、節(jié)省0.51%、增加0.88%。在方案2 的基礎(chǔ)上將玻璃類型改為中透低輻射、中透熱反射，其制冷能耗分別 降 低 為989239.7、992031.1 kWh，其節(jié)能率分別為節(jié)省1.2%和0.92%。由此可見，對于玻璃幕墻的選取，高透低輻射和高透熱反射為最優(yōu)選，遮陽的最優(yōu)選為水平遮陽，綜合遮陽次之，中間遮陽最差。

圖1 北向優(yōu)化方案（來源：作者自繪）

3.2 南向制冷能耗組合優(yōu)化分析

圖2 顯示了南向組合方案照明耗及節(jié)能率。由圖可知，相比于優(yōu)化前，2 號(hào)優(yōu)化方案的制冷能耗從947328.4 kWh 降 至935241.4kWh，節(jié)能率為1.28%；在2 號(hào)優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上將遮陽方式改為垂直遮陽和綜合遮陽，其制冷能耗分別降至941156.7和939160.9 kWh，節(jié)能量分別為0.65%和0.86%；將玻璃改為中透低輻射和中透熱反射玻璃，其能耗分別增至941870.2 和942605.9 kWh，節(jié)能率分別為0.58%和0.5%，因此從能耗和節(jié)能率的角度，南向最優(yōu)方案為方案2，最差方案為方案14，這與北向的結(jié)論一致。

圖2 南向優(yōu)化方案（來源：作者自繪）

3.3 東西向制冷能耗組合優(yōu)化分析

圖3 顯示了西向組合方案照明耗及節(jié)能率。由圖3 可知，在26 組優(yōu)化方案中，16 組方案均達(dá)到了降低能耗的目的，其中方案2 的效果達(dá)到最佳。在水平遮陽的基礎(chǔ)上采用5 種玻璃進(jìn)行組合，其節(jié)能率處于1.54%～2.22%；在自動(dòng)百葉遮陽的基礎(chǔ)上采用5 種玻璃進(jìn)行組合，其節(jié)能率處于0.46%～2.04%；而采用中間百葉遮陽與5 種玻璃組合，其能耗均高于優(yōu)化前的方案，節(jié)能率增加0.62%～1.69%。在夏季西向面對太陽的輻射時(shí)間最長，而東南北向面對太陽的輻射時(shí)間相對較短。因此，房屋的西向面會(huì)受到更多的太陽輻射，導(dǎo)致室內(nèi)熱量積聚較多，需要更多的制冷能耗來維持室內(nèi)舒適溫度。東向的規(guī)律與西向一致，方案2 的效果達(dá)到最佳。

圖3 東西向優(yōu)化方案（來源：作者自繪）

3.4 節(jié)能優(yōu)化措施及其經(jīng)濟(jì)性與市場前景分析

圖4 將各方案材料成本及節(jié)約電費(fèi)進(jìn)行了對比。由圖4 可知，相較于優(yōu)化之前，方案1 的材料成本增加343.9 萬元；方案2 ～方案6 的材料的成本分別節(jié)約617.7、485.5、387.4、438.2 和486.5 萬元，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 的生命周期內(nèi)，方案1 ～方案6 分別節(jié)約電費(fèi)135.8、1429.8、1316.1、138.3、144.1 和115.8萬元。

圖4 各方案材料成本及節(jié)約電費(fèi)對比（來源：作者自繪）

因此，從成本和節(jié)約電費(fèi)的角度來看，2 號(hào)優(yōu)化方案的性價(jià)比最優(yōu)，市場應(yīng)用前景廣闊。圖5 對比了方案1 ～方案6 的綜合成本。相比優(yōu)化前，方案1 的資金成本增加了2.63%，方案2 ～方案6 的成本降低了20.76%～25.86%，成本變量方面，除了方案1 均降低了，其中方案2 降低的最多，約為204.8 萬元。高透低輻射玻璃雖然在材料成本上可能會(huì)略高一些，但是其節(jié)能效果可以滿足建筑節(jié)能要求，降低了空調(diào)系統(tǒng)的能耗和維護(hù)成本。

圖5 各方案綜合成本對比（來源：作者自繪）

4 結(jié)論

本文以納米比亞內(nèi)政與移民部總部大樓項(xiàng)目為依托，采用Design Builder 軟件建立數(shù)值模型，對26 組合優(yōu)化方案從制冷能耗和經(jīng)濟(jì)性能展開分析。由此得出如下結(jié)論：

第1，對于玻璃幕墻的選取，高透低輻射和高透熱反射為最優(yōu)選，遮陽的最優(yōu)選的種類為水平遮陽，綜合遮陽次之，中間遮陽最差。第2，從能耗和節(jié)能率的角度，南向最優(yōu)方案為方案2，最差方案為方案14，這與北向的結(jié)論一致。第3，在26 組優(yōu)化方案中，16 組方案均達(dá)到了降低能耗的目的，其中方案2 的效果達(dá)到最佳。第4，從成本和節(jié)約電費(fèi)的角度來看，2號(hào)優(yōu)化方案的節(jié)能性和積極性最高，其性價(jià)比也最優(yōu)，市場應(yīng)用前景廣闊,可推廣性強(qiáng)、符合當(dāng)下綠色，環(huán)保及節(jié)能減排的趨勢和要求。