基于玻璃幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)的探討

李春宇

（浙江杭州華鈉裝飾有限公司，浙江 杭州 310000）

玻璃幕墻作為當(dāng)前一種新型建筑材料被廣泛用于建筑外墻裝飾中。玻璃幕墻以采光面積大、自重輕、造型多變、美觀、光影效果好等諸多的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也成為建筑物構(gòu)件中將建筑技術(shù)與建筑藝術(shù)結(jié)合的最完美的典范。然而玻璃幕墻傳熱系數(shù)大等缺點(diǎn)帶來(lái)了高能耗的影響，這就說(shuō)明在享受其諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)就一定要犧牲建筑節(jié)能。在玻璃幕墻建筑美觀與節(jié)能的兩者中，通過(guò)玻璃幕墻的節(jié)能設(shè)計(jì)等技術(shù)完全可以找到二者的平衡點(diǎn)。

1 玻璃幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)原則

隨著GB 50189－2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、JGJfF 151－2008《建筑門(mén)窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》、GB/T 21086－2007《建筑幕墻》標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行，保溫隔熱性能及其計(jì)算是幕墻節(jié)能的重要指標(biāo)之一。由于我國(guó)南北氣候差異較大，在不同的氣候條件下對(duì)幕墻的節(jié)能要求不同。因此，玻璃幕墻的節(jié)能設(shè)計(jì)除保證本身性能指標(biāo)外，還應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件遵循以下設(shè)計(jì)原則：①?lài)?yán)格遵循國(guó)家現(xiàn)行的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計(jì)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；②充分考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件，綜合各方面因素進(jìn)行合理選材、選型；③冬季寒冷地區(qū)應(yīng)進(jìn)行保溫設(shè)計(jì)，夏季炎熱地區(qū)應(yīng)進(jìn)行隔熱、通風(fēng)設(shè)計(jì)；④熱工設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)其復(fù)雜的傳熱過(guò)程和傳熱方式進(jìn)行分析和研究。

2 玻璃幕墻材料的選擇

2.1 玻璃材料

玻璃幕墻中玻璃的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬框架的面積，而玻璃材料表面換熱性強(qiáng)，長(zhǎng)波熱透射率高，故夏季太陽(yáng)輻射熱會(huì)透過(guò)玻璃進(jìn)入室內(nèi)，使室內(nèi)溫度升高，從而增加空調(diào)能耗。因此減少玻璃的能耗對(duì)幕墻節(jié)能至關(guān)重要。光學(xué)和熱學(xué)性能是節(jié)能玻璃的主要指標(biāo)，近年來(lái)，吸熱玻璃、熱反射鍍膜玻璃、低輻射（Low－E）鍍膜玻璃、中空玻璃、真空玻璃等節(jié)能玻璃已經(jīng)應(yīng)用于建筑上。早期為了解決保溫隔熱問(wèn)題，人們開(kāi)發(fā)了吸熱玻璃和熱反射玻璃等，但是它們存在著通透性不好及光污染等問(wèn)題。隨著科技的不斷發(fā)展，Low－E玻璃和雙Low－E玻璃誕生了，這些玻璃具有輻射率低、良好的通透性和節(jié)能效果好等特點(diǎn)，用這些玻璃組成的中空玻璃或復(fù)合真空玻璃節(jié)能效果最佳。

嚴(yán)寒地區(qū)建筑能耗主要是采暖，因此對(duì)玻璃的傳熱系數(shù)要求高，應(yīng)采用中空玻璃或低輻射中空玻璃。對(duì)于過(guò)渡地區(qū)、夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)，建筑能耗主要是制冷，因此要降低玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)，阻止太陽(yáng)熱線(xiàn)進(jìn)入室內(nèi)，以減少空調(diào)的冷負(fù)荷，一般采用吸熱玻璃、熱反射玻璃和熱反射中空玻璃。嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)采用低輻射玻璃，盡量采用綜合性能優(yōu)越的低輻射中空玻璃。

2.2 鋁合金型材（隔熱斷橋）

玻璃幕墻中一般采用鋁合金材料作為支撐構(gòu)件。金屬比玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)大，普通幕墻的型材無(wú)可避免地出現(xiàn)“熱橋”現(xiàn)象。幕墻型材的選擇與設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于防止“熱橋”的出現(xiàn)，采用斷熱橋鋁型材可以有效地達(dá)到節(jié)能效果。斷熱橋鋁型材的隔熱原理是基于一個(gè)連續(xù)的隔熱區(qū)域，利用低導(dǎo)熱系數(shù)材料制成隔熱條，將鋁合金型材分成兩個(gè)部分。隔熱條材料的導(dǎo)熱系數(shù)0.3 W/（m2·K），遠(yuǎn)小于鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)203 W/（m2·K），強(qiáng)度與鋁合金材料相當(dāng)。

在炎熱的夏季，斷熱橋鋁型材室外部分溫度達(dá) 40～60 ℃時(shí)，室內(nèi)部分可保持在 25 ℃左右，可以有效地阻止熱量傳到室內(nèi)。冬季，室內(nèi)外鋁型材溫差也可達(dá)到 20 ℃左右，從而減少熱量損失，達(dá)到節(jié)能目的。

2.3 保溫材料

層間結(jié)構(gòu)梁位置的玻璃幕墻可采用單片玻璃和保溫巖棉的組合設(shè)置，以確保玻璃幕墻在非透明位置的保溫系數(shù)滿(mǎn)足節(jié)能計(jì)算要求。

3 玻璃幕墻的遮陽(yáng)

建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)中，開(kāi)窗、遮陽(yáng)、材料的隔熱性能等是重點(diǎn)考慮的環(huán)節(jié)。對(duì)于大面積玻璃幕墻建筑來(lái)說(shuō)，遮陽(yáng)是節(jié)能設(shè)計(jì)的重要因素之一，特別是夏季炎熱地區(qū)。前文提到的節(jié)能型材的隔熱措施，結(jié)合遮陽(yáng)手段可以更加有效地降低炎熱地區(qū)夏季空調(diào)冷負(fù)荷，達(dá)到節(jié)能目的。遮陽(yáng)設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在玻璃遮蔽和遮陽(yáng)構(gòu)件上。

圖1 水平式遮陽(yáng)

玻璃可根據(jù)其不同的遮陽(yáng)系數(shù)結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件進(jìn)行正確選擇，鍍膜玻璃、反射玻璃、吸熱玻璃、低輻射玻璃和中空玻璃等都可作為遮陽(yáng)設(shè)計(jì)的選擇。遮陽(yáng)構(gòu)件的設(shè)計(jì)按位置可分為外遮陽(yáng)和內(nèi)遮陽(yáng)，外遮陽(yáng)的形式可分為水平式遮陽(yáng)、垂直式遮陽(yáng)、綜合式遮陽(yáng)和擋板式遮陽(yáng)、幕墻遮陽(yáng)板常見(jiàn)形式。其中水平遮陽(yáng)板設(shè)計(jì)時(shí)要注意對(duì)玻璃外側(cè)熱空氣散逸的處理，即遮陽(yáng)板與玻璃墻面應(yīng)有一定距離，遮陽(yáng)板本身也應(yīng)做通風(fēng)處理，比如設(shè)計(jì)成傾斜百頁(yè)狀。垂直遮陽(yáng)板最好設(shè)置可調(diào)節(jié)，可以根據(jù)太陽(yáng)位置改變方向。內(nèi)遮陽(yáng)就是在幕墻內(nèi)側(cè)設(shè)置遮陽(yáng)簾、軟百頁(yè)、竹簾等。

幕墻建筑采用遮陽(yáng)與否對(duì)室內(nèi)溫度和采光都有一定影響。夏季炎熱地區(qū)，采用遮陽(yáng)措施后，室內(nèi)外溫差達(dá) 1～2 ℃，可有效地降低室內(nèi)溫度，并且有利于室內(nèi)溫度的穩(wěn)定、均勻，增加室內(nèi)環(huán)境的舒適感。因此，幕墻遮陽(yáng)可降低空調(diào)的冷負(fù)荷，節(jié)約大量電能，但同時(shí)也應(yīng)注意保證室內(nèi)的天然采光。

就我國(guó)所處地理緯度來(lái)說(shuō)，各種遮陽(yáng)板基本形式是適應(yīng)朝向范圍如下：

（1）水平式遮陽(yáng)，見(jiàn)圖1。在玻璃前采用伸出重疊的平板這種形式的遮陽(yáng)，能有效地遮擋太陽(yáng)高度角較大的、從玻璃幕墻上方投射下來(lái)的陽(yáng)光，故適用于南向的玻璃幕墻建筑物。

（2）垂直式遮陽(yáng)，見(jiàn)圖2。設(shè)于玻璃前凸出板的垂直式遮陽(yáng)，能有效地遮擋角度較小的、從玻璃窗側(cè)斜射進(jìn)來(lái)的陽(yáng)光。但對(duì)于角度較大的，從玻璃窗上面射下來(lái)的陽(yáng)光，或接近日出、日落時(shí)平射的陽(yáng)光，起不到遮擋作用。故垂直式的遮陽(yáng)主要適用于東北、北和西北向附近的玻璃幕墻建筑。

圖2 垂直式遮陽(yáng)

（3）綜合式遮陽(yáng)，見(jiàn)圖3。綜合式遮陽(yáng)能有效地遮擋高角度中等的、從玻璃窗前射下來(lái)的陽(yáng)光。遮陽(yáng)效果比較均勻，故適用于東南或西南向的玻璃幕墻建筑。

（4）擋板式遮陽(yáng)，見(jiàn)圖4。擋板式遮陽(yáng)能有效地遮擋高度角較小的、正射窗口的陽(yáng)光，故主要用于東西向的玻璃幕墻建筑。

圖3 綜合式遮陽(yáng)

圖4 擋板式遮陽(yáng)

4 雙層玻璃幕墻

雙層玻璃幕墻是一種新型的節(jié)能幕墻，它不同于傳統(tǒng)單層玻璃幕墻。雙層幕墻主要由一個(gè)單層玻璃幕墻和一個(gè)雙層玻璃幕墻組成，在兩個(gè)幕墻中間有一個(gè)空間，在空間的上下兩端有進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)設(shè)施，這個(gè)空間就是熱通道，因此也稱(chēng)為“熱通道幕墻”。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，可分為封閉式內(nèi)循環(huán)體系和敞開(kāi)式外循環(huán)體系兩種類(lèi)型，見(jiàn)圖5。

圖5 雙層玻璃幕墻

4.1 封閉式內(nèi)循環(huán)體系

封閉式內(nèi)循環(huán)體系外層玻璃幕墻全封閉，室內(nèi)空氣通過(guò)內(nèi)層玻璃幕墻通風(fēng)口進(jìn)入熱通道，從熱通道上升至上部排風(fēng)口，空氣從吊頂?shù)呐棚L(fēng)管排出。這樣使得熱通道內(nèi)溫度與室內(nèi)溫度基本相同，大大節(jié)省了取暖和制冷的電力消耗，這種形式的幕墻多用于冬季寒冷的地區(qū)。

內(nèi)循環(huán)體系幕墻的外幕墻封閉，通常采用中空玻璃和斷熱鋁型材，內(nèi)幕墻則采用單層玻璃或單層鋁門(mén)窗。內(nèi)、外兩層幕墻之間熱通道的距離通常為200 mm左右，有的工程為了維修、清洗方便將熱通道的距離設(shè)計(jì)為500～600 mm。在通道內(nèi)設(shè)置電動(dòng)百葉或電動(dòng)卷簾，以便在夏季起遮陽(yáng)作用，減少太陽(yáng)輻射熱產(chǎn)生的通道溫升，提高制冷效果。

4.2 敞開(kāi)式外循環(huán)體系

敞開(kāi)式外循環(huán)體系是指空氣從外層幕墻的下通道進(jìn)入熱通道，然后從外層幕墻的上部排風(fēng)口排出，內(nèi)層幕墻完全封閉。其結(jié)構(gòu)為外層幕墻采用開(kāi)敝結(jié)構(gòu)的單片玻璃幕墻，內(nèi)層幕墻采用中空玻璃隔熱幕墻。

敞開(kāi)式外循環(huán)幕墻的內(nèi)幕墻封閉，外幕墻有下進(jìn)風(fēng)口和上排風(fēng)口。進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口可以開(kāi)啟和關(guān)閉，冬季關(guān)閉上、下風(fēng)口，熱通道成封閉空間。熱通道內(nèi)空氣經(jīng)陽(yáng)光照射升溫，可以提高內(nèi)側(cè)幕墻外表面溫度，達(dá)到保溫節(jié)能的效果。夏季開(kāi)啟通風(fēng)口，利用“煙囪效應(yīng)”進(jìn)行自然通風(fēng)換氣，帶走熱通道內(nèi)由于日照而產(chǎn)生的熱量，降低內(nèi)層幕墻的外表面溫度，減少了空調(diào)冷負(fù)荷。

雙層玻璃幕墻的傳熱系數(shù)比中空玻璃的傳熱系數(shù)小很多，能夠保證冬季的保溫和夏季的隔熱通風(fēng)，因此雙層玻璃幕墻的節(jié)能效果較顯著。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)玻璃、鋁合金型材等材料的選擇，幕墻構(gòu)造的合理設(shè)計(jì)以及雙層玻璃幕墻的設(shè)計(jì)等方面來(lái)分析和探討玻璃幕墻的節(jié)能設(shè)計(jì)，使建筑玻璃幕墻在滿(mǎn)足功能和美感的同時(shí)解決高能耗問(wèn)題。