現(xiàn)代建筑玻璃幕墻節(jié)能設計探討

蔡廣劍 黎邵

摘要：我國的建筑節(jié)能工作已成為當務之急，建筑節(jié)能有著巨大的潛力，建筑的節(jié)能工作任重道遠。玻璃幕墻的節(jié)能設計要遵循科學性、適用性、經(jīng)濟性和安全性的原則。本文結(jié)合筆者多年從事玻璃幕墻設計的經(jīng)驗，對玻璃幕墻的節(jié)能設計進行了探討，以期為我國今后超高層建筑的建設提供技術(shù)借鑒，促使其走上可持續(xù)發(fā)展道路。

關(guān)鍵詞：玻璃幕墻；節(jié)能設計

1、前言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，玻璃幕墻在建筑上的應用越來越多。玻璃幕墻作為當代一種新型建筑外墻形式被廣泛用于建筑中。玻璃幕墻以其采光面積大、自重輕、造型多變、光影效果好等優(yōu)點成為建筑物構(gòu)件中將現(xiàn)代建筑技術(shù)與藝術(shù)結(jié)合的最完美的典范。

在CBD的超高層、高層建筑中，玻璃幕墻既能提供良好的采光，又具有簡潔、現(xiàn)代的視覺效果，使用較為廣泛，特別是在一些地區(qū)的標志性建筑，如上海金茂大廈。因此，對高層建筑的玻璃幕墻研究具有廣闊的前景。下文對玻璃幕墻的節(jié)能設計進行分析。

2、玻璃幕墻節(jié)能設計原則

隨著GB 50189-2005《公共建筑節(jié)能設計標準》、JGJfF 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》、GB/T 21086-2007《建筑幕墻》標準的執(zhí)行，保溫隔熱性能及其計算是幕墻節(jié)能的重要指標之一。由于我國南北氣候差異較大，在不同的氣候條件下對幕墻的節(jié)能要求不同。因此，玻璃幕墻的節(jié)能設計除保證本身性能指標外，還應結(jié)合當?shù)貧夂驐l件遵循以下設計原則：①嚴格遵循國家現(xiàn)行的外圍護結(jié)構(gòu)熱工設計的有關(guān)標準規(guī)范；②充分考慮當?shù)貧夂驐l件，綜合各方面因素進行合理選材、選型；③冬季寒冷地區(qū)應進行保溫設計，夏季炎熱地區(qū)應進行隔熱、通風設計；④熱工設計時，必須對其復雜的傳熱過程和傳熱方式進行分析和研究。

3、玻璃幕墻材料的選擇

3.1玻璃材料

玻璃幕墻中玻璃的面積遠遠大于金屬框架的面積，而玻璃材料表面換熱性強，長波熱透射率高，故夏季太陽輻射熱會透過玻璃進入室內(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幕墻節(jié)能至關(guān)重要。光學和熱學性能是節(jié)能玻璃的主要指標，近年來，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)應用于建筑上。早期為了解決保溫隔熱問題，人們開發(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，用這些玻璃組成的中空玻璃或復合真空玻璃節(jié)能效果最佳。

嚴寒地區(qū)建筑能耗主要是采暖，因此對玻璃的傳熱系數(shù)要求高，應采用中空玻璃或低輻射中空玻璃。對于過渡地區(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系數(shù)，阻止太陽熱線進入室內(nèi)，以減少空調(diào)的冷負荷，一般采用吸熱玻璃、熱反射玻璃和熱反射中空玻璃。嚴寒地區(qū)應采用低輻射玻璃，盡量采用綜合性能優(yōu)越的低輻射中空玻璃。

3.2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。金屬比玻璃的導熱系數(shù)大，普通幕墻的型材無可避免地出現(xiàn)“熱橋”現(xiàn)象。幕墻型材的選擇與設計的重點在于防止“熱橋”的出現(xiàn)，采用斷熱橋鋁型材可以有效地達到節(jié)能效果。斷熱橋鋁型材的隔熱原理是基于一個連續(xù)的隔熱區(qū)域，利用低導熱系數(shù)材料制成隔熱條，將鋁合金型材分成兩個部分。隔熱條材料的導熱系數(shù)0.3 W/（m2·K），遠小于鋁合金導熱系數(shù)203 W/（m2·K），強度與鋁合金材料相當。

在炎熱的夏季，斷熱橋鋁型材室外部分溫度達40～60 ℃時，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到20 ℃左右，從而減少熱量損失，達到節(jié)能目的。

3.3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置，以確保玻璃幕墻在非透明位置的保溫系數(shù)滿足節(jié)能計算要求。

3.4、玻璃幕墻的遮陽

建筑外圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設計中，開窗、遮陽、材料的隔熱性能等是重點考慮的環(huán)節(jié)。對于大面積玻璃幕墻建筑來說，遮陽是節(jié)能設計的重要因素之一，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)合遮陽手段可以更加有效地降低炎熱地區(qū)夏季空調(diào)冷負荷，達到節(jié)能目的。遮陽設計主要體現(xiàn)在玻璃遮蔽和遮陽構(gòu)件上。

玻璃可根據(jù)其不同的遮陽系數(shù)結(jié)合當?shù)貧夂驐l件進行正確選擇，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設計的選擇。遮陽構(gòu)件的設計按位置可分為外遮陽和內(nèi)遮陽，外遮陽的形式可分為水平式遮陽、垂直式遮陽、綜合式遮陽和擋板式遮陽、幕墻遮陽板常見形式。其中水平遮陽板設計時要注意對玻璃外側(cè)熱空氣散逸的處理，即遮陽板與玻璃墻面應有一定距離，遮陽板本身也應做通風處理，比如設計成傾斜百頁狀。垂直遮陽板最好設置可調(diào)節(jié)，可以根據(jù)太陽位置改變方向。內(nèi)遮陽就是在幕墻內(nèi)側(cè)設置遮陽簾、軟百頁、竹簾等。

幕墻建筑采用遮陽與否對室內(nèi)溫度和采光都有一定影響。夏季炎熱地區(qū)，采用遮陽措施后，室內(nèi)外溫差達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，幕墻遮陽可降低空調(diào)的冷負荷，節(jié)約大量電能，但同時也應注意保證室內(nèi)的天然采光。

就我國所處地理緯度來說，各種遮陽板基本形式是適應朝向范圍如下：

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

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

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

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

4. 典型高層建筑玻璃幕墻實例調(diào)研與分析

4.1調(diào)研概況

本次調(diào)研的兩座高層建筑分別是A廣場和B大廈，主要從玻璃幕墻所采用的玻璃種類、玻璃幕墻的支承方式、該建筑玻璃幕墻部分是否有遮陽措施、室內(nèi)熱舒適度與滿意程度進行調(diào)查。

A廣場由七棟錯落有致的現(xiàn)代建筑：國際金融中心（（4棟寫字樓）、國際大酒店、國際商務公寓構(gòu)成主體建筑群落，總建筑面積26萬平方米，本次調(diào)研，以其中的國際中心D座為例。

B大廈位于城市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，地上北塔樓二十六層，南塔樓十七層（裙房三層），地下二層，建筑總面積57278㎡，外立面幕墻總面積約22000㎡，主要包括：玻璃幕墻、石材幕墻及鋁合金窗。

4.2調(diào)研分析

（1）玻璃幕墻所采用的玻璃種類

國際中心D座采用的是中空鍍膜鋼化玻璃，B大廈的幕墻玻璃均采用6㎜+9A+6㎜雙鋼化中空LOW-E（低輻射）玻璃，夏季白天的U值不大于2.1W/㎡·K。

由此可以看出，該地區(qū)，中空低輻射玻璃玻璃、鍍膜玻璃的應用已經(jīng)比較普遍。

低輻射玻璃有很低的表面輻射率，從而使通過中空玻璃空氣層的輻射傳熱大為減小，因此，用低輻射玻璃制作的中空玻璃特別適合于改地區(qū)以及建筑物的非朝陽面玻璃幕墻。

（2）玻璃幕墻的支承方式

國際中心D座外立面設計為隱框玻璃幕墻，建筑透明、現(xiàn)代感十足。B大廈則采用橫明豎隱玻璃幕墻（南塔樓北外墻）及斜橫明豎隱玻璃幕墻，保證建筑物良好的采光，又避免光反射所造成的光污染現(xiàn)象。

隱框玻璃幕墻在目前正在廣泛使用，可能是由于以下原因：

第一，與點支式幕墻相比，造價低，與明框玻璃幕墻相比，立面簡潔、整體感更強。

第二，近年來該地區(qū)所建幕墻中，半隱框的支承方式將玻璃、鋁板或玻璃、石材兩種材料結(jié)合在一起越來越普遍。這樣既可保持外立面整體的造型，同時幕墻的耗能又比全部采用玻璃材料小一些。

（3）遮陽措施狀況

兩棟建筑由于要考慮建筑外立面的造型，故均未設置遮陽措施，僅有部分的辦公室在裝修時自己設置了內(nèi)遮陽措施，有的是內(nèi)軟百葉簾，有的是布條簾，遮陽效果不佳。分析其原因，主要是因為裝在窗口內(nèi)側(cè)的布簾、軟百頁等遮陽設施，其所吸收的太陽輻射熱，大部分將散發(fā)給室內(nèi)空氣，所以效果不佳。

（4）關(guān)于室內(nèi)熱舒適度與滿意程度的調(diào)查

本次調(diào)研中，對兩棟建筑分別隨機挑選100位使用者，在夏季和冬季兩個典型月份對其室內(nèi)熱舒適度與滿意程度進行問卷調(diào)查（考慮未采取空調(diào)采暖和降溫時使用者的感受）。調(diào)查表形式見表1。

通過匯總相關(guān)數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)果（見表2、表3）。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，在使用者未進行空調(diào)采暖和降溫時，使用者的感受情況。從整體上來說，國際中心D座的使用者的室內(nèi)熱舒適度與滿意程度比B大廈的使用者略低，特別是在夏季最為明顯。主要原因在于國際中心D座為全隱框玻璃幕墻，而B大廈幕墻以明框和外明內(nèi)隱為主，除去玻璃部分，還有部分石材等實體圍護結(jié)構(gòu)，因此，結(jié)果就有所差別。

該地區(qū)在冬夏兩季，特別是炎熱的七月份，建筑內(nèi)部使用空調(diào)非常普遍，使用者需要利用空調(diào)設備來改善室內(nèi)的環(huán)境和舒適度。從能耗角度上來說，這將大大增加空調(diào)設備的負荷，不利于能源的節(jié)約。因此，考慮室內(nèi)使用者的舒適度越來越重要，與建筑的節(jié)能有著密切的聯(lián)系。

5.結(jié)束語

節(jié)能環(huán)保是我國建筑行業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一，在能源危機日漸嚴重的今天，幕墻的能源消耗大大的增加了我國的能源負擔，不利于我國社會主義和諧社會的進程，隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代幕墻將會得到更廣泛的運用，幕墻能源消耗勢必會進一步增加，為了緩解我國的能源壓力，在幕墻設計過程中，不斷提高設計人員的綜合能力和專業(yè)素質(zhì)，在綜合考慮到施工地點的自然環(huán)境，人文經(jīng)濟等多方面的因素的基礎上，從整個建筑構(gòu)件的設計，連接和建筑的熱工，保溫等各個方面做出科學是設計，使得現(xiàn)代幕墻既可以滿足節(jié)能需要，又可以創(chuàng)造出獨特的建筑風格，實現(xiàn)實用價值和美學價值的統(tǒng)一，為國家經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的改善注入新的活力。本次通過對國際中心D座和B大廈兩棟高層建筑的玻璃幕墻設計的現(xiàn)狀資料進行了深入地分析，可以得出以下幾點結(jié)論：

（1）建筑玻璃幕墻所用的玻璃材料中，中空玻璃的應用已經(jīng)比較普遍，從而取代了普通單片玻璃的應用。但隨著節(jié)能標準的不斷提高，普通的中空玻璃己不能完全滿足節(jié)能設計的技術(shù)要求。應根據(jù)地區(qū)的氣候特點，運用新型中空玻璃，如LOW一E中空玻璃。

（2）在該地區(qū)建筑所用玻璃幕墻的支承方式中，明框玻璃幕墻的應用在逐漸減少，而隱框玻璃幕墻和明框、隱框相配合的玻璃幕墻的數(shù)量在增加。

（3）建筑玻璃幕墻采用遮陽設施的情況并不多，特別在夏季，不利于降低能耗。因此，應考慮建立玻璃幕墻遮陽體系。在建筑設計中可以考慮結(jié)合建筑外立面造型，設置外遮陽板。

（4）高層建筑玻璃幕墻的設計不應片面的追求建筑的立面造型，應該充分考慮“以人為本”，從使用者的角度出發(fā)，關(guān)注建筑室內(nèi)熱舒適程度，并以此作為建筑節(jié)能的一個參考。

（5）對該地區(qū)而言，通過提高玻璃幕墻所用材料的熱工性能來滿足節(jié)能要求，余地已經(jīng)不大，那么就需要采用一種新型的節(jié)能幕墻——呼吸式雙層玻璃幕墻。

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