現代建筑玻璃幕墻節(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、經濟性和安全性的原則。本文結合筆者多年從事玻璃幕墻設計的經驗，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借鑒，促使其走上可持續(xù)發(fā)展道路。

關鍵詞：玻璃幕墻；節(jié)能設計

1、前言

隨著經濟的發(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)點成為建筑物構件中將現代建筑技術與藝術結合的最完美的典范。

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，還應結合當地氣候條件遵循以下設計原則：①嚴格遵循國家現行的外圍護結構熱工設計的有關標準規(guī)范；②充分考慮當地氣候條件，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，使室內溫度升高，從而增加空調能耗。因此減少玻璃的能耗對幕墻節(jié)能至關重要。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，阻止太陽熱線進入室內，以減少空調的冷負荷，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件。金屬比玻璃的導熱系數大，普通幕墻的型材無可避免地出現“熱橋”現象。幕墻型材的選擇與設計的重點在于防止“熱橋”的出現，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0.3 W/（m2·K），遠小于鋁合金導熱系數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，室內部分可保持在25 ℃左右，可以有效地阻止熱量傳到室內。冬季，室內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

層間結構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滿足節(jié)能計算要求。

3.4、玻璃幕墻的遮陽

建筑外圍護結構節(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，結合遮陽手段可以更加有效地降低炎熱地區(qū)夏季空調冷負荷，達到節(jié)能目的。遮陽設計主要體現在玻璃遮蔽和遮陽構件上。

玻璃可根據其不同的遮陽系數結合當地氣候條件進行正確選擇，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。遮陽構件的設計按位置可分為外遮陽和內遮陽，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節(jié)，可以根據太陽位置改變方向。內遮陽就是在幕墻內側設置遮陽簾、軟百頁、竹簾等。

幕墻建筑采用遮陽與否對室內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，室內外溫差達1～2 ℃，可有效地降低室內溫度，并且有利于室內溫度的穩(wěn)定、均勻，增加室內環(huán)境的舒適感。因此，幕墻遮陽可降低空調的冷負荷，節(jié)約大量電能，但同時也應注意保證室內的天然采光。

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研與分析

4.1調研概況

本次調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、室內熱舒適度與滿意程度進行調查。

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

B大廈位于城市經濟技術開發(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遮陽措施，有的是內軟百葉簾，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側的布簾、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)給室內空氣，所以效果不佳。

（4）關于室內熱舒適度與滿意程度的調查

本次調研中，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熱舒適度與滿意程度進行問卷調查（考慮未采取空調采暖和降溫時使用者的感受）。調查表形式見表1。

通過匯總相關數據，得到以下結果（見表2、表3）。

從以上數據可以看出，在使用者未進行空調采暖和降溫時，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隱為主，除去玻璃部分，還有部分石材等實體圍護結構，因此，結果就有所差別。

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

5.結束語

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，在綜合考慮到施工地點的自然環(huán)境，人文經濟等多方面的因素的基礎上，從整個建筑構件的設計，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，實現實用價值和美學價值的統一，為國家經濟的發(fā)展和人們生活質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狀資料進行了深入地分析，可以得出以下幾點結論：

（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)能設計的技術要求。應根據地區(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)，關注建筑室內熱舒適程度，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。

參考文獻：

[1]李雪平. 建筑玻璃幕墻的節(jié)能設計研究[D].西安：西安建筑科技大學，2006

[2]趙西安.為什么高樓大廈需要建筑幕墻[J/0L].中國建筑裝飾材料網.2005

[3]張通. 清華大學環(huán)境能源樓——中意合作的生態(tài)示范性建筑[J].《建筑學報》.2008，02

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、經濟性和安全性的原則。本文結合筆者多年從事玻璃幕墻設計的經驗，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借鑒，促使其走上可持續(xù)發(fā)展道路。

關鍵詞：玻璃幕墻；節(jié)能設計

1.前言

隨著經濟的發(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)點成為建筑物構件中將現代建筑技術與藝術結合的最完美的典范。

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，還應結合當地氣候條件遵循以下設計原則：①嚴格遵循國家現行的外圍護結構熱工設計的有關標準規(guī)范；②充分考慮當地氣候條件，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，使室內溫度升高，從而增加空調能耗。因此減少玻璃的能耗對幕墻節(jié)能至關重要。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，阻止太陽熱線進入室內，以減少空調的冷負荷，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件。金屬比玻璃的導熱系數大，普通幕墻的型材無可避免地出現“熱橋”現象。幕墻型材的選擇與設計的重點在于防止“熱橋”的出現，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0.3 W/（m2·K），遠小于鋁合金導熱系數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，室內部分可保持在25 ℃左右，可以有效地阻止熱量傳到室內。冬季，室內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

層間結構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滿足節(jié)能計算要求。

3.4、玻璃幕墻的遮陽

建筑外圍護結構節(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，結合遮陽手段可以更加有效地降低炎熱地區(qū)夏季空調冷負荷，達到節(jié)能目的。遮陽設計主要體現在玻璃遮蔽和遮陽構件上。

玻璃可根據其不同的遮陽系數結合當地氣候條件進行正確選擇，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。遮陽構件的設計按位置可分為外遮陽和內遮陽，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節(jié)，可以根據太陽位置改變方向。內遮陽就是在幕墻內側設置遮陽簾、軟百頁、竹簾等。

幕墻建筑采用遮陽與否對室內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，室內外溫差達1～2 ℃，可有效地降低室內溫度，并且有利于室內溫度的穩(wěn)定、均勻，增加室內環(huán)境的舒適感。因此，幕墻遮陽可降低空調的冷負荷，節(jié)約大量電能，但同時也應注意保證室內的天然采光。

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。