淺談公共建筑外窗幕墻的節(jié)能設(shè)計(jì)

武正北

摘要：我國(guó)地域遼闊，部分地區(qū)四季溫差較大，針對(duì)房屋建筑來(lái)講，其日常運(yùn)行過(guò)程中較大的能耗比例都來(lái)自于玻璃外窗和幕墻能耗損失方面，因此要想從根本上提升建筑工程本身的節(jié)能效果，就必須給予外窗幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)以高度重視。鑒于此，本文從公共建筑外窗幕墻玻璃選擇、窗墻比的確定、外窗方位及雙玻幕墻等角度出發(fā)，詳細(xì)探討了公共建筑外窗幕墻的節(jié)能設(shè)計(jì)，以供參考。

關(guān)鍵詞：公共建筑;外窗幕墻;節(jié)能設(shè)計(jì)

一、公共建筑外窗幕墻玻璃選擇

（一）玻璃選擇原則

突出玻璃遮陽(yáng)功能、實(shí)現(xiàn)合理采光是公共建筑外窗幕墻玻璃選擇過(guò)程中應(yīng)遵循的主要原則。公共建筑是在人類社會(huì)和文明不斷進(jìn)步的背景下產(chǎn)生的，通常情況下其可以劃分成包含金融建筑和商場(chǎng)在內(nèi)的商業(yè)建筑、政府部門辦公室以及寫字樓等在內(nèi)的辦公建筑和娛樂場(chǎng)所以及旅館飯店在內(nèi)的旅游建筑組成的，同時(shí)還有部分建筑屬于交通運(yùn)輸類建筑，如橋梁、車站建筑以及機(jī)場(chǎng)等。民用建筑通常包含兩種類型，分別為居住建筑和公共建筑，而工業(yè)建筑和民用建筑統(tǒng)稱為建筑[1]。

公共建筑內(nèi)部功能相對(duì)完善，是我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的重要組成部分，我國(guó)部分公共建筑在冬季運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)采暖擁有較高的要求，此類型公共建筑在運(yùn)行過(guò)程中呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：首先，建筑使用者人數(shù)較多，呈現(xiàn)出人員密集的特點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生較大的人體散熱量;其次，公共建筑功能相對(duì)完善，能夠滿足建筑使用者對(duì)辦公設(shè)備的需求，同時(shí)具有較強(qiáng)的智能化特點(diǎn)，建筑運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生較大的設(shè)備耗電量，因此也會(huì)產(chǎn)生較大的熱能;再次，近年來(lái)，世界各地頻繁出現(xiàn)城市熱島效應(yīng)，因此同郊區(qū)公共建筑相比，城市中心公共建筑擁有更高的溫度;最后，根據(jù)我國(guó)平均氣溫年度變化統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，近50年內(nèi)我國(guó)每年平均氣溫都會(huì)升高1.1攝氏度左右，同北半球和全球升溫幅度相比，我國(guó)每年平均氣溫上升幅度較高[2]。例如，我國(guó)杭州地區(qū)具有夏熱冬冷的特點(diǎn)，近年來(lái)當(dāng)?shù)馗邷厝詹粩嘣黾?。再加上全球氣候急劇變暖的趨?shì)，當(dāng)?shù)販囟瘸尸F(xiàn)出明顯升高的現(xiàn)象。而現(xiàn)代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是我國(guó)多數(shù)公共建筑的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鋼筋混凝土材料在應(yīng)用過(guò)程中具備了一定保溫功能，再加上部分地區(qū)在冬季并沒有采暖要求，因此在實(shí)際進(jìn)行公共建筑建設(shè)的過(guò)程中，可以忽略其他保暖設(shè)計(jì)，而是將保溫設(shè)計(jì)的重點(diǎn)放在外窗幕墻上即可，外窗幕墻應(yīng)具備合理采光以及良好的遮陽(yáng)效果，這應(yīng)成為公共建筑外窗幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)的重要原則之一[3]。

（二）外窗玻璃選擇

針對(duì)公共建筑來(lái)講，外窗玻璃面積占建筑總面積比例較大，因此公共建筑外窗幕墻能夠擁有較大的輻射和導(dǎo)熱面積。我國(guó)各地區(qū)在積極進(jìn)行公共建筑建設(shè)的過(guò)程中，應(yīng)注重對(duì)外窗幕墻玻璃的合理選擇，只有這樣才能夠從整體上提升公共建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)效果。

傳熱系數(shù)K值和遮陽(yáng)系數(shù)是表示玻璃熱工性能的兩個(gè)重要參數(shù)，一方面，傳熱系數(shù)K值[4]，當(dāng)公共建筑室內(nèi)外溫度形成較大差異，傳熱系數(shù)K值可以在單位時(shí)間內(nèi)、單位溫差條件下以及單位面積基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)有效的玻璃熱量傳遞;另一方面，遮陽(yáng)系數(shù)，即玻璃太陽(yáng)能總透過(guò)率與3mm厚無(wú)色透明玻璃太陽(yáng)能總透過(guò)率之間的比值。我國(guó)在積極進(jìn)行公共建筑建設(shè)的過(guò)程中，需要考慮夏季強(qiáng)烈日照的客觀條件，在這一過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較高的建筑物制冷能耗，因此應(yīng)在堅(jiān)持上述外窗幕墻玻璃選擇原則的基礎(chǔ)上來(lái)合理選擇玻璃。

其中具有較高遮陽(yáng)系數(shù)的普通白玻在應(yīng)用過(guò)程中，由于公共建筑使用過(guò)程中，增加建筑空調(diào)能耗的主要因素是太陽(yáng)輻射較大，缺乏良好遮陽(yáng)性能的玻璃會(huì)極大增加空調(diào)能耗量[5]。擁有較低遮陽(yáng)系數(shù)的玻璃在應(yīng)用過(guò)程中，會(huì)對(duì)較少太陽(yáng)能量進(jìn)行傳遞，這樣一來(lái)就能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)建筑物制冷節(jié)能奠定良好基礎(chǔ)。但是，如果玻璃在使用過(guò)程中擁有較低的遮陽(yáng)系數(shù)，那么就無(wú)法促使公共建筑在日間運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)有效自然采光。

而在對(duì)Low-E中空玻璃進(jìn)行應(yīng)用的過(guò)程中，其所采用的材料鍍膜具有不吸熱、紅外線高反射的功能，尤其是雙銀Low-E中空玻璃近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于我國(guó)各地區(qū)的公共建筑建設(shè)當(dāng)中，其可以對(duì)遠(yuǎn)紅外波段的熱輻射以及太陽(yáng)能波段的熱輻射產(chǎn)生良好的反射效果。在對(duì)這一玻璃進(jìn)行應(yīng)用的過(guò)程中，其呈現(xiàn)出良好的保溫性能，同時(shí)傳熱系數(shù)較低，并具有一定選擇性，可以實(shí)現(xiàn)低熱能可見光的通過(guò)，在這一過(guò)程中還可以將多數(shù)高熱能的近紅外光遮斷，甚至可以產(chǎn)生0.30～0.60的遮陽(yáng)系數(shù)，太陽(yáng)輻射的有效降低，充分證明我國(guó)在積極進(jìn)行公共建筑建設(shè)的過(guò)程中，針對(duì)外窗幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)可以對(duì)Low-E中空玻璃進(jìn)行充分應(yīng)用[6]。

二、窗墻比的確定

公共建筑外窗幕墻設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)窗墻比的重要性產(chǎn)生深刻認(rèn)知，窗墻比的合理性對(duì)于公共建筑節(jié)能效果具有直接影響。窗戶洞口面積與房間立面單元面積之間的比值即窗墻比，也就是建筑物高與開間定位線圍成的面積之間的比值。由于窗戶是室外熱量向室內(nèi)傳遞的主要媒介，在這一過(guò)程中主要涉及到的途徑包括太陽(yáng)輻射、窗材導(dǎo)熱、空氣滲透等。而窗子大小對(duì)這些熱量傳遞途徑具有直接影響，線性關(guān)系存在于空調(diào)負(fù)荷大小與窗子面積之間[7]。要想將窗戶的能耗量降低，新時(shí)期世界各國(guó)在積極進(jìn)行公共建筑建設(shè)的過(guò)程中，各種節(jié)能窗戶不斷產(chǎn)生，但是無(wú)論哪種類型的窗戶在應(yīng)用過(guò)程中，都只能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)部分能源的節(jié)約，事實(shí)上由于公共建筑外窗幕墻面積較大，在大開窗的情況下，空調(diào)能源浪費(fèi)的現(xiàn)象是無(wú)法得到本質(zhì)上的改變的。

從節(jié)能的角度來(lái)看，要想有效降低空調(diào)負(fù)荷，減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)外窗面積值至關(guān)重要。公共建筑實(shí)現(xiàn)節(jié)能設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)是對(duì)開窗率進(jìn)行有效限制，然而較小的窗墻比會(huì)嚴(yán)重影響公共建筑室內(nèi)通風(fēng)以及采光效果。

根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)顯示，多數(shù)建筑使用者都非常認(rèn)可20%的開窗率;面對(duì)30%的開窗率，人們表示非常滿意;而超過(guò)30%的開窗率不會(huì)給人們的心理以及視覺享受帶來(lái)直接影響[8]。同時(shí)，在對(duì)最小開窗面積進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)以樓地板面積為基礎(chǔ)，其6.25%則為最小開窗面積，而針對(duì)通風(fēng)效果來(lái)講，20%～30%的開窗率已經(jīng)可以滿足通風(fēng)要求。

三、外窗方位及雙玻幕墻的節(jié)能設(shè)計(jì)

（一）外窗方位

不同的房屋外窗方位，會(huì)產(chǎn)生差異化太陽(yáng)輻射接收熱量。詳細(xì)分析天空中太陽(yáng)的運(yùn)行規(guī)律，能夠得到最大太陽(yáng)輻射熱量的為冬季南向墻面窗戶和夏季東西兩面墻面窗戶。

詳細(xì)分析日照方位分區(qū)圖可以發(fā)現(xiàn)，終年沒有日照的為從西偏北到東偏北方向;只有夏季才有日照的為東偏北和西偏北方向，在這些地區(qū)進(jìn)行公共建筑外窗幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)的過(guò)程中，最強(qiáng)的太陽(yáng)輻射會(huì)在夏季產(chǎn)生;而常年有日照的區(qū)域進(jìn)行公共建筑外窗幕墻設(shè)計(jì)的過(guò)程中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)始終滿足夏季陰涼冬季向陽(yáng)的條件。我國(guó)多數(shù)地區(qū)都擁有夏熱冬冷的特點(diǎn)，南向的玻璃窗在公共建筑當(dāng)中，在夏季不僅需要承受強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射，同時(shí)還必須承受來(lái)自其他墻體的反射。東、西向的玻璃窗在公共建筑當(dāng)中，能夠?qū)ο募咎?yáng)輻射進(jìn)行有效遮擋，盡管此時(shí)所產(chǎn)生的太陽(yáng)輻射低于南向，但是在東、西向墻面的強(qiáng)烈熱反射作用下，通過(guò)西向墻的熱量是同面積下西向墻玻璃窗熱量的8～15倍，在這一過(guò)程中應(yīng)用科學(xué)的遮陽(yáng)措施，會(huì)導(dǎo)致窗戶的熱作用被有效限制[9]。同時(shí)，我國(guó)南方地區(qū)在積極進(jìn)行公共建筑建設(shè)的過(guò)程中，需要綜合分析夏季風(fēng)向特點(diǎn)，以東南風(fēng)和南風(fēng)為主，因此在實(shí)際進(jìn)行窗戶設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)盡量選擇利于室內(nèi)形成穿堂風(fēng)的方向，因此窗戶布置應(yīng)以北向、東南向、南向?yàn)橹鳌?/p>

氣候變化將對(duì)水平屋頂產(chǎn)生直接而嚴(yán)重的影響，會(huì)直接影響頂層居住環(huán)境以及空間能源，因此在實(shí)際展開設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須給予屋頂強(qiáng)化保溫設(shè)計(jì)以高度重視，避免對(duì)水平天窗的設(shè)計(jì)的應(yīng)用。夏季水平天窗設(shè)計(jì)所能夠吸引的太陽(yáng)輻射較多，但是在冬季，這一設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生較高的采暖能耗量，因此在實(shí)際進(jìn)行公共建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程中，盡量不要將天窗設(shè)置在屋頂，必要情況下，可以對(duì)垂直天窗進(jìn)行設(shè)計(jì)。

我國(guó)多數(shù)地區(qū)具有冬冷夏熱的特點(diǎn)，此類型地區(qū)在公共建筑建設(shè)中，應(yīng)采取有效措施充分考慮屋頂自然采光和避開水平日射量的問(wèn)題，因此屋頂造型應(yīng)具備變化性特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)垂直開窗采光設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合應(yīng)用。

在綜合分析季風(fēng)影響和太陽(yáng)輻射等因素的背景下，在實(shí)際展開設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)以正對(duì)南向方位開窗和擴(kuò)大房屋外墻面積為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)房屋外墻不開窗一面應(yīng)設(shè)計(jì)在西向和東向方位，北向方位應(yīng)盡量減少開窗，這樣一來(lái)對(duì)于提升公共建筑外窗幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)效果具有重要意義。

（二）雙玻幕墻

近年來(lái)，我國(guó)在積極加強(qiáng)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)研究的過(guò)程中，不斷進(jìn)行了技術(shù)和材料的創(chuàng)新，建筑墻體裝飾方面的創(chuàng)新以玻璃幕墻為主，在對(duì)這一設(shè)計(jì)方式進(jìn)行廣泛應(yīng)用的過(guò)程中，不僅能夠產(chǎn)生藝術(shù)感較強(qiáng)的公共建筑外觀，同時(shí)對(duì)于降低建筑能耗量、提升室內(nèi)熱舒適度都具有重要意義。

在對(duì)單一玻璃幕墻具有較大能耗量這一問(wèn)題進(jìn)行改變的過(guò)程中，可以對(duì)雙層呼吸式幕墻進(jìn)行充分應(yīng)用。這一技術(shù)起源于歐洲，“雙層皮”幕墻指的是在構(gòu)建玻璃幕墻的過(guò)程中，采用內(nèi)、外兩層玻璃，中間包含一個(gè)通道，將進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口設(shè)置在外層幕墻中，在這種情況下，夏季高溫環(huán)境中，“對(duì)流排熱”就可以在空氣中實(shí)現(xiàn)，而“中間活動(dòng)遮陽(yáng)”需要被設(shè)置在雙玻幕墻的中間。

通常情況下，在實(shí)際進(jìn)行公共建筑外窗幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要對(duì)節(jié)能玻璃進(jìn)行充分應(yīng)用，而雙玻幕墻呈現(xiàn)出了較高的應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，同“單層皮”玻璃幕墻相比，“雙層皮”玻璃幕墻在應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)生了更高的節(jié)能效果，節(jié)能比率增加了40%～60%。同“單層皮”玻璃幕墻相比，冬季和夏季“雙層皮”玻璃幕墻在應(yīng)用的過(guò)程中都能夠形成更加良好的保溫效果，對(duì)于室內(nèi)氣候的改善、空調(diào)使用時(shí)間的減少、降低能耗量等都具有重要意義。然而，現(xiàn)階段我國(guó)對(duì)雙層皮技術(shù)的研究和應(yīng)用實(shí)踐還相對(duì)較少，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，我國(guó)在積極進(jìn)行公共建筑外窗幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須對(duì)這一技術(shù)的重要性產(chǎn)生深刻認(rèn)知，通過(guò)先進(jìn)節(jié)能技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)大面積玻璃能源浪費(fèi)問(wèn)題。

值得注意的是，在對(duì)玻璃幕墻進(jìn)行應(yīng)用的過(guò)程中，所形成的圍護(hù)形式缺乏文化感，沒有結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂虻纫蛩卣归_設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化建筑建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，一定程度上忽視了節(jié)能理念，因此盡管在對(duì)雙玻幕墻進(jìn)行應(yīng)用的過(guò)程中能夠產(chǎn)生一定良好的節(jié)能效果，但是其能耗量始終相對(duì)較高。

四、結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，近年來(lái)，世界各國(guó)在積極進(jìn)行現(xiàn)代化建設(shè)的過(guò)程中，環(huán)境污染和生態(tài)破壞現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，而能源節(jié)約問(wèn)題也日益突出，在這種情況下，節(jié)能理念開始同各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行緊密結(jié)合。隨著公共建筑不斷增加，要想提升公共建筑的節(jié)能效果，采取有效措施實(shí)施科學(xué)的外窗幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)至關(guān)重要，這就要求我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域工作人員結(jié)合建筑以及地區(qū)特點(diǎn)，不斷提升設(shè)計(jì)的科學(xué)性，才能夠推動(dòng)我國(guó)建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的全面發(fā)展。

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