淺析建筑玻璃幕墻節能技術

滕惠根

[摘要]從新型構造技術、新型材料和智能控制技術三個方面探討節能技術在建筑玻璃幕墻中的設計應用。

[關鍵詞]節能技術玻璃幕墻

中圖分類號：TU5文獻標識碼：A文章編號：1671－7597(2009)0210100－02

能源問題是當前世界各國普遍重視的問題，并已被列為人類面臨的四大生存問題之一。在全世界的能源消耗中，無論是發達國家還是發展中國家，建筑能耗在總能耗中所占的比重都是很大，而且建筑能耗屬于消費性能耗。因此，在世界范圍內能源問題日益緊迫、建筑能耗不斷增長的今天，世界各國又都將建筑節能列為節能工作的重點。中國是世界能源生產和消耗大國，節能意義深遠而重大。玻璃幕墻作為建筑外圍護結構的重要組成部分，在建筑節能中發揮著不可替代的作用。玻璃幕墻不僅實現了建筑外圍護結構中墻體與門窗的合二為一，而且把建筑圍護結構的使用功能與裝飾功能巧妙地融為一體，使建筑更具現代感和裝飾藝術性。但大面積玻璃幕墻在提供良好采光的同時，卻又帶來了采暖與制冷能耗高的隱患，這是建筑能耗的一個薄弱環節。本文主要探討玻璃幕墻設計中的節能技術，以期為相關人員更加直觀了解玻璃幕墻節能設計的優越性，為建筑師、開發商在設計、選用玻璃幕墻時提供參考和借鑒。

一、國內外玻璃幕墻設計研究現狀與發展

70年代能源危機后，人們逐漸認識到玻璃幕墻在能源消耗方面的嚴重缺陷，西方工業化國家開始對增強玻璃幕墻的熱工性能進行研究。80年代初研制成功了熱通道玻璃幕墻、智能玻璃幕墻。目前的熱通道玻璃幕墻，技術上主要是通過雙層玻璃幕墻來實現。雖然雙層玻璃幕墻本身一次性建設投資較大，但它一方面可以降低建筑能耗，保護生態環境，另一方面，由于建筑物所需能耗降低，可以減少建筑設備的一次性投入，特別是大量節約建筑運營成本。近十余年來，雙層玻璃幕墻在歐洲發達國家已得到廣泛應用。智能玻璃幕墻和光電玻璃幕墻尚處在發展的初期，智能玻璃幕墻從廣義上說，包括以下幾部分：熱通道玻璃幕墻、通風系統、智能化控制系統、遮陽系統、空調系統、環境監測系統等。它可以根據外界自然條件的變化自動調節功能，高效地利用能源。目前，世界范圍內已建成的智能玻璃幕墻為數不多。

我國的建筑幕墻工業起步比較晚，上世紀90年代開始引人我國建筑業，現在我國已成為世界第一幕墻生產大國和使用大國，正在向世界幕墻強國發展。隨著綠色、節能觀念不斷深入人心，包括開發商，建筑師等都對雙層玻璃幕墻這種新型的、具有顯著節能效果的幕墻構造給予很大的關注，并尋求在新建項目中采用。隨著世界能源危機的日趨加劇，能耗嚴重的玻璃幕墻建筑急需采用綠色節能技術來降低能耗，提高建筑的舒適性，甚至希望其能產生能源供建筑消耗?？v觀國外建筑玻璃幕墻發展的歷程與經驗，我國的建筑玻璃幕墻設計和生產只能也必須向環保、節能與智能化發展。

二、建筑幕墻節能技術分析

(一)新型構造技術在建筑幕墻節能設計中應用

在大型公共建筑玻璃幕墻設計中，許多新的構造技術得以應用，如雙層玻璃幕墻、利用水幕降溫的玻璃幕墻、可進行雨水收集的玻璃幕墻等。最能體現利用構造技術來達到綠色節能目的的應當首選雙層玻璃幕墻。它是目前應用最廣泛，節能效果最好，研究最為深入的節能玻璃幕墻。

雙層玻璃幕墻由內、外兩層玻璃幕墻組成。外層幕墻一般采用隱框、明框或點式玻璃幕墻，內層幕墻一般采用明框幕墻或鋁合金門窗。雙層玻璃幕墻主要是針對普通玻璃幕墻耗能高、室內空氣質量關等問題，用雙層體系作圍護結構，提供自然通風和采光、增加室內之空間舒適度、降低能耗，從而較好地解決了自然采光和節能之間的矛盾。使得幕墻的保溫、隔音、通風等性能都得到了很大的提高，它比傳統的玻璃幕墻采暖時節約能源42％－52％，制冷時節約能源38％－60％。

雙層玻璃幕墻根據通風層的結構的不同可分為“封閉式內循環體系”和“敞開式外循環體系”兩種體系。前者一般在冬季較為寒冷的地區使用，外層玻璃幕墻原則上是完全封閉的，一般由斷熱型材與中空鋼化玻璃組成，內層一般為單片鋼化玻璃組成的玻璃幕墻或可開啟窗；后者即為我們常說的呼吸式雙層玻璃幕墻，外層是由單層玻璃與非斷熱型材組成的玻璃幕墻，內層幕墻是隔熱或斷熱明的明框幕墻或單元幕墻。“敞開式外循環體系”作為一種更新形式的雙層玻璃幕墻系統得到了廣泛應用。根據構造形式以及通風方式的不同，呼吸式雙層玻璃幕墻一般采用以下幾種類型：箱式雙層玻璃幕墻，井箱式雙層玻璃幕墻，走廊式雙層玻璃幕墻，多層式玻璃幕墻，可開啟式雙層玻璃幕墻。呼吸式雙層玻璃幕墻根據構件在工廠的加工程度以及在結構主體上安裝工藝的不同，可以分為構件式和單元式兩種玻璃幕墻。

玻璃幕墻是現代高層建筑較多采用的外圍護結構，是建筑物熱交換、熱傳導最活躍、最敏感的部位，單層玻璃幕墻的能耗約占整個建筑能耗的40％左右。建筑遮陽可以阻斷直射陽光透過玻璃進入室內，防止陽光過分照射和加熱建筑圍護結構，防止直射陽光造成的強烈眩光。在所有的被動式節能措施中。建筑遮陽也許是最為立竿見影的有效方法。玻璃幕墻上設置遮陽系統，可以最大限度減少陽光的直接照射，從而避免室內過熱，是建筑防熱的主要措施之一。根據遮陽構件的形狀與效果，遮陽一般分為五種形式：水平遮陽、垂直遮陽、綜合式遮陽、擋板式遮陽和百葉式遮陽。遮陽措施種類繁多，針對特定的建筑項目的不同地理位置、朝向以及特定的用途，不存在某一種遮陽措施普遍適用的情況。

(二)新型材料在建筑幕墻節能設計中應用

玻璃幕墻和窗戶的能耗約占建筑總能耗的50％，要達到超低能耗的目的，玻璃幕墻和窗戶采用高性能的節能玻璃是一個重要的方面。目前常用的玻璃有浮法玻璃、中空玻璃、熱反射膜玻璃、低輻射玻璃(LOW－E玻璃)、鋼化玻璃、夾膠玻璃等。隨著現代科技水平的迅速提高和應用技術的日新月異，各種功能獨特的玻璃紛紛問世，興旺了玻璃家族。國內采用的幾種節能玻璃材料主要有：熱反射鍍膜玻璃又稱陽光控制鍍膜玻璃，是指具有反射太陽能作用的鍍膜玻璃；對可見光高通透，對紅外線輻射高反射，特別是對遠紅外輻射有極高的反射率，可讓80％的可見光進入室內，同時又能將90％以上的室內物體所輻射的長波保留在室內，透明性很好的低輻射玻璃(LOW－E玻璃)；多功能鍍膜玻璃又稱保溫鍍膜玻璃，它是一種不僅能反射較寬頻帶的紅外線，還具有較高的可見光透射率的薄膜型熱反射新型復合材料貼膜玻璃；通過在兩層平板玻璃中間利用間隔框架隔開，周邊密封，充入干燥空氣并填入少量干燥劑保持空氣干燥而制得的中空玻璃；比中空玻璃更好的隔熱、保溫性能，其保溫性能是中空玻璃的2倍，是單片普通玻璃的4倍的真空玻璃。

通常玻璃幕墻所用材料基本上包括骨架、玻璃和封條材料。按材料的組成及構造形式分有四種：型鋼骨架、鋁合金型材骨架、不露骨架結構及無骨架玻璃幕墻。其中不露骨架結構及無骨架玻璃幕墻均無金屬框架，其

幕墻的導熱系數均有玻璃本身和封條材料的性能來決定，封條材料的材料大多為密封膠和密封條。型鋼骨架及鋁合金型材骨架玻璃幕墻因采用金屬框架，容易形成冷橋和熱橋，因此，金屬框架材料的選定對于玻璃幕墻的節能具有非常重要的意義。目前采用的新型斷熱金屬框名稱很多，但大多數都是在內外兩種高導熱性的金屬框料之間插入低導熱性的隔離物，形成有效斷熱層，阻斷通過門窗框或窗扇型材散失熱量的途徑，統稱為斷熱型材。斷熱型材結構合理、結合牢固、強度高、剛性好、熱阻大，而且具有優良的隔聲節能性能、抗風性能和氣密水密性能。斷熱型材早期多用于平開窗，后來逐漸用于有框玻璃幕墻。

(三)控制技術在建筑玻璃幕墻設計應用

智能玻璃幕墻(Intelligent glass facade)是指玻璃幕墻以一種動態的形式，根據外界氣候環境的變化，自動調節玻璃幕墻的保溫、遮陽、通風系統，最大限度地降低建筑物的能源消耗，同時最大限度地創造出宜人的室內環境，主要通過雙層玻璃幕墻的形式得以實現。智能玻璃幕墻是呼吸式玻璃幕墻的延伸，在智能化建筑的基礎上將建筑配套技術(暖、熱、光、電)適度控制，將幕墻材料、太陽能有效利用后，通過計算機網絡有效的調節室內空氣、溫度和光線，從而節省了建筑使用中能源的消耗，降低了生產和建筑物使用過程中的費用。

智能玻璃幕墻的設計是先進的整體建筑能耗平衡設計的重要組成部分，通過外墻構造的調節機制，配合整個建筑技術設備之間的互動，以達到能源優化效果，智能玻璃幕墻設計原則一般有，利用太陽輻射熱，節約冬季采暖所需能源；最大限度利用自然采光以減少人工照明；精心組織自然通風與排風系統，以減少同能能耗；利用建筑樓板、墻體的蓄熱性和晝夜溫差，減少夏季制冷需求量：各種幕墻機制、通風、遮陽、蓄熱和建筑空調供暖、通風等相互之間智能配合，以達到最高效率。

(四)光電技術在玻璃幕墻設計中應用

近年來，分布式光電效應已經成為這一技術最具市場潛力的組成部分，大多數都應用于建筑領域，我們可以預測，太陽能光電系統必將成為未來建筑的大勢所趨。如果在大型公共建筑玻璃幕墻中應用太陽能光電效應發電，玻璃幕墻的節能設計將從被動節能變為主動產生能量供建筑內部消耗，從根本上解決玻璃幕墻建筑能耗巨大的現狀。

建筑光電一體化(BiPV)就是將太陽能光電效應發電技術與樓體的建設結合在一起，應用到建筑的制冷、采暖、照明、電器等能耗活動中，使光伏元器件及系統與建筑物相互結合，融為一體，成為建筑物的有機組成部分。光電一體化是將光電模塊與建筑外殼相結合，其模塊具有雙重功能，既作為建筑外殼部分或全部取代傳統建筑外維護材料，也作為發電元件，利用光電效應發電供建筑使用。光電玻璃幕墻可分為以下幾類：

(1)垂直光電幕墻，是使用的較為普遍的一種光伏組件在建筑上的應用形式，根據設計需要，可以用透明、半透明和普通的透明玻璃結合使用，創造出不同的建筑立面和室內光影效果：

(2)鋸齒式光電玻璃幕墻，可以分為鋸齒式垂直光電幕墻和鋸齒式水平光電幕墻；

(3)風箱式光電玻璃幕墻，可以設以設計成雙層光電玻璃幕墻，外層的光電幕墻可作為建筑的表皮，接收陽光的輻射，中間空氣層可以給光電板降溫，冬季室內也可以利用這種熱能；

(4)傾斜式的光電幕墻的應用與垂直式光電幕墻的應用類似，立面可以可以是平面或臺階式的，通過選用透明、半透明或不透明光電板進行組合，可設計出豐富的立面效果和室內光影效果；

(5)結構式光電玻璃幕墻，是可以作為建筑的承重構建，不同種類和透明度的光伏板和普通玻璃可以任意結合，創造出非常豐富的立面效果；

(6)獨立太陽能光電立面，是指光伏系統和玻璃幕墻相對分離，這種模式適合于對現有建筑的節能改造。光伏系統作為后加的設備，美觀、結構、安裝的安全性問題都需要很好考慮；

(7)柔性太陽能光電板，把光伏模塊安裝在薄的金屬片或者是柔性的合成材料上，可以根據墻面或屋面的走向來設置，有很大的自由度，解決了在一些現代建筑中曲面上不好安裝光電板的問題。

三、結語

我國玻璃幕墻設計將由重功能、限造價的現狀逐步轉變為強調功能、節約能源的要求，達到人工環境和自然環境關系的協調統一，為人們創造出更加豐富多彩的工作和生活環境。本文對目前應用最為廣泛、最有發展前途的玻璃幕墻的主要綠色節能技術進行了總結和探討，希望能夠對今后的玻璃幕墻節能設計實踐提供借鑒和參考作用。