玻璃幕墻中的節能設計及施工措施研討

摘 要：作為幕墻從業人員，從設計、材料使用、施工工藝等各方面探討幕墻節能的有關問題，分析原因，提出解決辦法。

關鍵詞：耗能；對策；新技術

我國是幕墻生產大國，每年7000萬平法米以上的幕墻生產量，占世界的75%。我國建筑能耗是相同氣候條件發達國家建筑能耗的2到3倍，建筑節能65%主要由建筑圍護系統承擔。在全世界各行業各環節都在節能減排的大背景下，如何減少幕墻生產的能耗，是我們幕墻從業人員面臨的一個新課題。作為一個專業公司的從業人員，結合自身的工作實踐，將有關幕墻設計、施工以過程中的節能問題做一個總結及探討。

一 幕墻耗能分析及對策

玻璃幕墻是建筑維護系統中的重要組成部分，不但滿足采光、通風等基本需要，還有保溫、隔熱的性能。由于美學的需要，建筑圍護結構大量采用了幕墻系統，增加美觀的同時，不可避免的增加了建筑能耗。如何在美學和節能方面達到一個相對平衡的統一，是一個在幕墻從業人員需要去面對的問題。首先我們需要從幕墻耗能的基本原因去分析問題。

（１）幕墻耗能客觀因素

玻璃幕墻的傳熱方式一般有輻射傳熱、對流傳熱、導熱方式、換氣傳熱四種形式。幕墻從各種渠道吸收熱量，使之具有熱能。其中一部分由本體結構以導熱方式傳向室外部，而另一部分以輻射的形式從其表面向大氣輻射，還有一部分借助氣流以對流的方式傳遞給周圍的空氣介質。幕墻就是這樣不間斷的進行著熱傳導和熱交換。幕墻的輻射傳熱決定于下列因素：表面溫度；玻璃和框架材料及表面粗糙度、表面黑度。幕墻兩側空氣介質的氣流與幕墻表面間的熱量傳遞過程稱為對流傳熱或對流換熱。室內局部熱源引起的溫度差會形成熱對流，流動的空氣介質作用在幕墻表面就會產生熱交換。

導熱是指熱能在其結構體內額轉移。是由其結構的表面接受熱能，因此兩側存在穩定溫度差。結構內部分子和原子因溫度差而產生微觀運動引起的熱傳導叫導熱。幕墻由玻璃和框架組成，而玻璃導熱系數很小，建筑的導熱主要發生在框架的結構部分，導熱系數大的鋁合金框架呈現“熱橋”（或“冷橋”）效應。由于熱橋（冷橋）的存在，造成幕墻表面溫度分部不均勻，同時在局部出現結露或結霜。實際考慮幕墻導熱時，可按平均導熱系數計算到熱量。雖然玻璃導熱性差，但表面換熱性強，熱輻射率高，因此玻璃的傳熱系數大。據英國鋁門窗聯合會測定，單層玻璃(4-6MM)的傳熱系數為5.7W/(M2.℃)，雙層玻璃傳熱系數為2.8W/(M2.℃)，三層為2.0W/(M2.℃)。因此玻璃的傳熱性能較墻體的傳熱大得多，玻璃的節能效果占幕墻節能的80%。幕墻框架之間結構縫隙的存在，氣密性能的不同，氣流穿透幕墻縫隙，產生因兩側間空氣流通引起的傳熱，稱為換氣傳熱。在幕墻采光面積較大時，氣密性能與建筑物的熱損失關系甚大。

綜上所述，幕墻傳熱是以輻射、對流、導熱、換氣等四種方式綜合進行的。就是這些復雜的傳熱現象，使幕墻成為建筑物失熱最多的部分。

（２）設計因素

許多開發商或設計師為追求建筑外觀的新穎及采光的要求，大量采用通透式全玻幕墻；無論朝向，均使用玻璃維護結構；為了通風又大量的增加開啟扇。其實玻璃無論怎么“中空隔熱”，無論開啟扇如何密閉保溫，幕墻的節能效果都比墻體差得遠，一面面敞亮的窗體，其實就是建筑物耗能張開的“血盆大口”。設計師或投資方欠缺節能設計的經驗，缺少節能環保的概念是導致建筑體成為耗能大戶的重要因素。

（３）材料使用因素

如前所述，幕墻的重要組成部分是玻璃和鋁材。玻璃選擇不當，將致使夏季透過玻璃的太陽能是其它材料墻體的數倍；所用的型材、保溫隔熱材料、填充材料不合理，節點做法不正確，構件間未有效設置墊片，將使得室內熱能損失量大；選用的密封膠粘結效果差，膠縫施工不到位，膠條密封不嚴，結構變形產生裂縫，將導致冷、熱風滲透情況嚴重，增加幕墻的換氣傳熱。

二 節能設計控制要點

（１）減少透明玻璃幕墻的使用面積

這是個根本的減低能耗的措施。玻璃幕墻使用面積的減少，在夏季可降低熱透射量，使室內不至于過熱，降低空調的能耗；冬季則可減少熱交換熱量，從而降低由于玻璃的保溫性能差造成的熱損失。在目前一些高層辦公建筑設計中，為了追求立面的效果，減少幕墻的使用面積并非是個很好的選擇。但是，我們設計師可以做些變通，如在某些次要立面上做兩層外墻，內層為實體墻，外層為玻璃幕墻，從而減少透明幕墻的面積又不至于影響建筑的外立面效果。

（２）建筑物的合理布局

建筑總平面的規劃布置和平面設計，應有利于夏季減少得熱和充分利用通風季節和通風時段的自然通風。建筑的主要朝向宜在南偏東15°至南偏西15°范圍內，不宜超出南偏東45°至南偏西30°的范圍，主要房間宜避開夏季最大日射朝向。不宜將主要辦公室、客房等設置在正東、正西和西北方向。不宜在建筑的正東、正西和西偏北、東偏北方向設置大面積的玻璃門窗或玻璃幕墻。必須在設計文件中注明選用的節能材料或產品的節能性能指標要求，如傳熱系數、可見光透光率、遮陽系數、氣密性、采光系數或采光窗地面積比、窗墻面積比等。如選用的建筑材料熱工性能不明確時，應以法定檢測機構的檢測報告或模擬計算報告提供的數據為依據。

三 節能材料使用要點

選材盡量采用鍍鏌玻璃，Low-E玻璃、熱反射玻璃、中空玻璃等玻璃處理技術。因此類玻璃的鏌層能有效阻礙太陽能向室內輻射。如采用單片鍍鏌玻璃時，應使用在線熱噴法生產的產品（膜層牢固、耐久性好）。玻璃的厚度關系到結構安全，同時也影響熱能的透射量，當采用框支承幕墻時，單片玻璃厚度不應小于6毫米，夾層玻璃的單片厚度不宜小于5毫米。型材選用鋁塑復合材料、\"斷熱橋\"型材等高熱阻材料應用技術，此種材料的使用可有效降低熱橋（冷橋）效應，減少幕墻的平局導熱系數，降低幕墻的能耗。保溫隔熱材料在節能方面扮演著重要角色，同時還強化了防火功能。幕墻工程宜采用巖棉、礦棉、玻璃棉等充當保溫隔熱材料，其優點是保溫隔熱性能好，導熱系數只有0.044W/(m﹒K)，最高使用溫度達到650℃。玻璃與鋁型材副框間結構性粘結必須采用中性硅酮結構密封膠，這種結構膠性能穩定（使用溫度為-48－88℃、耐熱性達150℃、冷變形不明顯）、粘結力強。但全玻幕墻和點支承幕墻采用鍍膜玻璃時，不應采用酸性硅酮結構密封膠粘結（鍍膜層所含的金屬元素與酸性膠反應將致使粘結破壞）。耐候密封膠應采用硅酮建筑密封膠。硅酮密封膠耐紫外線性能好，因此經久耐用、不宜老化龜裂，且與硅酮結構膠、玻璃及其它構件有良好相容性，粘結效果好。玻璃與玻璃、型材槽壁間縫處采用密度不大于0.037g/㎝３的聚乙烯泡沫棒作填充材料，此材料質量輕、保溫性能好。玻璃幕墻開啟窗的周邊縫隙、明框幕墻玻璃與型材間隙宜采用三元乙丙橡膠、氯丁橡膠或硅橡膠密封，其中硅橡膠（耐候性好、永久變形小）質量最佳。這一點在幕墻工程中容易被人們忽視，認為橡膠條作用不大。其實不然，如果橡膠條老化，則會產生漏水、透氣等嚴重問題，影響幕墻保溫隔熱效果。

四 節能施工工藝控制要點

編制施工組織設計，內容要全面并有針對性，節能方面的施工措施要符合要求。對工程施工人員做好崗前培訓及技術交底工作，就節能作業方面的內容進行重點交底。組織材料進場，檢查主要材料、構配件的規格、型號、性能與設計文件要求是否相符，合格證、檢驗報告、質量保證書是否齊全。

施工階段，金屬材料、構配件連接處的柔性墊片、塊設置要到位，立柱上下端與主體結構間要留縫注膠密封。結構膠施工車間溫度、濕度、衛生情況應符合要求，結構膠施工要規范，施工后養護條件及養護時間要符合要求。幕墻與各層樓板、隔墻外沿間封堵巖棉（礦棉）應填充密實、厚度不應小于100毫米。所采用的保溫材料如無防潮性能，則不得在受潮后使用。工程施工中經常碰到填塞保溫材料后未及時有效封蓋，遇雨天進水、在雨天搬運保溫材料時受潮或堆場設置不合理被水浸泡等情況，使得該材料保溫性能明顯降低，因此施工時要采取防潮措施確保保溫材料的保溫性能。

開啟窗扇與框間采用兩道橡膠條密封，橡膠條拼接應嚴密（接縫處可注膠密封），窗框料轉角拼接處要注膠密封。耐候膠施工前要清潔玻璃打膠面。注意不宜在夜晚、雨天打耐候膠，在接縫內打耐候膠應兩對面粘結，不應三面粘結（如三面粘結，耐候膠經反復拉壓后會被撕裂，從而失去密封作用），其施工寬度不宜小于2倍的施工厚度。節點作法，開啟窗部位是玻璃幕墻中保溫隔熱的薄弱環節。由空氣滲透性能檢測數據可知，在同壓力差下，可開啟部位的空氣滲透量遠大于固定部位空氣滲透量。因此，開啟窗部位開啟角度不宜大于30°，開啟距離不宜大于300毫米，同時要注意在立面分格設計中開啟窗設置數量不宜過多、面積不宜過大。不同金屬材料（如連接件與主柱間）接觸處，應合理設置絕緣墊片隔離。設置絕緣墊片可防電化腐蝕，另外間接起到了斷熱作用．立柱與橫梁接觸處設置柔性墊片，橫梁兩端與立柱間隙可預留1－2毫米的間隙，間隙內填膠。此做法有利于減少幕墻噪音，同時也起到了斷熱作用（半隱框、明框玻璃幕墻因型材外露此作用更加明顯）。隱框幕墻采用掛鉤式連接固定玻璃組件時，掛鉤面要設置柔性墊片，明框、全玻幕墻玻璃下端與金屬槽間應采用彈性墊塊支承。采用墊片、墊塊一方面防玻璃與掛鉤硬性接觸而應力集中、導致玻璃開裂，另一方面也有著斷熱作用。玻璃幕墻與周邊構件、實體墻面洞口邊緣、樓板或隔墻外沿間的縫隙處要設置保溫材料，進行有效封堵設計，確保玻璃幕墻保溫性能。玻璃幕墻的單元板塊不應跨越主體建筑的變形縫。在主體建筑變形縫處幕墻應采用合理的構造措施，適應建筑變形的要求，有些玻璃幕墻工程因變形縫處幕墻結構設計不當，在投入使用后不到一年，因建筑主體沉降、溫度伸縮的影響，此處幕墻出現拉裂、破壞，以致漏水、透氣。

玻璃幕墻的三性試驗要由現場見證取樣送國家認可的檢驗機構完成。檢測出的空氣滲透量是衡量幕墻工程節能的主要因素之一，空氣滲透性能等級應符合現行國家標準《建筑幕墻物理性能分級》GB/T15225的規定（有采暖、通風、空氣調節要求時，不應低于3級）。抗風壓變形性能、雨水滲漏性能與節能方面也密切相關，因此整個試驗絕不能馬虎、走過場。在試驗室拼接的單元應與工程計算書中最不利部位的玻璃幕墻單元相同，試驗中，由于安裝缺陷而使試驗結果未達到要求時，允許在改進安裝工藝、修補缺陷后重新檢測。檢測報告中應敘述改進的內容，幕墻工程施工時應按改進后的安裝工藝實施。由于設計或材料缺陷導致檢測結果未達到要求時應停止檢測，在修改設計或更換材料后重新制作試件，另行檢測。

五 幕墻節能新技術發展展望

玻璃幕墻節能熱工設計的發展總趨向是：對于以采暖供熱為主的幕墻追求達到溫室效應，對于以空調制冷為主的幕墻追求達到冷房效果。為了達成這種效果，近幾年來很多值得關注的幕墻節能新技術得到了發展。這主要體現在各種高性能幕墻玻璃和新穎幕墻結構以及對太陽能的主動利用等三個方面。

（１）新型玻璃技術

近幾年出現的新型玻璃有陽光輻射控制玻璃、隔熱玻璃、隔聲玻璃、自清潔玻璃。其中陽光輻射控制玻璃通過改變玻璃的光學特性來實現對太陽能輻射的選擇性屏蔽或利用來達到環保節能效果；隔熱玻璃是在中空玻璃技術的基礎上出現的玻璃制造新技術，通過對雙層玻璃之間介質的選擇來達到練好的隔熱效果。

（2）新型幕墻結構--雙層幕墻體系

雙層幕墻的結構形式是多種多樣的。最簡單的就是建筑物外墻上的掛板式幕墻，主要用來遮雨、遮陽以及防風等。這也稱為開放式幕墻系統。這是近年來國內外幕墻市場上出現的一種明顯不同于傳統幕墻的新型節能幕墻。這種幕墻又稱為熱通道幕墻、呼吸式幕墻、通風式幕墻等。國外也有稱作主動式幕墻（Active Curtainwall）。這種幕墻采用雙層幕墻結構體系，外層采用透過率大的單層透明玻璃幕墻，如點式幕墻等，內層一般為中空玻璃幕墻。在兩層幕墻中間有一個一定寬度的空氣通道，在通道的上下兩端有進風和排風設施。通道的高度可以是一個或幾個層高，也可以是整個建筑高度。這種幕墻的節能原理在于：冬天時關閉進風和排風口，內外兩層幕墻中間的空氣由于陽光的照射溫度升高，像一個溫室。這樣等于提高了內側幕墻的外表面溫度，減少了室內熱量的散失，從而可以降低建筑物采暖的運行費用。夏天內外兩層幕墻之間的空氣溫度很高，這時打開空氣通道上下兩端的進排風口，由于熱煙囪效應，產生氣流，在通道內運動的氣流帶走通道內的熱量，這樣可以降低內側幕墻的外表面溫度，減弱了室外熱量對室內的影響，從而減少了空調負荷。通過將外側幕墻設計成封閉式，內側幕墻設計成開啟式，通過通道內上下兩端進排風口的調節在通道內形成負壓，利用室內兩則幕墻的壓差和開啟扇就可以在建筑物內形成氣流，進行通風換氣。這樣，通過對太陽輻射的有效利用，就可以顯著的節省能源。有分析資料顯示，這種雙層玻璃幕墻與傳統的單層玻璃幕墻相比，采暖時可以節約能源42%～52%，制冷時可以節約能源38%～60%！

（3）目前幕墻領域成功利用太陽能的技術是太陽光變向照明技術（Daylight Redirection System）和光電幕墻技術

１）太陽光變向照明技術：它取代了傳統的遮陽機構，利用幕墻上的光線反射裝置把室外的日光反射到室內的天花板上，再由天花板反射到工作或者生活區域，為人們提供照明。這樣的光照條件比傳統的以\"光柱\"形式進入室內的太陽光更為柔和、均勻，消除了由直接入射的強烈陽光在電腦或者電視屏幕上造成的眩光，并改善了日光在整個房間甚至建筑物的分布，可以深入到各個邊角區域，減少照明費用。２）光電幕墻：光電幕墻是光伏建筑一體化（BIPV）技術在幕墻領域的成功運用。光電幕墻是一種集發電、隔音、隔熱、安全、裝飾功能于一身的新型建筑幕墻。它利用太陽能發電技術，把以前被當作有害因素而屏蔽掉的太陽光，轉化為能被人們利用的電能。光電幕墻把太陽能發電技術集成到建筑幕墻產品中，不占用專門的土地，而且太陽能光電板也可以替代傳統的玻璃等幕墻面板材料，無需重復投資。

六 結束語

隨著我國國民經濟的快速發展，建筑業的發展也突飛猛進，建筑節能也得到相關部門的高度重視。建筑節能涉及內容廣泛，工作面廣，是一項系統工程。作為幕墻從業人員，能有幸參與到這樣的系統工程中來，是我們的驕傲和榮幸。無論是設計還是施工人員，如果都能具備歷史潮流發展觀，具備能源憂患意識，具備節能環保概念，從幕墻的設計、材料使用到施工各個環節，我們加大控制力度一定能有效控制幕墻的能耗，一定可以為建筑能耗的降低做出我們應有的貢獻。