基于綠色環保視角下高層建筑玻璃幕墻節能改造技術的應用

張兆鑫 二道河農場工程建設管理部

1 前言

建筑行業快速發展的同時，多種新型建筑技術及材料得到廣泛應用，其中玻璃幕墻是應用較多的建筑形式，既能提高建筑美觀度，也可增強建筑采光效果，可使建筑建造水平得以大幅提升。然而玻璃幕墻應用時的安全風險系數較高，并且能源消耗量較大，不利于建筑行業的低碳化與長效發展。為在建筑行業踐行可持續發展理念，需要依托綠色節能環保技術改善玻璃幕墻高能源消耗的現狀，通過新型玻璃幕墻、新型節能技術的有效應用對能耗高的高層建筑進行玻璃幕墻的節能改造，以進一步增強玻璃幕墻的節能性與環保性。

2 基于綠色環保視角的建筑玻璃幕墻綠色節能設計要點

2.1 保溫隔熱設計

建筑設計中應用玻璃幕墻之后建筑采光效果可得到改善，然而由于夏季時節較為炎熱，安裝了玻璃幕墻的建筑物內部空間溫度升高速度較快，因而需應用空調設施調節室內溫度，如此會增大電力能源的消耗量。同時，應用玻璃幕墻冬季會因室內空間溫度較低而要開啟加熱裝置。為保持室內溫度的適宜性，節能設計時要將保溫隔熱設計作為重點，從而減少冬夏時節因利用空調或采暖措施調節室內溫度所產生的能量損耗。

2.2 玻璃幕墻遮陽設計

玻璃幕墻遮陽設計是維持室內正常溫度的重要手段，主要目的是防止陽光直射在幕墻之上，從而平衡室內溫度。玻璃幕墻遮陽的方法主要有三種：一是利用遮陽性能較高的幕墻阻隔熱量進入，以使室內空間的溫度保持平衡；二是于建筑室內安裝遮陽物，進而達到遮擋室外陽光進入的目的，此種遮陽方法應用時，需要結合建筑及室內空間的具體情況篩選最為適宜的遮陽物；三是將遮陽物安裝于室外，以便實現建筑室內空間溫度的有效保持。

2.3 自然通風

玻璃幕墻設計時需要將通風情況納入考量。通常玻璃幕墻在寫字樓等高層建筑裝飾上較為常用，這種建筑往往內部人員眾多，若是通風狀況不佳會對室內人員身體健康產生不利影響，需要通過合理的通風設計規避這一問題，同時良好的通風設計也可有效降低室內通風系統的能源消耗量。通風設計時，主要是要控制好幕墻外窗的設置數量，若外窗數量不足會影響通風質量，而外窗數量設置過多則會使室內溫度過度流失。為此，玻璃外窗數量的合理設置以及密閉性的有效保持是玻璃幕墻保持良好通風性、具備優良節能效果的關鍵所在。

3 玻璃幕墻設計中綠色節能技術的具體應用

3.1 雙層玻璃幕墻的應用

雙層玻璃幕墻是由兩層玻璃組合而成的玻璃幕墻，兩層玻璃的構造并不相同，外層與內層的玻璃幕墻通常分別應用的是點式或明框式。在建筑玻璃幕墻節能設計中，雙層玻璃幕墻的應用率較高。設計時，需要注重玻璃幕墻材料的科學選用，并應合理設置通風口，通過這兩個要點的合理把控可有效增強雙層玻璃幕墻的節能性。同時，還需要整合分析建筑玻璃幕墻的綠色節能設計方案，并對其隔音效果展開探討，而后合理設置玻璃幕墻通風層的寬度，并確保空氣層厚度的科學設定。通常空氣層厚度以不高于10cm為最佳。此外，由于外界環境因素會對雙層玻璃幕墻的應用效果產生影響，因而要控制好參數。目前，建筑綠色節能改造常用的雙層玻璃幕墻主要為箱式雙層玻璃幕墻，此外，走廊式雙層玻璃幕墻在高層建筑中應用率也相對較高。

3.2 節能型幕墻的應用

綠色環保視域下的建筑玻璃幕墻設計，需要有效彰顯綠色低碳、能源節源等特點，因而需要結合建筑的實際情況選用適合的幕墻玻璃材料，以此增強玻璃幕墻設計的節能性。例如，建筑建設地點位于南方冬夏溫差較小的區域，則可利用具備高吸熱能力的玻璃材料制作玻璃幕墻，或是利用高反射能力的玻璃材料。若是在北方地區建設裝有玻璃幕墻的建筑，由于夏季與冬節溫度差異較大，最好選用中空玻璃并且篩選輻射相對較低的種類，以此降低光污染。現階段，在高層建筑設計時中空玻璃幕墻較為常用，具體應用時可設置間隔框使中部玻璃架空，同時要做好中空玻璃幕墻的密封設計，可將惰性氣體充入中空玻璃之內，再將干燥劑放入其中，以降低中空玻璃空氣層的溫度，進而提高建筑玻璃幕墻的保溫性與隔熱性。

3.3 新型節能技術的應用

3.3.1 基于光電技術的光電玻璃幕墻

光電玻璃幕墻是以光電技術為支撐，對光能、熱能進行有效吸收并將之轉化為新的能源，以此減少資源浪費、強化玻璃幕墻節能性的新型玻璃幕墻。光電玻璃幕墻主要利用的是太陽能，需要制作與應用太陽能電池組，并融合在玻璃幕墻上，用線路進行不同玻璃的連接，并使之構建成整體性的玻璃幕墻。光電玻璃幕墻的應用可有效降低玻璃幕墻的能源損耗，同時也可延長幕墻的應用年限，從而確保玻璃幕墻應用價值的最大化發揮。

3.3.2 基于智能控制技術的智能玻璃幕墻

智能玻璃幕墻是將計算機融入到玻璃幕墻之中，通過控制技術應用而實現玻璃幕墻溫度自動化調控的新型玻璃幕墻。智能玻璃幕墻可結合氣候變化情況自主進行溫度的適度調節，以此提升室內環境的舒適性，此幕墻應用時所產生的能源損耗量較低。可在計算機上連接光電元件，如果建筑室內及室外溫度出現較大偏差，則可在網絡支持下通過計算機智能化調節室內的溫度。建筑玻璃幕墻中應用智能控制技術的優勢十分顯著，相較于傳統玻璃幕墻而言，智能玻璃幕墻節約的能源量約為30%。但智能控制幕墻應用的弊端是智能控制技術費用高昂，投資較大，但未來經過技術不斷優化之后，此種新型玻璃幕墻的應用將會越來越廣泛。

4 綠色環保視域下高層建筑節能改造技術應用實例分析

4.1 工程概況

某高層建筑共為36層（包含地下兩層），建筑總高度為142m，幕墻制作材料是石材及玻璃，總面積為1.9萬平方米，其中，石材幕墻總安裝面積為1.43萬平方米，而玻璃幕墻的面積為0.47萬平方米。建筑南立面面積約4970m2，并且窗戶總面積為1800m2，窗墻面積比為0.36。

4.2 玻璃幕墻應用現狀分析

本建筑落成十幾年，長時間應用下玻璃幕墻的性能有所下降，特別是熱工性能低于如今新高層建筑玻璃幕墻的節能標準，為增強此建筑玻璃幕墻的節能效果，需要基于綠色節能理念的應用對其進行改造，改造前需了解玻璃幕墻現狀，并對其熱工性能進行詳細分析。

4.2.1 熱工性能

此高層建筑的玻璃幕墻以厚度為10mm的藍色單片玻璃材料為主，因建筑建設時間較早，因而玻璃材料質保證書不齊全，評價玻璃幕墻中熱工性能時發現，本工程的窗墻面積比為0.36，南立面玻璃傳熱系數為5.10W/(m2·K），并且玻璃遮陽系數僅為0.43。

4.2.2 節能隱患

按照國家傳熱系數標準，窗墻面積比介于0.3與0.4范圍間的玻璃傳熱系數應為3.0W/(m2·K），且玻璃幕墻遮陽系數應不低于0.50，而本工程的傳數系數比規定標準更高，遮陽系數卻低于規定標準，說明此高層建筑玻璃幕墻的傳熱系數、遮陽系數均不達標。除了本工程玻璃幕墻熱工性能相對較低以外，因玻璃幕墻應用時限較長，密封膠存在老化現象，玻璃貼膜的老化情況也較為嚴重，因而玻璃幕墻存在較高的節能隱患，必須加以改造。

4.3 玻璃幕墻節能改造具體方法

本高層建筑玻璃幕墻的節能改造應以幕墻熱工性能分析結果作為依據，并需結合國家相關制度及標準，對玻璃幕墻節能改造的技術方法進行分析，而后得出以下幾個改造建議。

4.3.1 選擇適合的窗墻面積比

通常而言，建筑窗墻面積比與建筑玻璃幕墻的傳熱系數、遮陽系數之間是成反比關系的，也就是說，窗墻面積比越大的玻璃幕墻的傳熱系數越高，且遮陽系數也越低，因而其圍護結構的性能也相對較低。然而本工程熱工性能分析時發現，本工程總窗墻面積比為0.36，但局部區域達到了0.8以上，這是導致其傳熱系數、遮陽系數不達標的主要原因。因而本工程玻璃幕墻綠色節能改造時，首先要對窗墻面積比進行合理調整。窗墻面積比調節時有三種方式：一是橫向組合，二是縱向組合，三是縱模向組合。調整過程中，應選用不具透光性的鋁材或石材材料取代透光性玻璃面板，也可將之替換為透光性不佳的玻璃結合材料。調節窗墻面積比時，若選用鋁板、石材等非玻璃材料，需要結合建筑圍護結構外立面搭配效果進行分析，并應將材料應用后的建筑室內空間功能影響納入分析，部分玻璃幕墻的熱工性能要求較低時，傳熱系數、遮陽系數要求也應酌情降低。

4.3.2 科學選用玻璃材料

本高層建筑采用的是金屬框、玻璃兩種材料為主的玻璃幕墻，并且玻璃應用面積較大，因而應通過玻璃材料的合理選用對玻璃幕墻的得熱與傳熱效果進行控制。同時，玻璃幕墻施工周期較長，存在一定的安全系數，因而還需要對玻璃幕墻的面板實施改造。本工程可通過貼膜的方法調節玻璃K值，也可降低玻璃幕墻的光學性能。針對存在嚴重老化問題的玻璃，則可利用低K值中空雙層玻璃替換原有玻璃，這是由于雙層玻璃幕墻之間存在封閉空間，幕墻下部進入的空氣會經由上部排風口排出，因此建筑空間空氣流通性良好，可增強幕墻通風性、改善熱交換性能，可有效降低太陽能輻射對室內空間所產生的影響，同時也能夠減少能源的損耗。雙層玻璃幕墻的中空玻璃結構形式以5mm+6A+5mm為最佳，此種玻璃K值比原有玻璃K值更低，僅為2.079W/(m2·K）。幕墻玻璃材料節能改造完成后，還可利用有限元軟件ANSYS驗算分析內外片玻璃的強度以及撓度值，若玻璃強度不低為84MPa、允許撓度不超過21mm，則符合設計標準，說明此改造方案可有效提高本高層建筑玻璃幕墻的保溫隔熱效果。

4.3.3 優化幕墻傳熱性能

若部分區域的玻璃幕墻無需更換玻璃材料，則需重點優化玻璃材料的傳熱性能。改造過程中，應以窗墻面積比選擇方案為基準，對幕墻組成材料的傳熱系數進行降低，因此，可利用隔熱斷橋鋁材對原有玻璃材料進行替換，從而使玻璃幕墻的熱阻效果得到相應程度的提升。隔熱斷橋鋁型材可通過隔熱條對鋁合金型材進行分隔，使之成為兩部分結構，并且熱橋所應用的材料是傳熱系數為0.3W/(m2·K）的聚酚胺尼龍66，此種材料的力學性能接近鋁合金，因此，在無需更換玻璃的幕墻改造中，應當選用隔熱斷橋鋁型材，可使玻璃幕墻的傳熱系數得到有效優化。

4.3.4 改善玻璃幕墻遮陽效果

不更換玻璃幕墻的建筑工程中，還需要對幕墻的遮陽效果進行改良。由于本高層建筑工程具備較大范圍的幕墻透明區，因而夏季時節室內空間的溫度較高，為降低室內溫度需要應用空調，從而會產生大量電能損耗。為此，遮陽效果改善時應選用綜合遮陽改造法，即同時針對屋面、墻面、窗口進行遮陽處理并應用綠化遮陽方式。窗口遮陽改造時要確保窗口通風、采光以及采暖等功能的正常發揮，同時還要注重于強化遮陽效果的持久性發揮。通過此種方法進行遮陽改造之后，本高層建筑在太陽輻射強度不變的條件下，遮陽效果可下降60%左右。

4.3.5 調節幕墻的氣密性

幕墻氣密性也是高層建筑節能改造的重點，本工程正是由于玻璃幕墻氣密性效果不佳而導致空氣流動速度過快，使熱能產生了較為快速的消耗。為此，本工程節能改造過程中，應以國家規定玻璃幕墻氣密性等級標準為依據，通過幕墻開啟縫寬度、長度的有效降低增強幕墻的氣密性效果。氣密性調節過程中，可在玻璃幕墻左側、右側以及下部區域增加襯墊材料或密封條，并利用密封材料填充縫隙以增強玻璃幕墻的氣密性效果。同時，還應對玻璃幕墻之上安裝的五金件進行檢查，及時更換老化部件，以此增強玻璃幕墻的壓實強度。

5 結束語

高層建筑應用玻璃幕墻可有效提升建筑的美觀性，但是產生的高能源損耗不容忽視。因而玻璃幕墻設計及改造中可引入綠色節能技術，從而打造出更加安全可靠、能源損耗更小、低碳環保的建筑工程。高層建筑玻璃幕墻節能效果的高低主要體現于遮陽系數、傳熱系數兩個方面，因此，基于綠色節能環保視角的玻璃幕墻節能改造需要選擇適合的窗墻面積比、科學選用玻璃材料，同時還要優化幕墻傳熱性能、改善玻璃幕墻遮陽效果、調節幕墻的氣密性。實踐應用中，由于不同建筑玻璃幕墻因改造條件并不相同、改造要求存在差異，因而節能改造方法應用時還應根據工程實際情況適度調整，從而保障高層建筑玻璃幕墻的節能改造效果。