綠色建筑外立面節能技術的實際應用

劉靜

摘 要：建筑外立面是建筑的直接可接觸的外在空間的界面，建筑外立面的節能設計的主要方式是將建筑外圍護結構的熱工性能以直接或者間接的形式進行改變，減少室外環境因素對外圍護結構和室內環境的影響，提高建筑舒適性、節約能源、增長建筑使用壽命的目的。

關鍵詞：綠色建筑；外立面；節能技術；循環利用

1 前言

不同建筑的外立面有著不同的設計方法、構造形式與美學特征。人們往往通過外立面的構圖、比例、尺度、材料、顏色、肌理、構造等元素評判建筑的技術和美學價值。因此，世界各地的建筑師們都十分重視對建筑外立面的處理方式。在傳統建筑中，建筑師多使用韻律、跳躍、對比等修辭手法或使用繪畫、雕刻等裝飾物展現建筑的藝術美。但是，自工業革命以后，鋼材、混凝土等更加堅固耐久的材料被廣泛應用于建筑中，造成了“方盒子”式的千篇一律的建筑形象，使人們對城市建筑逐漸產生了審美疲勞。隨著可持續建筑思想的發展，當今社會不僅要求建筑滿足實用功能和經濟需求，更需要追求其多元化的發展，既要體現其個性化的形態，又要滿足生態節能的時代要求。

2 建筑外立面理論概述

建筑外立面是建筑與外部直接接觸的界面，也是建筑的外在表現形式和構成方式。同時，建筑外立面也可以理解為內空間和外空間交界面的構件。在通常的定義下，建筑外立面的包含范圍是指，建筑外圍護部分中除屋頂外的所有可見空間。在實際的情況下，也存在一些難以區分的情景，比如特定幾何形體建筑的屋頂與墻體，這兩者會以連續的方式展示出來。為此，在現代建筑中，屋頂被稱為建筑的“第五立面”。作為建筑外立面的重要組成部分之一，屋頂的形式也直接影響著建筑的美觀和節能。

3建筑外立面節能設計原理

3.1建筑圍護結構與擾量

建筑外圍護結構和建筑內熱濕環境的擾量有許多，主要歸類為室外氣象擾量、室內熱濕擾量等外擾和內擾兩大類，建筑外立面通過改變外擾對建筑的影響達到節能的目的。

外擾因素主要包括：室外溫度、室外濕度，室外風速、風向，太陽輻射強度，以及相鄰建筑的空氣溫濕度等。它們通過熱交換和空氣交換影響室內熱濕環境，從而影響建筑能耗。由于建筑的外墻和屋頂等外層結構具有一定的蓄熱特性，在外繞因素的影響下中，室外空氣和溫濕度一般要經過一個總換熱熱阻后才能真正意義上的施加到外立面，太陽輻射一般也要經外立面的吸收后，才能真正意義上的施加到面壁溫度的熱流。

建筑圍護結構的熱容、熱阻延緩了外繞的影響速度，然而建筑室內各表面，包括地面、墻面、屋頂等可能會受到通過玻璃窗等透明外立面直接照射在該表面上的太陽輻射的影響；值得注意的是，建筑外立面的外門、外窗等雖然也具有少量的熱阻，但由于本身材質很薄，蓄熱性一般也不高，實際中可以近似認為它沒有熱容。因此，外擾可以通過門窗立刻影響到室內。通過分析可以得出結論，在影響建筑熱環境的各種環境因素中，有兩種形式，一種是能即刻影響到室內環境的輻射換熱，另一種是緩慢影響到室內環境的對流形式的換熱，這兩種方式都要先經過建筑外立面才能逐漸通過對流或輻射的形式影響到室內。

3.2建筑熱工設計分區

我國領土面積緯度跨度大，南北跨越多個氣候帶，地勢高差的也各不相同，這使得同日全國各地太陽輻射量很不相同，氣候相差十分懸殊，采暖與制冷需求各有不同，不同地區懸殊的氣候因素對建筑外立面和建筑節能的要求差異巨大，因此，必須根據各地的氣候特點劃分適宜的熱工氣候分區，以便因地制宜地選擇建筑節能技術。

《中國民用建筑熱工設計規范》（編號GB 50176-93），是目前我國建筑設計者考慮建筑地區劃與熱工設計的主要遵循規范。該規范從建筑熱工設計角度出發，根據全國各地區氣候特點，將建筑保溫和建筑防熱的設計要求和設計規范整理成冊。該規范指標的采集依據是累計每年1月和7月的平均溫度作為主要指標，輔以累計日均氣溫小于5攝氏度的天數和大于25攝氏度的天數，將我國劃分為五個氣候區劃：夏熱冬冷氣候區、夏熱冬暖氣候區、嚴寒氣候區、寒冷氣候區和溫和氣候區。

4綠色建筑外立面設計影響因素

4.1氣候因素

自誕生之日起，建筑的首要功能就是為人類提供庇護空間，以使人類能夠在不同的氣候條件下生存。為適應不同的氣候，世界各地的建筑立面形式有著巨大的差異。但是，由于現今科學技術的發展，建筑外立面對溫度、濕度的調節功能逐漸被淡化了，人們更普遍地依靠暖氣、空調等調節手段來營造建筑內部恒定、舒適的溫度、濕度環境。顯然，這種無視氣候因素對建筑能耗影響的設計方法、造成了建筑與環境的不協調以及能源的浪費。所以在當今能源危機日益嚴峻的時代，真正設計出適應氣候的建筑立面，對于資源、能源的節約和室內外環境的調節具有十分重要的意義。

古代的能工巧匠們以及近代的建筑設計師們，總能因地制宜地設計建筑，以適應當地氣候條件。我看到很多非洲當地人的茅屋（圖2），那里并沒有專業的建筑師，但是那些茅屋的形式那樣的好用，使我非常震撼，人類竟然能夠如此聰明地解決烈日和風雨帶來的困擾。”所以，我們今天所使用的一些綠色建筑的設計手法，其實早在原始時期就被祖先運用于房屋的建造了。深遠的挑檐和花格窗就是幾千年來中國傳統建筑（圖3）的典型特征。室外挑檐可以起到良好的遮陰避雨功能，室內挑檐則具有組織通風、調節室溫的功效；花格窗和玻璃紙既防止陽光直射又有著良好的透光率，將室外太陽光線均勻漫射到室內深處，營造舒適光環境。這些沒有機械設備的幫助且行之有效的外立面形式對低能耗建筑設計具有重要的指導意義。

4.2基地因素

一個建筑的基地環境，直接影響到建筑的布局、節能技術的選擇以及外立面的形式。建筑與環境場所的相互滲透，賦予了建筑特殊的生命力。從綠色建筑思想的角度上講，不同基地環境（地形、地貌、形狀、朝向、功能、周邊建筑性質等）的兩個建筑不可能完全相同。因此，在進行綠色建筑的外立面設計時，不能用其它建筑的立面不加分析地生搬硬套，這不僅帶來資源和能源的浪費，而且會造成建筑的形象的“千篇一律”。

中國的傳統建筑物或依山傍水，或臨水而建，其對自然環境的精巧運用，是當代建筑界可以借鑒和借鑒的。比如，在傳統的村莊中，為了減少土石量和節省建材，大量的利用自然地形地貌。中國陜西和甘肅一帶的山地農夫大多生活在土坑里。這個窯洞結構（見圖4）最突出的特點是利用自然地貌作為外部外觀的一部分，并將其與周邊的生態系統結合起來。黃土高原的地形不但可以抵擋建筑物的風沙，而且厚厚的土墻也可以讓房屋在冬天保持涼爽。云南傣族的竹屋（見圖5）采用了本地出產的竹子，竹子是以本地出產的竹子為原料，屋頂是用本地的稻草編織而成。竹子屋不但經濟、實用，施工簡便，還非常適合本地的氣候，可以防蚊蟲、防潮濕、防野獸。基于上述基礎要素的考慮，使建筑物受益良多。因此，要想真正的創造出一個出色的綠色建筑，就必須要考慮到其本身的自然環境，并且要根據其本身的特點來進行合理的改造。

4.3經濟因素

人的一切行為都需要價值觀的指導，建筑立面形式的選擇也體現著一定的價值觀。傳統建筑只是片面地追求物質的享受和經濟的制約，這樣的建筑價值觀不僅只能獲得短期的效益，還造成了現代建筑大同小異的外形，以及建筑和自然環境的對立關系。因此要建造可持續的綠色建筑，就必須以長遠的眼光看問題，改變傳統的建筑價值觀。

在建筑中采取適當的綠色節能技術，才能使環境和經濟的效益最大化。但是，現今還有很多綠色建筑受到人們的質疑，人們錯誤地把高技術建筑與綠色建筑混為一談，武斷地認為所有綠色建筑的成本都很高，其實，我們可以利用很多低成本高效率的措施和辦法，比如利用天窗采光（如圖6）、遮陽百葉或地源熱泵（如圖7）供暖和供冷等，只要簡單地改變一下設計，少許增加一點前期費用，在后期就可以大大降低能耗，帶來更持續的經濟效益。如果我們以發展的眼光看待建筑的經濟問題，就能發現綠色建筑中新材料和新技術的利用改良了傳統的建造和運營模式，對資源能源的節約和可再生能源的利用具有重要的推動作用。盡管綠色建筑外立面的初始造價的較高，但是綜合考慮其建造和使用的成本以及運營中所減少的能源消耗，就會發現新的建造方式的總體投入比傳統建筑少得多。

5綠色建筑外立面設計的應用

5.1建筑入口

建筑入口及入口處的界面是建筑外立面設計的重要元素，它不僅承擔著交通組織、空間過渡和標識識別的功能，而且由于建筑入口是外部氣候對建筑內部產生影響的最直接部位，因此綠色建筑入口的節能設計必不可少。

一般在寒冷地區，建筑入口多設置于背風一側，并采用雙層門斗或旋轉門，在雙層門之間形成氣候緩沖區，對于教學樓等人流較大的建筑，還應在雙層門之間增加熱風幕（圖 8），以阻隔室外氣候對室內的直接影響。公共建筑的入口界面多為通透的玻璃材質，但由于玻璃的熱阻較小，大面積使用會增加太陽輻射熱的傳入，造成室內過熱。所以，玻璃入口應結合內凹的建筑體型或雨篷（圖8）、木格柵等節能技術措施綜合設計。

雨篷是為建筑入口遮陽、擋雨的建筑構件，出挑較多的雨篷外沿可設柱子形成門廊，底層退進的騎樓（圖8）設計也可起到雨篷的作用。這一室內外過渡空間在入口處形成穩定的氣候區，減小了室內外溫差，利于保溫、隔熱。雨篷材料以輕質為宜，除傳統的混凝土、金屬、木材外，一些新型的合成材料、玻璃等材料制成的遮陽構件不僅能夠遮陽、降溫，而且不影響室內采光。 此外，在建筑入口界面設置擋風墻、種植灌木、竹子等植物也是減緩室外空氣滲透、節約建筑能耗的有效方法。

5.2立面門窗

立面門窗往往是建筑立面節能設計的薄弱環節，保溫隔熱性能較差，其熱損失是墻體熱損失的 5～6 倍。據估算，夏季，由玻璃窗射入的陽光以及交換空氣熱量，使制冷負荷增加兩成到三成；冬季，單層玻璃造成的室內空氣熱量熱損失使采暖負荷增加了三成到五成。在設計中，門窗的開啟方向、構造方式、材料構成等因素都直接影響建筑的能耗。

要減少門窗的熱損失，最直接的方法是控制建筑的“窗墻比”。居住建筑的南立面“窗墻比”以控制在 0.50 左右為宜，東西向“窗墻比”不應大于 0.35、北立面“窗墻比”不應大于 0.30。其次，增加門窗的氣密性，在外立面門窗與墻體連接處應采用玻璃棉、氣凝膠、發泡聚氨酯等高效保溫材料填堵，也可以有效防止室外空氣的滲透。改變玻璃本身的結構，采用節能玻璃是從根本上解決門窗節能問題的方法。在雙層玻璃中間填充氣凝膠等透明保溫材料，或在玻璃中添加鐵、鈷、鎳等元素制成特種玻璃，都能使其隔熱性能優于普通單層玻璃。新近研制的可調節玻璃還可使玻璃的光學性能隨太陽入射能量不同而變化，并分為光敏、電敏、熱敏三種，分別對外界光、電、熱三種條件的變化做出反應，通過對玻璃顏色和透光性的改變平衡建筑的采光和隔熱。另外，在聚酯薄膜上采用真空蒸鍍法鍍上一層鋁膜，然后涂上結合劑貼在玻璃外表面，可形成一種熱反射性的半透明玻璃，（圖9）有效阻隔太陽輻射熱。

在夏季溫度較高的地區，在窗口增加適當的遮陽措施能夠減少太陽直射熱進入室內。實驗證明，適當的遮陽設施可使由玻璃進入室內的熱量減少 70%，使夏季節能 50%以上。現今，熱反射織物（圖9）是光反射性能最好的建筑的遮陽材料，其熱透過率只有 1%左右，能起到極佳的隔熱效果。復合遮陽材料，則將織物的隔熱特性和金屬的反光特性，良好地結合在一起，進一步提高窗戶絕熱特性作用。鋁合金百葉（圖 4-9）窗簾因其材質光潔，隔熱的同時還對陽光有很好的反射作用。因此，立面遮陽能夠有效調節建筑的采光和隔熱，從而實現節能的目的。

5.3外部墻體

墻體是建筑外立面的重要組成部分，分為實墻墻體與幕墻兩種，它是建筑外立面形象的決定性因素，也直接影響著建筑能耗。因此，綠色建筑的外立面設計除了考慮結構、形式和材料等因素，還須將其節能性能納入設計的范圍。

在夏季炎熱地區，外立面設計還需考慮建筑隔熱和通風的需求，通過采用特殊的幕墻形式、種植垂直綠化（圖4-10）、設置遮陽百葉和拔風煙囪等措施能夠有效提高外立面的隔熱和通風性能。新型的雙層呼吸式玻璃幕墻具有厚度達幾十厘米甚至一米的夾層，可以起到調節氣候的作用。在夾層中設置遮陽設施，并增加進、排風裝置，既可調節采光和通風，又可避免室內風速過大。將雙層呼吸式幕墻與新型玻璃材料結合使用，節能效果更好。同時，光電一體化幕墻（圖10）、護欄太陽能熱水器等新能源在建筑外立面的利用措施能夠作為建筑能源的補充，提高建筑的節能效果。

5.4 建筑屋頂

屋頂除了具有遮風擋雨、保溫隔熱等功能，也逐漸成為建筑立面形象的重要部分，被稱之為建筑的“第五立面”。在屋頂設計中，保溫、隔熱性能的設計仍然是建筑立面節能設計的關鍵因素。在寒冷地區，屋頂需要設置保溫層，增加建筑的保溫性，而在夏季炎熱地區需要考慮屋頂的隔熱設計，通過設置通風層、蓄水層或在屋頂種植綠化，隔絕室外熱量通過與屋頂熱交換傳入室內。

綠色建筑的設計中，在建筑屋頂適當設置新能源的利用設施，能夠減少常規能源的使用。在建筑屋頂利用太陽能光電板、光電玻璃、光電薄膜發電可以為建筑運行提供能源，既無污染，又無噪聲。隨著科技的進步，太陽能光電設施逐漸與建筑立面設計合為一體，成為建筑整體的一部分，太陽能幕墻和太陽能薄膜圍護結構不僅可以獲得更多的陽光，產生更多的能量，還為建筑外立面設計提供了新的方法了思路。（圖11）太陽能光伏發電設備在使用后還可以回收，其中的鋼材、玻璃、晶體硅等材料經過處理后，是可以循環利用的。建筑屋頂的“拔風風帽”、光導纖維、風力發電等節能構件也有利于建筑通風、采光和能源的補充，是建筑屋頂節能設計的有效手段。

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