高層建筑幕墻工程中節能技術應用

楊智杰

(山西宏廈建筑工程第三有限公司，山西 陽泉 045000)

建筑行業在高速發展的過程中，其高消耗問題一直是制約其長遠發展的重要因素之一，因此備受關注。我國雖然興建了大量的建筑工程，但是屬于綠色節能建筑的卻相對較少。即便我國是一個能源大國，面對如此高的消耗和大量的能源需求，也逐漸顯露出了能源緊張的窘態，由此產生的環境問題也日益嚴重。為了改善我國的生態環境現狀，建筑工程項目需要加強綠色設計和節能技術應用。而幕墻作為高層建筑中最廣泛的應用，與建筑物的采光、保暖、照明等功能有很大的關系，因此，可作為節能技術應用的切入點，以實現高層建筑幕墻的節能環保目的。

1 高層建筑工程中的幕墻工程簡要說明

1.1 幕墻工程介紹

建筑幕墻是由金屬構架與板塊組成。構架材料多為鋁合金、鋼材料，由這些原材料制成龍骨、固定件等構配件。板塊可選擇玻璃、石材、鋁合金、電子屏等。將板塊利用構架組裝后，可以形成不承受主體結構荷載與作用的外圍護結構，從而成為高層建筑的一大特色。

1.2 幕墻類型

建筑幕墻按構架所選用的材料可分為不銹鋼幕墻、鋁合金幕墻等；板塊的固定方式可分為明框、隱框、半隱框式；按功能可分為普通式、呼吸式、光電式幕墻；按主體結構上安裝工藝可分為構件式(框架式)和單元式。不同形式的幕墻其適用性和節能效果各不相同，如框架式和單元式幕墻應用條件和效果對比可參見下表1。

表1 框架式與單元式幕墻比較

1.3 幕墻的優越性

1)重量輕：相比如鋼筋混凝土結構來說，幕墻使用的金屬材料較少，玻璃等材料質量較輕，可以降低對主體結構和基礎的壓力，進而降低基礎工程費用和實施難度；2)多元變化：建筑幕墻的結構形式可以根據建筑物造型進行設計和選擇，設計師可以天馬行空地進行設計，多種新穎的設計可以轉化為現實，建筑物外立面視覺效果將大為改觀；3)結構穩定：高層建筑采用幕墻結構后，可以提高建筑物的抗震性能。同時，建筑幕墻將外圍結構的防雨防滲、保溫隔熱、采光隔音等力學性能與物理性能和裝飾功能有機地融合在一起，可以增加建筑物的舒適性；4)施工方便：幕墻工程的諸多構件基本都是工廠加工完成，施工系統化，現場安裝和后續維修方便，施工質量和時間易掌控。

2 高層建筑幕墻工程中節能技術應用要求

2.1 安全實用性

幕墻是建筑物的一個結構部分，作為重要的外立面結構，起著圍護作用，可以抵擋風雨，保障室內結構物和人們的安全。同時也可以確保建筑物的各項使用功能效用高效發揮作用。因此，在融入節能技術時，需要根據幕墻的基本特征，其基礎功能作用進行補充完善，即以節能技術使幕墻結構更為穩固，采光保暖等功能在低消耗的情況下高效發揮作用[1]。

2.2 合理可行

幕墻節能設計應服務于建筑物本身，與建筑物的結構設計、平面設計、功能設計相一致。無論是在單獨的幕墻工程設計環節，還是后續施工環節需要進行設計變動時，都不能為了達成節能目標而盲目更改設計。節能設計的融入和修改都需經建設單位、設計單位、施工單位等相關單位審核確認才能執行，以確保幕墻總體設計合理，具備施工可行性，能切實有效地發揮各項幕墻節能技術的作用。

2.3 規范標準

國家和當地政府對于建筑工程的設計和建設具有明確的要求，并以各種規范等具有法律效力的條文進行了說明，任何工程項目、任何建筑企業在開展工程建設和設計時都需遵循相應的標準。即便節能技術的應用具有非常重要的意義，也不可違背國家標準和行業標準。因此，節能技術在幕墻工程中的應用需要滿足建筑幕墻設計的相關要求，保證技術規范。

3 高層建筑幕墻工程中的節能技術應用原理

3.1 太陽能

太陽會釋放熱量，對于幕墻工程節能來說，可以利用太陽能這種天然清潔的可再生能源來滿足建筑物的照明、采暖、熱水供應等舒適生活需求。在幕墻工程加以應用時，考慮到幕墻是非常重要的圍護結構，且高層建筑的幕墻面積較大，可以采用太陽能集熱技術、太陽能蓄熱采暖技術、太陽能遮陽技術、太陽能光伏發電技術、新風換能技術、高性能圍護節能技術等，為熱水、光伏發電、蓄熱采暖、空調提供能量，不僅可以使室內空氣保持清新，溫度、濕度、含氧量適宜，還能避免使用過多的高功率消耗電能的電器，從而打造低排放、低能耗、高舒適性的綠色建筑。

3.2 風能

風能是空氣流動所產生的動能，是由于氣流的作用而提供給人類的一種可用能源。風能的利用主要是將大氣運動時所具有的動能轉化為其他形式的能量，如當前我國對于風能較為成熟的應用為利用風能發電。但是對于高層建筑幕墻工程來說，利用風能發電來滿足建筑物的電能需求，其實際應用成本較高，且技術難度較大，應用技術不成熟，與節能技術在幕墻工程中應用時的合理性和實用性要求不符。因此，在幕墻工程中，主要是與建筑物的通風系統結合，通過合理布設幕墻結構形式來增加自然通風效果，使自然風被高效利用，從而提高幕墻的節能環保性[2]。

3.3 地熱能

地熱能是由地殼抽取的天然熱能。由于地球內部溫度較高，從地心到地表溫度會逐漸降低，透過地下水的流動和熔巖涌至離地面1至5公里的地殼，將熱能量由地底深處帶到地殼上層，因此，地熱能來自地球內部的熔巖，是一種無污染的清潔型能源。雖然地熱能發電是最主要且高效的地熱利用方式，但是在建筑工程中，要想利用此種能源，可以直接取用涌至地面的熱量，用于采暖、供熱和供熱水。特別是在我國北方寒冷地區，此種地熱能利用方式簡單、成本低，在京津地區應用非常廣泛。但是地熱能的開發相比太陽能和風能來說，技術難度更大。雖然在幕墻工程中可以在降低能源消耗的情況下提升建筑物的使用效果，但是還需開發相應的應用技術，提高施工人員的技術水平，才能擴大該能源的應用范圍，提升其應用效果。

4 高層建筑幕墻工程中節能技術的應用

4.1 光伏節能技術

太陽能發電在各領域已經得到了很好的應用，通過讓太陽光照射在半導體媒介上，可以收集太陽能，經過能量轉換，可以將光能轉化為電能。在建筑行業，太陽能的利用可以改變高消耗的局面，將太陽能發電機組與幕墻安裝施工相結合，可以為建筑物提供源源不斷的能源，從而減少建筑物對不可再生能源的利用，降低建筑物的使用成本。其次可以使用太陽能玻璃幕墻，在玻璃幕墻安裝時，可以填充太陽能電池，這些電池會接收太陽能、蓄積電能，同時還可作為圍護結構的材料，發揮隔熱隔音等作用。更重要的是太陽能發電技術在幕墻工程中的應用不會產生污染問題，作為一種清潔型能源，可以被安全高效地利用，與自然生態環境有很好的兼容性，非常值得擴大應用范圍。

4.2 隔熱保溫節能技術

幕墻隔熱保溫效用的發揮和提升可以多種幕墻形式實現，如可選擇開縫式石材幕墻。一方面是因為石材的特殊性能，另一方面是這種工藝方式能夠實現外墻保溫效用。為了在保障幕墻施工質量的同時，良好地體現幕墻隔熱保暖性，需要根據建筑墻體設計規范鋪設隔熱保溫材料。首先要合理選擇材料，確保隔熱保溫材料的質量。同時要注意到外界環境對隔熱保溫材料的不利影響，防止隔熱材料出現損壞。其次要按照石材接縫施工的質量要求，在有序鋪設保溫隔熱材料的基礎上，讓石材緊密連接，防止墻體受潮和滲漏等問題的出現。

4.3 幕墻照明節能技術

高層建筑工程規模較大，能源消耗也巨大。而照明工程作為建筑功能設計中的一部分，其照明形式、亮度等與能耗有很大的關系。從節能角度來看，在幕墻工程應用節能照明技術時，不僅需要考慮建筑的整體規劃，譬如室內結構布局、空間大小等，還需考慮幕墻工程特點，結合高層建筑高度、面積、形態等，幕墻結構形式、所選材料等，合理地進行照明組合。如采用智能控制的LED燈光照明設備，由于設備體積較小，可隱藏安裝，并通過幕墻中儲存的能量供電。這樣幕墻作為外圍結構具有更佳豐富的展示效果，裝飾美觀性大為提升，在節能的同時還具有觀賞效果[3]。

4.4 幕墻遮陽節能技術

幕墻在高層建筑外立面中的占據面積較大，雖然幕墻可以提高室內照明效果，有助于保溫隔熱，但是過多光照容易產生炫光，刺激人眼，同時也會使室內溫度一直居高，因此，在光照強烈時，幕墻還需具備遮陽作用，避免在高層建筑中受到太陽的強烈照射。而安裝幕墻遮陽結構體系可以在保障幕墻美觀性的同時取得較好的遮陽效果。主要是使用布篷、軟百葉、竹簾、布簾、遮陽窗簾以及防曬板等等幕墻內置結構，對陽光進行遮擋。而這些遮陽裝置可以進行固定式安裝或臨時安裝，以滿足建筑物不同季節的需要。同時為了滿足使用者在不同時間對于通風性、光照效果的差異性需求，還可綜合建筑物的總體設計，建筑標準、工程成本等，確定高層建筑幕墻的開啟方式(開啟方式和實例驗證可參見下表2)，以便在遮陽的同時保障建筑物室內的采光和通風，促使幕墻體系結構的減排與節能實踐效果達到最優。

表2 高層建筑幕墻開啟方式對比

4.5 幕墻熱通道的通風技術

建筑物的門窗一般是通風的主要渠道，但是現今的人們對于生活質量的要求較高，對于室內環境制定了更為嚴格的標準，為了滿足這些要求，許多建筑物會增加新風系統，而此系統雖然能夠潔凈室內空氣，使人感覺到舒適，但是能耗較高。而幕墻熱通道可以提供持續性的建筑通風動力，對于高層建筑來說，如果能合理設計幕墻內部的空腔結構，或是加強幕墻的動態設計，在幕墻上合理設置動態開啟的窗口，在熱力管道的輔助作用下，完善建筑幕墻的熱通道結構組成體系，能夠有效保證熱力作用直接進入建筑室內空間，這樣可以加速熱空氣流動，提升室內的通風效果，空氣流通性好，舒適度自然會提高[4]。

5 高層建筑幕墻工程中節能技術應用建議

5.1 合理選擇幕墻節能材料

鑒于幕墻可供選擇的材料類型較多，且同一類材料在規格、形式等方面又具有差異，本文主要以最為常見的玻璃幕墻來進行說明。通過介紹幾種不同的玻璃幕墻，讓人們意識到選擇不同的材料可以帶來不同的節能效果，同時應用成本和難度也大不相同。

1)低輻射鍍膜玻璃(Low-E玻璃)：在低輻射玻璃的基礎上，根據工程需要，鍍上多層金屬或其他化合物，以形成隔熱性能更好的玻璃產品，同時選擇不同的金屬，鍍膜的顏色會不同，使得玻璃具有藝術色彩，在幕墻工程中應用時，可增強其美觀性。但是更重要，這種玻璃具有較高的可見光透射率，采光性能較好。同時，在防輻射方面具有良好的作用，透過玻璃的太陽熱輻射多。還有極高的中遠紅外線反射率，可以有效的防止室內熱量的流失，實現節能隔熱的目的。

2)中空玻璃：這種玻璃幕墻至少具有兩層，從而可以在玻璃之間形成空腔，空腔內可以填充干燥氣體，以提升幕墻的隔熱、隔音效果。這種玻璃幕墻在施工時，會利用高強度高氣密性復合粘結劑將多種玻璃進行組合，同時利用密封條、膠帶等提升玻璃片與鋁合金框架組合體的密封性，使玻璃層間形成有干燥氣體空間的玻璃制品。只要確保玻璃層內存在干燥氣體，并控制好玻璃幕墻的面積，就可達到較好的節能效果。此外高性能中空玻璃可以攔截由太陽射到室內的相當的能量，防止因輻射熱引起的不舒適感和減輕夕照陽光引起的目眩。因此，對于需要采暖、降噪、防止結露以及需要無直射陽光和特殊光的建筑都非常適用。

3)真空玻璃：這種玻璃與中空玻璃構造具有相似之處，也是將兩片平板玻璃四周密閉起來，但是玻璃層之間的空腔內沒有干燥氣體，而是幾乎保持真空狀態，同時組合的玻璃至少有一片是低輻射玻璃。因為構造上的相似性，導致中空玻璃和真空玻璃性能也較為相似，但是真空玻璃不僅生產工藝更為復雜，同時隔熱保溫等功能效用和節能效果也更好。選用適當遮陽系數的真空玻璃，可以使建筑物室內在冬夏都具有舒適的溫度，還可以有效地阻隔聲音的傳遞，隔聲降噪，保持室內的寧靜，此外可以可以顯著減少空調電耗及污染物和溫室氣體的排放[5]。

4)新型幕墻玻璃：主要是指一些兼具藝術特性、節能特性與功能效用的特殊玻璃，如含彩釉玻璃、印花玻璃與鍍膜玻璃等，以及一些具備高新科技特點的玻璃，如光電幕墻玻璃。上文所述的金屬化合物的薄膜玻璃幕墻是近些年各地高層建筑中較為常見的一種形式，不僅有效避免了光污染，還促使幕墻的隔熱、保溫與遮陽、通風效果大為提升。而光電幕墻就是依靠太陽能來在低能耗的基礎上滿足建筑物的照明需求，玻璃幕墻工程中加以應用時，通常會設計為全玻璃形式、點式結構、隱框或者半隱框，以確保玻璃幕墻具有良好的安全性。

5.2 合理選擇幕墻形式

當前的建筑幕墻由于可選材料較多，安裝工藝方式多樣，形式愈加多變，各自具有不同的節能效果，因此，可結合建筑標準和工廠實際需要進行合理選擇。

1)雙層幕墻：對于被動式建筑來說，可以利用此種幕墻對自然資源進行高效利用，在保護環境的同時，降低建筑物能源消耗。雙層幕墻即是由內外兩層幕墻構成的，與呼吸式幕墻有一定的相似性，兩者都具有良好的通風與隔熱保溫性能，也都是雙層組合結合結構，但是，呼吸式幕墻是由內外雙層玻璃幕墻組成的。

2)風動幕墻：其節能效用的發揮是根據氣流，設置多個金屬風能片，依靠自然風能推動幕墻發揮作用。雖然應用原理較為簡單，但是需要使金屬風能片合理串聯并固定，利用不銹鋼連接線將風動片按序一一連接，一端進行固定，形成一個整體的系統。通過對現階段風動幕墻的研究，雖然其應用具有美觀性和節能性的效果，但由于在高層建筑中不便于實施，投入大于回報，因此，在高層建筑中不太常見。相較而言，箱式風動幕墻更適用于高層建筑，增加了樓層水平隔板和窗戶上的垂直豎板后，風動幕墻的隔音保溫效果更佳，可顯著降低建筑能源消耗量。

3)生態幕墻：生態幕墻主要是從其節能性方面的來定義的，它不限于哪一種幕墻結構形式，也不限于采用何種幕墻材料，主要是要與當前工程要求相一致，同時能發揮隔熱保溫效用，實時調整建筑室內的空間溫度，阻隔灰塵進入室內；發揮降噪隔音效用，隔離外界噪聲，降低建筑室內的噪聲頻率；發揮采光效用，降低投入紫外線的強度，調節室內采光強度。這種幕墻的顯著實踐優勢就在于合理采用了現有的幕墻采光、降噪與隔音處理、保溫以及隔熱等技術，可以實現幕墻與周邊生態環境的良好平衡，對建筑物室內空間環境也可進行改善，實現全面降低建筑幕墻能耗，保護建筑物周邊生態環境的目標。

6 結語

隨著建筑行業的發展，高層建筑中的幕墻應用愈發常見，不僅是因為幕墻工程在施工和能效等方面的突出優勢，也是因為幕墻工程發展逐步成熟，同時也非常符合當下行業的綠色發展需求。而要想實現高層建筑幕墻的節能環保目的，不僅要加強對幕墻自身的了解，還要將各種節能技術合理融入幕墻設計和施工中，按照節能減排理念的要求，充分利用各種自然清潔型能源，降低建筑自身在隔熱保溫、采光照明等方面的能耗，在確保幕墻的美觀性的同時提升其功能性。