淺析建筑玻璃幕墻節(jié)能技術(shù)

滕惠根

[摘要]從新型構(gòu)造技術(shù)、新型材料和智能控制技術(shù)三個(gè)方面探討節(jié)能技術(shù)在建筑玻璃幕墻中的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]節(jié)能技術(shù)玻璃幕墻

中圖分類(lèi)號(hào)：TU5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597(2009)0210100－02

能源問(wèn)題是當(dāng)前世界各國(guó)普遍重視的問(wèn)題，并已被列為人類(lèi)面臨的四大生存問(wèn)題之一。在全世界的能源消耗中，無(wú)論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)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(fèi)性能耗。因此，在世界范圍內(nèi)能源問(wèn)題日益緊迫、建筑能耗不斷增長(zhǎng)的今天，世界各國(guó)又都將建筑節(jié)能列為節(jié)能工作的重點(diǎn)。中國(guó)是世界能源生產(chǎn)和消耗大國(guó)，節(jié)能意義深遠(yuǎn)而重大。玻璃幕墻作為建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在建筑節(jié)能中發(fā)揮著不可替代的作用。玻璃幕墻不僅實(shí)現(xiàn)了建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中墻體與門(mén)窗的合二為一，而且把建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的使用功能與裝飾功能巧妙地融為一體，使建筑更具現(xiàn)代感和裝飾藝術(shù)性。但大面積玻璃幕墻在提供良好采光的同時(shí)，卻又帶來(lái)了采暖與制冷能耗高的隱患，這是建筑能耗的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。本文主要探討玻璃幕墻設(shè)計(jì)中的節(jié)能技術(shù)，以期為相關(guān)人員更加直觀了解玻璃幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)的優(yōu)越性，為建筑師、開(kāi)發(fā)商在設(shè)計(jì)、選用玻璃幕墻時(shí)提供參考和借鑒。

一、國(guó)內(nèi)外玻璃幕墻設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀與發(fā)展

70年代能源危機(jī)后，人們逐漸認(rèn)識(shí)到玻璃幕墻在能源消耗方面的嚴(yán)重缺陷，西方工業(yè)化國(guó)家開(kāi)始對(duì)增強(qiáng)玻璃幕墻的熱工性能進(jìn)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(shù)上主要是通過(guò)雙層玻璃幕墻來(lái)實(shí)現(xiàn)。雖然雙層玻璃幕墻本身一次性建設(shè)投資較大，但它一方面可以降低建筑能耗，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，另一方面，由于建筑物所需能耗降低，可以減少建筑設(shè)備的一次性投入，特別是大量節(jié)約建筑運(yùn)營(yíng)成本。近十余年來(lái)，雙層玻璃幕墻在歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛應(yīng)用。智能玻璃幕墻和光電玻璃幕墻尚處在發(fā)展的初期，智能玻璃幕墻從廣義上說(shuō)，包括以下幾部分：熱通道玻璃幕墻、通風(fēng)系統(tǒng)、智能化控制系統(tǒng)、遮陽(yáng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。它可以根據(jù)外界自然條件的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，高效地利用能源。目前，世界范圍內(nèi)已建成的智能玻璃幕墻為數(shù)不多。

我國(guó)的建筑幕墻工業(yè)起步比較晚，上世紀(jì)90年代開(kāi)始引人我國(guó)建筑業(yè)，現(xiàn)在我國(guó)已成為世界第一幕墻生產(chǎn)大國(guó)和使用大國(guó)，正在向世界幕墻強(qiáng)國(guó)發(fā)展。隨著綠色、節(jié)能觀念不斷深入人心，包括開(kāi)發(fā)商，建筑師等都對(duì)雙層玻璃幕墻這種新型的、具有顯著節(jié)能效果的幕墻構(gòu)造給予很大的關(guān)注，并尋求在新建項(xiàng)目中采用。隨著世界能源危機(jī)的日趨加劇，能耗嚴(yán)重的玻璃幕墻建筑急需采用綠色節(jié)能技術(shù)來(lái)降低能耗，提高建筑的舒適性，甚至希望其能產(chǎn)生能源供建筑消耗?？v觀國(guó)外建筑玻璃幕墻發(fā)展的歷程與經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)的建筑玻璃幕墻設(shè)計(jì)和生產(chǎn)只能也必須向環(huán)保、節(jié)能與智能化發(fā)展。

二、建筑幕墻節(jié)能技術(shù)分析

(一)新型構(gòu)造技術(shù)在建筑幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)中應(yīng)用

在大型公共建筑玻璃幕墻設(shè)計(jì)中，許多新的構(gòu)造技術(shù)得以應(yīng)用，如雙層玻璃幕墻、利用水幕降溫的玻璃幕墻、可進(jìn)行雨水收集的玻璃幕墻等。最能體現(xiàn)利用構(gòu)造技術(shù)來(lái)達(dá)到綠色節(jié)能目的的應(yīng)當(dāng)首選雙層玻璃幕墻。它是目前應(yīng)用最廣泛，節(jié)能效果最好，研究最為深入的節(jié)能玻璃幕墻。

雙層玻璃幕墻由內(nèi)、外兩層玻璃幕墻組成。外層幕墻一般采用隱框、明框或點(diǎn)式玻璃幕墻，內(nèi)層幕墻一般采用明框幕墻或鋁合金門(mén)窗。雙層玻璃幕墻主要是針對(duì)普通玻璃幕墻耗能高、室內(nèi)空氣質(zhì)量關(guān)等問(wèn)題，用雙層體系作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，提供自然通風(fēng)和采光、增加室內(nèi)之空間舒適度、降低能耗，從而較好地解決了自然采光和節(jié)能之間的矛盾。使得幕墻的保溫、隔音、通風(fēng)等性能都得到了很大的提高，它比傳統(tǒng)的玻璃幕墻采暖時(shí)節(jié)約能源42％－52％，制冷時(shí)節(jié)約能源38％－60％。

雙層玻璃幕墻根據(jù)通風(fēng)層的結(jié)構(gòu)的不同可分為“封閉式內(nèi)循環(huán)體系”和“敞開(kāi)式外循環(huán)體系”兩種體系。前者一般在冬季較為寒冷的地區(qū)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(nèi)層一般為單片鋼化玻璃組成的玻璃幕墻或可開(kāi)啟窗；后者即為我們常說(shuō)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(nèi)層幕墻是隔熱或斷熱明的明框幕墻或單元幕墻。“敞開(kāi)式外循環(huán)體系”作為一種更新形式的雙層玻璃幕墻系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)構(gòu)造形式以及通風(fēng)方式的不同，呼吸式雙層玻璃幕墻一般采用以下幾種類(lèi)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(kāi)啟式雙層玻璃幕墻。呼吸式雙層玻璃幕墻根據(jù)構(gòu)件在工廠的加工程度以及在結(jié)構(gòu)主體上安裝工藝的不同，可以分為構(gòu)件式和單元式兩種玻璃幕墻。

玻璃幕墻是現(xiàn)代高層建筑較多采用的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，是建筑物熱交換、熱傳導(dǎo)最活躍、最敏感的部位，單層玻璃幕墻的能耗約占整個(gè)建筑能耗的40％左右。建筑遮陽(yáng)可以阻斷直射陽(yáng)光透過(guò)玻璃進(jìn)入室內(nèi)，防止陽(yáng)光過(guò)分照射和加熱建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，防止直射陽(yáng)光造成的強(qiáng)烈眩光。在所有的被動(dòng)式節(jié)能措施中。建筑遮陽(yáng)也許是最為立竿見(jiàn)影的有效方法。玻璃幕墻上設(shè)置遮陽(yáng)系統(tǒng)，可以最大限度減少陽(yáng)光的直接照射，從而避免室內(nèi)過(guò)熱，是建筑防熱的主要措施之一。根據(jù)遮陽(yáng)構(gòu)件的形狀與效果，遮陽(yáng)一般分為五種形式：水平遮陽(yáng)、垂直遮陽(yáng)、綜合式遮陽(yáng)、擋板式遮陽(yáng)和百葉式遮陽(yáng)。遮陽(yáng)措施種類(lèi)繁多，針對(duì)特定的建筑項(xiàng)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(yáng)措施普遍適用的情況。

(二)新型材料在建筑幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)中應(yīng)用

玻璃幕墻和窗戶(hù)的能耗約占建筑總能耗的50％，要達(dá)到超低能耗的目的，玻璃幕墻和窗戶(hù)采用高性能的節(jié)能玻璃是一個(gè)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(xiàn)代科技水平的迅速提高和應(yīng)用技術(shù)的日新月異，各種功能獨(dú)特的玻璃紛紛問(wèn)世，興旺了玻璃家族。國(guó)內(nèi)采用的幾種節(jié)能玻璃材料主要有：熱反射鍍膜玻璃又稱(chēng)陽(yáng)光控制鍍膜玻璃，是指具有反射太陽(yáng)能作用的鍍膜玻璃；對(duì)可見(jiàn)光高通透，對(duì)紅外線輻射高反射，特別是對(duì)遠(yuǎn)紅外輻射有極高的反射率，可讓80％的可見(jiàn)光進(jìn)入室內(nèi)，同時(shí)又能將90％以上的室內(nèi)物體所輻射的長(zhǎng)波保留在室內(nèi)，透明性很好的低輻射玻璃(LOW－E玻璃)；多功能鍍膜玻璃又稱(chēng)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(jiàn)光透射率的薄膜型熱反射新型復(fù)合材料貼膜玻璃；通過(guò)在兩層平板玻璃中間利用間隔框架隔開(kāi)，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(gòu)造形式分有四種：型鋼骨架、鋁合金型材骨架、不露骨架結(jié)構(gòu)及無(wú)骨架玻璃幕墻。其中不露骨架結(jié)構(gòu)及無(wú)骨架玻璃幕墻均無(wú)金屬框架，其

幕墻的導(dǎo)熱系數(shù)均有玻璃本身和封條材料的性能來(lái)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(duì)于玻璃幕墻的節(jié)能具有非常重要的意義。目前采用的新型斷熱金屬框名稱(chēng)很多，但大多數(shù)都是在內(nèi)外兩種高導(dǎo)熱性的金屬框料之間插入低導(dǎo)熱性的隔離物，形成有效斷熱層，阻斷通過(guò)門(mén)窗框或窗扇型材散失熱量的途徑，統(tǒng)稱(chēng)為斷熱型材。斷熱型材結(jié)構(gòu)合理、結(jié)合牢固、強(qiáng)度高、剛性好、熱阻大，而且具有優(yōu)良的隔聲節(jié)能性能、抗風(fēng)性能和氣密水密性能。斷熱型材早期多用于平開(kāi)窗，后來(lái)逐漸用于有框玻璃幕墻。

(三)控制技術(shù)在建筑玻璃幕墻設(shè)計(jì)應(yīng)用

智能玻璃幕墻(Intelligent glass facade)是指玻璃幕墻以一種動(dòng)態(tài)的形式，根據(jù)外界氣候環(huán)境的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)玻璃幕墻的保溫、遮陽(yáng)、通風(fēng)系統(tǒng)，最大限度地降低建筑物的能源消耗，同時(shí)最大限度地創(chuàng)造出宜人的室內(nèi)環(huán)境，主要通過(guò)雙層玻璃幕墻的形式得以實(shí)現(xiàn)。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(chǔ)上將建筑配套技術(shù)(暖、熱、光、電)適度控制，將幕墻材料、太陽(yáng)能有效利用后，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有效的調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣、溫度和光線，從而節(jié)省了建筑使用中能源的消耗，降低了生產(chǎn)和建筑物使用過(guò)程中的費(fèi)用。

智能玻璃幕墻的設(shè)計(jì)是先進(jìn)的整體建筑能耗平衡設(shè)計(jì)的重要組成部分，通過(guò)外墻構(gòu)造的調(diào)節(jié)機(jī)制，配合整個(gè)建筑技術(shù)設(shè)備之間的互動(dòng)，以達(dá)到能源優(yōu)化效果，智能玻璃幕墻設(shè)計(jì)原則一般有，利用太陽(yáng)輻射熱，節(jié)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(fēng)與排風(fēng)系統(tǒng)，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(jī)制、通風(fēng)、遮陽(yáng)、蓄熱和建筑空調(diào)供暖、通風(fēng)等相互之間智能配合，以達(dá)到最高效率。

(四)光電技術(shù)在玻璃幕墻設(shè)計(jì)中應(yīng)用

近年來(lái)，分布式光電效應(yīng)已經(jīng)成為這一技術(shù)最具市場(chǎng)潛力的組成部分，大多數(shù)都應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，我們可以預(yù)測(cè)，太陽(yáng)能光電系統(tǒng)必將成為未來(lái)建筑的大勢(shì)所趨。如果在大型公共建筑玻璃幕墻中應(yīng)用太陽(yáng)能光電效應(yīng)發(fā)電，玻璃幕墻的節(jié)能設(shè)計(jì)將從被動(dòng)節(jié)能變?yōu)橹鲃?dòng)產(chǎn)生能量供建筑內(nèi)部消耗，從根本上解決玻璃幕墻建筑能耗巨大的現(xiàn)狀。

建筑光電一體化(BiPV)就是將太陽(yáng)能光電效應(yīng)發(fā)電技術(shù)與樓體的建設(shè)結(jié)合在一起，應(yīng)用到建筑的制冷、采暖、照明、電器等能耗活動(dòng)中，使光伏元器件及系統(tǒng)與建筑物相互結(jié)合，融為一體，成為建筑物的有機(jī)組成部分。光電一體化是將光電模塊與建筑外殼相結(jié)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(tǒng)建筑外維護(hù)材料，也作為發(fā)電元件，利用光電效應(yīng)發(fā)電供建筑使用。光電玻璃幕墻可分為以下幾類(lèi)：

(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(yīng)用形式，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，可以用透明、半透明和普通的透明玻璃結(jié)合使用，創(chuàng)造出不同的建筑立面和室內(nèi)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(fēng)箱式光電玻璃幕墻，可以設(shè)以設(shè)計(jì)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(yáng)光的輻射，中間空氣層可以給光電板降溫，冬季室內(nèi)也可以利用這種熱能；

(4)傾斜式的光電幕墻的應(yīng)用與垂直式光電幕墻的應(yīng)用類(lèi)似，立面可以可以是平面或臺(tái)階式的，通過(guò)選用透明、半透明或不透明光電板進(jìn)行組合，可設(shè)計(jì)出豐富的立面效果和室內(nèi)光影效果；

(5)結(jié)構(gòu)式光電玻璃幕墻，是可以作為建筑的承重構(gòu)建，不同種類(lèi)和透明度的光伏板和普通玻璃可以任意結(jié)合，創(chuàng)造出非常豐富的立面效果；

(6)獨(dú)立太陽(yáng)能光電立面，是指光伏系統(tǒng)和玻璃幕墻相對(duì)分離，這種模式適合于對(duì)現(xiàn)有建筑的節(jié)能改造。光伏系統(tǒng)作為后加的設(shè)備，美觀、結(jié)構(gòu)、安裝的安全性問(wèn)題都需要很好考慮；

(7)柔性太陽(yáng)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(jù)墻面或屋面的走向來(lái)設(shè)置，有很大的自由度，解決了在一些現(xiàn)代建筑中曲面上不好安裝光電板的問(wèn)題。

三、結(jié)語(yǔ)

我國(guó)玻璃幕墻設(shè)計(jì)將由重功能、限造價(jià)的現(xiàn)狀逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)調(diào)功能、節(jié)約能源的要求，達(dá)到人工環(huán)境和自然環(huán)境關(guān)系的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，為人們創(chuàng)造出更加豐富多彩的工作和生活環(huán)境。本文對(duì)目前應(yīng)用最為廣泛、最有發(fā)展前途的玻璃幕墻的主要綠色節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和探討，希望能夠?qū)窈蟮牟Ａ粔?jié)能設(shè)計(jì)實(shí)踐提供借鑒和參考作用。