綠色建筑外立面節(jié)能技術(shù)的實(shí)際應(yīng)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(jié)能設(shè)計(jì)的主要方式是將建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能以直接或者間接的形式進(jìn)行改變，減少室外環(huán)境因素對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和室內(nèi)環(huán)境的影響，提高建筑舒適性、節(jié)約能源、增長(zhǎng)建筑使用壽命的目的。

關(guān)鍵詞：綠色建筑；外立面；節(jié)能技術(shù)；循環(huán)利用

1 前言

不同建筑的外立面有著不同的設(shè)計(jì)方法、構(gòu)造形式與美學(xué)特征。人們往往通過(guò)外立面的構(gòu)圖、比例、尺度、材料、顏色、肌理、構(gòu)造等元素評(píng)判建筑的技術(shù)和美學(xué)價(jià)值。因此，世界各地的建筑師們都十分重視對(duì)建筑外立面的處理方式。在傳統(tǒng)建筑中，建筑師多使用韻律、跳躍、對(duì)比等修辭手法或使用繪畫、雕刻等裝飾物展現(xiàn)建筑的藝術(shù)美。但是，自工業(yè)革命以后，鋼材、混凝土等更加堅(jiān)固耐久的材料被廣泛應(yīng)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(duì)城市建筑逐漸產(chǎn)生了審美疲勞。隨著可持續(xù)建筑思想的發(fā)展，當(dāng)今社會(huì)不僅要求建筑滿足實(shí)用功能和經(jīng)濟(jì)需求，更需要追求其多元化的發(fā)展，既要體現(xiàn)其個(gè)性化的形態(tài)，又要滿足生態(tài)節(jié)能的時(shí)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(xiàn)形式和構(gòu)成方式。同時(shí)，建筑外立面也可以理解為內(nèi)空間和外空間交界面的構(gòu)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(hù)部分中除屋頂外的所有可見空間。在實(shí)際的情況下，也存在一些難以區(qū)分的情景，比如特定幾何形體建筑的屋頂與墻體，這兩者會(huì)以連續(xù)的方式展示出來(lái)。為此，在現(xiàn)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?shù)男问揭仓苯佑绊懼ㄖ拿烙^和節(jié)能。

3建筑外立面節(jié)能設(shè)計(jì)原理

3.1建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與擾量

建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和建筑內(nèi)熱濕環(huán)境的擾量有許多，主要?dú)w類為室外氣象擾量、室內(nèi)熱濕擾量等外擾和內(nèi)擾兩大類，建筑外立面通過(guò)改變外擾對(duì)建筑的影響達(dá)到節(jié)能的目的。

外擾因素主要包括：室外溫度、室外濕度，室外風(fēng)速、風(fēng)向，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，以及相鄰建筑的空氣溫濕度等。它們通過(guò)熱交換和空氣交換影響室內(nèi)熱濕環(huán)境，從而影響建筑能耗。由于建筑的外墻和屋頂?shù)韧鈱咏Y(jié)構(gòu)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(jīng)過(guò)一個(gè)總換熱熱阻后才能真正意義上的施加到外立面，太陽(yáng)輻射一般也要經(jīng)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(hù)結(jié)構(gòu)的熱容、熱阻延緩了外繞的影響速度，然而建筑室內(nèi)各表面，包括地面、墻面、屋頂?shù)瓤赡軙?huì)受到通過(guò)玻璃窗等透明外立面直接照射在該表面上的太陽(yáng)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(zhì)很薄，蓄熱性一般也不高，實(shí)際中可以近似認(rèn)為它沒(méi)有熱容。因此，外擾可以通過(guò)門窗立刻影響到室內(nèi)。通過(guò)分析可以得出結(jié)論，在影響建筑熱環(huán)境的各種環(huán)境因素中，有兩種形式，一種是能即刻影響到室內(nèi)環(huán)境的輻射換熱，另一種是緩慢影響到室內(nèi)環(huán)境的對(duì)流形式的換熱，這兩種方式都要先經(jīng)過(guò)建筑外立面才能逐漸通過(guò)對(duì)流或輻射的形式影響到室內(nèi)。

3.2建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)

我國(guó)領(lǐng)土面積緯度跨度大，南北跨越多個(gè)氣候帶，地勢(shì)高差的也各不相同，這使得同日全國(guó)各地太陽(yáng)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(qū)懸殊的氣候因素對(duì)建筑外立面和建筑節(jié)能的要求差異巨大，因此，必須根據(jù)各地的氣候特點(diǎn)劃分適宜的熱工氣候分區(qū)，以便因地制宜地選擇建筑節(jié)能技術(shù)。

《中國(guó)民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（編號(hào)GB 50176-93），是目前我國(guó)建筑設(shè)計(jì)者考慮建筑地區(qū)劃與熱工設(shè)計(jì)的主要遵循規(guī)范。該規(guī)范從建筑熱工設(shè)計(jì)角度出發(fā)，根據(jù)全國(guó)各地區(qū)氣候特點(diǎn)，將建筑保溫和建筑防熱的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)規(guī)范整理成冊(cè)。該規(guī)范指標(biāo)的采集依據(jù)是累計(jì)每年1月和7月的平均溫度作為主要指標(biāo)，輔以累計(jì)日均氣溫小于5攝氏度的天數(shù)和大于25攝氏度的天數(shù)，將我國(guó)劃分為五個(gè)氣候區(qū)劃：夏熱冬冷氣候區(qū)、夏熱冬暖氣候區(qū)、嚴(yán)寒氣候區(qū)、寒冷氣候區(qū)和溫和氣候區(qū)。

4綠色建筑外立面設(shè)計(jì)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(hù)空間，以使人類能夠在不同的氣候條件下生存。為適應(yīng)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(xiàn)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，建筑外立面對(duì)溫度、濕度的調(diào)節(jié)功能逐漸被淡化了，人們更普遍地依靠暖氣、空調(diào)等調(diào)節(jié)手段來(lái)營(yíng)造建筑內(nèi)部恒定、舒適的溫度、濕度環(huán)境。顯然，這種無(wú)視氣候因素對(duì)建筑能耗影響的設(shè)計(jì)方法、造成了建筑與環(huán)境的不協(xié)調(diào)以及能源的浪費(fèi)。所以在當(dāng)今能源危機(jī)日益嚴(yán)峻的時(shí)代，真正設(shè)計(jì)出適應(yīng)氣候的建筑立面，對(duì)于資源、能源的節(jié)約和室內(nèi)外環(huán)境的調(diào)節(jié)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(shè)計(jì)師們，總能因地制宜地設(shè)計(jì)建筑，以適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂驐l件。我看到很多非洲當(dāng)?shù)厝说拿┪荩▓D2），那里并沒(méi)有專業(yè)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(fēng)雨帶來(lái)的困擾?！彼裕覀兘裉焖褂玫囊恍┚G色建筑的設(shè)計(jì)手法，其實(shí)早在原始時(shí)期就被祖先運(yùn)用于房屋的建造了。深遠(yuǎn)的挑檐和花格窗就是幾千年來(lái)中國(guó)傳統(tǒng)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(nèi)挑檐則具有組織通風(fēng)、調(diào)節(jié)室溫的功效；花格窗和玻璃紙既防止陽(yáng)光直射又有著良好的透光率，將室外太陽(yáng)光線均勻漫射到室內(nèi)深處，營(yíng)造舒適光環(huán)境。這些沒(méi)有機(jī)械設(shè)備的幫助且行之有效的外立面形式對(duì)低能耗建筑設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

4.2基地因素

一個(gè)建筑的基地環(huán)境，直接影響到建筑的布局、節(jié)能技術(shù)的選擇以及外立面的形式。建筑與環(huán)境場(chǎng)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(huán)境（地形、地貌、形狀、朝向、功能、周邊建筑性質(zhì)等）的兩個(gè)建筑不可能完全相同。因此，在進(jìn)行綠色建筑的外立面設(shè)計(jì)時(shí)，不能用其它建筑的立面不加分析地生搬硬套，這不僅帶來(lái)資源和能源的浪費(fèi)，而且會(huì)造成建筑的形象的“千篇一律”。

中國(guó)的傳統(tǒng)建筑物或依山傍水，或臨水而建，其對(duì)自然環(huán)境的精巧運(yùn)用，是當(dāng)代建筑界可以借鑒和借鑒的。比如，在傳統(tǒng)的村莊中，為了減少土石量和節(jié)省建材，大量的利用自然地形地貌。中國(guó)陜西和甘肅一帶的山地農(nóng)夫大多生活在土坑里。這個(gè)窯洞結(jié)構(gòu)（見圖4）最突出的特點(diǎn)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(tài)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。黃土高原的地形不但可以抵擋建筑物的風(fēng)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(chǎn)的竹子，竹子是以本地出產(chǎn)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(jīng)濟(jì)、實(shí)用，施工簡(jiǎn)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(chǔ)要素的考慮，使建筑物受益良多。因此，要想真正的創(chuàng)造出一個(gè)出色的綠色建筑，就必須要考慮到其本身的自然環(huán)境，并且要根據(jù)其本身的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行合理的改造。

4.3經(jīng)濟(jì)因素

人的一切行為都需要價(jià)值觀的指導(dǎo)，建筑立面形式的選擇也體現(xiàn)著一定的價(jià)值觀。傳統(tǒng)建筑只是片面地追求物質(zhì)的享受和經(jīng)濟(jì)的制約，這樣的建筑價(jià)值觀不僅只能獲得短期的效益，還造成了現(xiàn)代建筑大同小異的外形，以及建筑和自然環(huán)境的對(duì)立關(guān)系。因此要建造可持續(xù)的綠色建筑，就必須以長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光看問(wèn)題，改變傳統(tǒng)的建筑價(jià)值觀。

在建筑中采取適當(dāng)?shù)木G色節(jié)能技術(shù)，才能使環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的效益最大化。但是，現(xiàn)今還有很多綠色建筑受到人們的質(zhì)疑，人們錯(cuò)誤地把高技術(shù)建筑與綠色建筑混為一談，武斷地認(rèn)為所有綠色建筑的成本都很高，其實(shí)，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(yáng)百葉或地源熱泵（如圖7）供暖和供冷等，只要簡(jiǎn)單地改變一下設(shè)計(jì)，少許增加一點(diǎn)前期費(fèi)用，在后期就可以大大降低能耗，帶來(lái)更持續(xù)的經(jīng)濟(jì)效益。如果我們以發(fā)展的眼光看待建筑的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，就能發(fā)現(xiàn)綠色建筑中新材料和新技術(shù)的利用改良了傳統(tǒng)的建造和運(yùn)營(yíng)模式，對(duì)資源能源的節(jié)約和可再生能源的利用具有重要的推動(dòng)作用。盡管綠色建筑外立面的初始造價(jià)的較高，但是綜合考慮其建造和使用的成本以及運(yùn)營(yíng)中所減少的能源消耗，就會(huì)發(fā)現(xiàn)新的建造方式的總體投入比傳統(tǒng)建筑少得多。

5綠色建筑外立面設(shè)計(jì)的應(yīng)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(shè)計(jì)的重要元素，它不僅承擔(dān)著交通組織、空間過(guò)渡和標(biāo)識(shí)識(shí)別的功能，而且由于建筑入口是外部氣候?qū)ㄖ?nèi)部產(chǎn)生影響的最直接部位，因此綠色建筑入口的節(jié)能設(shè)計(jì)必不可少。

一般在寒冷地區(qū)，建筑入口多設(shè)置于背風(fēng)一側(cè)，并采用雙層門斗或旋轉(zhuǎn)門，在雙層門之間形成氣候緩沖區(qū)，對(duì)于教學(xué)樓等人流較大的建筑，還應(yīng)在雙層門之間增加熱風(fēng)幕（圖 8），以阻隔室外氣候?qū)κ覂?nèi)的直接影響。公共建筑的入口界面多為通透的玻璃材質(zhì)，但由于玻璃的熱阻較小，大面積使用會(huì)增加太陽(yáng)輻射熱的傳入，造成室內(nèi)過(guò)熱。所以，玻璃入口應(yīng)結(jié)合內(nèi)凹的建筑體型或雨篷（圖8）、木格柵等節(jié)能技術(shù)措施綜合設(shè)計(jì)。

雨篷是為建筑入口遮陽(yáng)、擋雨的建筑構(gòu)件，出挑較多的雨篷外沿可設(shè)柱子形成門廊，底層退進(jìn)的騎樓（圖8）設(shè)計(jì)也可起到雨篷的作用。這一室內(nèi)外過(guò)渡空間在入口處形成穩(wěn)定的氣候區(qū)，減小了室內(nèi)外溫差，利于保溫、隔熱。雨篷材料以輕質(zhì)為宜，除傳統(tǒng)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(yáng)構(gòu)件不僅能夠遮陽(yáng)、降溫，而且不影響室內(nèi)采光。 此外，在建筑入口界面設(shè)置擋風(fēng)墻、種植灌木、竹子等植物也是減緩室外空氣滲透、節(jié)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(jié)能設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，保溫隔熱性能較差，其熱損失是墻體熱損失的 5～6 倍。據(jù)估算，夏季，由玻璃窗射入的陽(yáng)光以及交換空氣熱量，使制冷負(fù)荷增加兩成到三成；冬季，單層玻璃造成的室內(nèi)空氣熱量熱損失使采暖負(fù)荷增加了三成到五成。在設(shè)計(jì)中，門窗的開啟方向、構(gòu)造方式、材料構(gòu)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(yīng)大于 0.35、北立面“窗墻比”不應(yīng)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(yīng)采用玻璃棉、氣凝膠、發(fā)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(jié)構(gòu)，采用節(jié)能玻璃是從根本上解決門窗節(jié)能問(wèn)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(yōu)于普通單層玻璃。新近研制的可調(diào)節(jié)玻璃還可使玻璃的光學(xué)性能隨太陽(yáng)入射能量不同而變化，并分為光敏、電敏、熱敏三種，分別對(duì)外界光、電、熱三種條件的變化做出反應(yīng)，通過(guò)對(duì)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(jié)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(yáng)輻射熱。

在夏季溫度較高的地區(qū)，在窗口增加適當(dāng)?shù)恼陉?yáng)措施能夠減少太陽(yáng)直射熱進(jìn)入室內(nèi)。實(shí)驗(yàn)證明，適當(dāng)?shù)恼陉?yáng)設(shè)施可使由玻璃進(jìn)入室內(nèi)的熱量減少 70%，使夏季節(jié)能 50%以上?，F(xiàn)今，熱反射織物（圖9）是光反射性能最好的建筑的遮陽(yáng)材料，其熱透過(guò)率只有 1%左右，能起到極佳的隔熱效果。復(fù)合遮陽(yáng)材料，則將織物的隔熱特性和金屬的反光特性，良好地結(jié)合在一起，進(jìn)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(zhì)光潔，隔熱的同時(shí)還對(duì)陽(yáng)光有很好的反射作用。因此，立面遮陽(yáng)能夠有效調(diào)節(jié)建筑的采光和隔熱，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)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(shí)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(shè)計(jì)除了考慮結(jié)構(gòu)、形式和材料等因素，還須將其節(jié)能性能納入設(shè)計(jì)的范圍。

在夏季炎熱地區(qū)，外立面設(shè)計(jì)還需考慮建筑隔熱和通風(fēng)的需求，通過(guò)采用特殊的幕墻形式、種植垂直綠化（圖4-10）、設(shè)置遮陽(yáng)百葉和拔風(fēng)煙囪等措施能夠有效提高外立面的隔熱和通風(fēng)性能。新型的雙層呼吸式玻璃幕墻具有厚度達(dá)幾十厘米甚至一米的夾層，可以起到調(diào)節(jié)氣候的作用。在夾層中設(shè)置遮陽(yáng)設(shè)施，并增加進(jìn)、排風(fēng)裝置，既可調(diào)節(jié)采光和通風(fēng)，又可避免室內(nèi)風(fēng)速過(guò)大。將雙層呼吸式幕墻與新型玻璃材料結(jié)合使用，節(jié)能效果更好。同時(shí)，光電一體化幕墻（圖10）、護(hù)欄太陽(yáng)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(bǔ)充，提高建筑的節(jié)能效果。

5.4 建筑屋頂

屋頂除了具有遮風(fēng)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(shè)計(jì)中，保溫、隔熱性能的設(shè)計(jì)仍然是建筑立面節(jié)能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。在寒冷地區(qū)，屋頂需要設(shè)置保溫層，增加建筑的保溫性，而在夏季炎熱地區(qū)需要考慮屋頂?shù)母魺嵩O(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)置通風(fēng)層、蓄水層或在屋頂種植綠化，隔絕室外熱量通過(guò)與屋頂熱交換傳入室內(nèi)。

綠色建筑的設(shè)計(jì)中，在建筑屋頂適當(dāng)設(shè)置新能源的利用設(shè)施，能夠減少常規(guī)能源的使用。在建筑屋頂利用太陽(yáng)能光電板、光電玻璃、光電薄膜發(fā)電可以為建筑運(yùn)行提供能源，既無(wú)污染，又無(wú)噪聲。隨著科技的進(jìn)步，太陽(yáng)能光電設(shè)施逐漸與建筑立面設(shè)計(jì)合為一體，成為建筑整體的一部分，太陽(yáng)能幕墻和太陽(yáng)能薄膜圍護(hù)結(jié)構(gòu)不僅可以獲得更多的陽(yáng)光，產(chǎn)生更多的能量，還為建筑外立面設(shè)計(jì)提供了新的方法了思路。（圖11）太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)備在使用后還可以回收，其中的鋼材、玻璃、晶體硅等材料經(jīng)過(guò)處理后，是可以循環(huán)利用的。建筑屋頂?shù)摹鞍物L(fēng)風(fēng)帽”、光導(dǎo)纖維、風(fēng)力發(fā)電等節(jié)能構(gòu)件也有利于建筑通風(fēng)、采光和能源的補(bǔ)充，是建筑屋頂節(jié)能設(shè)計(jì)的有效手段。

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