公共建筑外窗幕墻的節(jié)能設計研究

文_胡毅 廣東建筑藝術設計院有限公司

0 引言

在建筑的維護結構當中，最重要的組成部分就是外窗，它要滿足人們在視野、通風、采光等方面對需求，同時也是整個建筑物熱傳導、熱交換較為敏感、活躍的區(qū)域。外窗的能耗大概是建筑物屋面的5倍、墻體的4倍、地面的20倍，在整個建筑維護結構的能耗中大概占據(jù)40%～50%，外窗也是建筑物在保溫作用中的薄弱區(qū)域。廣東地區(qū)是典型的夏熱冬冷區(qū)域，文章就此分析了當?shù)毓步ㄖ谕獯澳粔χ械墓?jié)能設計。

1 玻璃選擇原則

廣東地區(qū)的公共建筑對于冬季的采暖需求并不是十分強烈。首先公共建筑區(qū)域的人員分布較為密集，人體散熱量較大。其次公共建筑中的設備數(shù)量大，使用過程中會產生大量熱能。再有公共建筑通常位于市中心，因此溫度也要高于郊區(qū)。最后是氣候方面的影響，我國平均氣溫在近50年內明顯上升，逐漸呈現(xiàn)出夏季越加炎熱，冬季越來越暖的趨勢。

我國的公共建筑通常都是鋼筋混凝土結構，能夠滿足基礎的保溫要求，同時因為廣東地區(qū)在冬季對于采暖的需求較低，因此可以通過其它更加經濟性的方法實現(xiàn)或是直接忽略。為此夏季制冷成為公共建筑在主要追求目標，在對當?shù)毓步ㄖ獯澳粔M行設計的過程中應該遵循合理采光、遮陽為主的節(jié)能設計原則。

2 外窗玻璃選擇

外窗玻璃大概能夠占據(jù)整個公共建筑總面積的70%～90%，擁有最大的輻射面積和導熱面積。在廣東地區(qū)，選擇適合的外窗玻璃對于公共建筑實現(xiàn)節(jié)能目標具有重要影響。具體可以通過兩種參數(shù)來表示玻璃熱工性能，第一種是傳熱系數(shù)K值，主要在室內外環(huán)境溫度不同條件下進行表征，表示單位溫差和單位面積條件下的玻璃傳遞熱量。其次是遮陽系數(shù)，也是玻璃太陽能透過率總和與3毫米厚的透明無色玻璃透過太陽能率之間的比值，也就是玻璃遮陽系數(shù)，不同類型的玻璃擁有不同的熱工性能，具體如表1所示，

表1 種類不同玻璃熱工性能

在廣東地區(qū)因為夏季的日照較強，建筑物在制冷過程中會消耗大量能耗，因此需要合理選擇玻璃。普通白玻遮陽性能較差，但是保溫性能優(yōu)良。因為太陽能輻射是空調能耗的主要原因，玻璃的遮陽性也決定了建筑節(jié)能效用，而隨著玻璃遮陽系數(shù)的提高，太陽投射能量也逐漸降低，可以促進建筑制冷節(jié)能，但是玻璃遮陽系數(shù)過低，就無法滿足建筑采光需求。在這種情況下可以選擇LOW-E玻璃，尤其是雙銀LOW-E玻璃，是使用不吸熱、紅外線反射率高的材料進行鍍膜的，因此能夠有效反射遠紅外線輻射和太陽能輻射，保溫性能突出，同時還能夠選擇性投射熱能較低的可見光，將大量熱能有效隔離開來。這種玻璃的遮陽系數(shù)最低能夠降到0.3～0.6，有效減少了太陽輻射，也是公共建筑進行外窗幕墻設計的不二選擇。

3 窗墻比設計

窗墻比主要就是窗戶面積和房間立面區(qū)域面積的比值，房間立面區(qū)域面積就是建筑物高度和開間定位線共同圍成的區(qū)域。通過窗戶，熱量傳遞到室內空間，具體利用空氣滲透、太陽輻射和窗材導熱等渠道實現(xiàn)。上述渠道和窗戶大小之間擁有直接聯(lián)系，窗戶的面積和空調負荷之間呈現(xiàn)出一種線性聯(lián)系。為了促進窗戶能耗的有效降低，各種節(jié)能窗戶也相繼誕生，但是卻無法徹底改善因為大開窗所導致的能源浪費問題。經過相關實驗發(fā)現(xiàn)，大部分人在20%的開窗率下就已經得到基本滿足，在窗戶敞開程度達到30%的時候，達到心理滿足最高程度，在開窗幅度超出30%時，對于滿足視覺要求不再具有任何影響。此外人類對于開窗面積最低要求是底板面積的6.15%，開窗率在20%～ 30%的條件下不會對通風效果產生任何影響。而目前有部分公共建筑的開窗率已經達到70%，不滿足節(jié)能要求。

4 外窗方位設計

外窗方位的變化影響建筑內部所接收的太陽輻射熱量。結合太陽運行規(guī)律來看，在冬季時，南向窗戶太陽輻射熱量較大，夏季則是西面或是東面的接收熱量大。此外因為廣東地區(qū)夏季以亞熱帶季風氣候為主，在設計窗戶方位的過程中也應該盡量按照北向、東南向和南向的方位設計，促進室內形成穿堂風。

水平屋頂這一方位的氣候變化最為強烈，針對頂層居住環(huán)境和能源問題，可以進一步加強保溫設計，盡量不要使用水平天窗方法進行設計。在廣東地區(qū)的公共建筑設計中，為了提高屋頂采光效果，降低水平日照量，可以設計成變化形式的屋頂造型，結合垂直采光設計。結合季風影響和太陽輻射程度，促進房屋外墻面積的不斷擴大，正對南方向設置多一點的開窗，對于東西方向的外墻則應該盡量避免開窗設計，朝北方向盡量少設計開窗。這也是當?shù)氐慕ㄖ獯霸O計的理想方位朝向。

5 雙玻幕墻設計

玻璃幕墻憑借其新穎美觀的造型優(yōu)勢逐漸在建筑領域推廣開來，關注逐漸增加。這是影響建筑能耗和室內熱舒適度的重要因素之一。為了有效改善單一玻璃幕墻中能耗巨大的缺點，雙層呼吸式幕墻誕生。這種新型的建筑節(jié)能技術在歐洲大部分國家中得到了廣泛的應用和推廣。雙層幕墻其實就是包括內外兩種玻璃幕墻，而在兩層玻璃幕墻之間留有一個通道，外部幕墻中還設計有出風口與進風口，能夠在炎熱的夏季中形成對流排熱，在雙層幕墻中間位置還專門設置了活動遮陽。

大部分人持有這樣一種觀點，只要使用了良好的節(jié)能玻璃，比如雙層玻璃幕墻，就可以滿足節(jié)能發(fā)展要求，將雙層節(jié)能幕墻的功用無限夸大。據(jù)相關統(tǒng)計證明和傳統(tǒng)單層玻璃幕墻相比，雙層玻璃幕墻冬季保溫隔熱效果確實更加突出，能夠有效調節(jié)室內氣候，降低空調應用時間，節(jié)約能源資源，玻璃的節(jié)能效果和遮陽性能完全趕不上外墻，浪費也無法通過科技水平來彌補。

6 外窗氣密性設計

目前針對外窗氣密性設計主要包括兩種方法，選擇擁有良好氣密性的材料，設計合理的節(jié)能窗型。正常情況下，可以通過平開窗、固定窗和推拉窗等形式設計外窗幕墻，為此相關設計人員可以結合具體情況挑選能夠適應當?shù)丨h(huán)境的窗型種類。推拉窗會形成大面積氣流空間，讓空氣形成一種環(huán)流狀態(tài)，進而降低室內溫度。平開窗利用橡膠封條密封窗框和窗扇之間區(qū)域，因此在窗戶關閉的狀態(tài)下，是無法形成室內環(huán)流的，但是并不代表窗戶徹底密封，氣流依然可以通過墻體和窗戶連接位置流入室內。固定式外窗則是直接安裝到門框當中，窗框設置在墻體內，窗框和玻璃之間通過密封膠進行處理，因此無法促進室內外空氣流通，密封效果好，在一定程度上節(jié)省了能源。在選擇密封材料的時候，針對雙層玻璃周圍可以選擇密封膠進行處理，提高隔音和保溫效果。

7 結語

將節(jié)能設計理念應用于公共建筑的外窗幕墻設計當中，能夠順應人民生活需求和國家發(fā)展趨勢，在改善建筑物隔熱保溫性能的同時，節(jié)約資源能源，促進能源的重復利用，為國家發(fā)展贏得先機。