低碳節(jié)能理念下建筑幕墻優(yōu)化設(shè)計
—— 以北京市某國際大廈為例

王天宇

2021 年7 月印發(fā)的《關(guān)于推動城鄉(xiāng)建設(shè)綠色發(fā)展的意見》提出，要推動高質(zhì)量綠色建筑規(guī)模化發(fā)展，大力推廣超低能耗、近零能耗建筑，發(fā)展零碳建筑[1]。根據(jù)《中國建筑能耗與碳排放研究報告（2022 年）》的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2020 年全國建筑全過程能耗總量和碳排放總量分別為22.7 億tce和50.8 億t CO2，能耗總量占全國能源消費(fèi)總量的45.5%，碳排放總量占全國碳排放的50.9%，其中，建材生產(chǎn)階段、建筑施工階段、建筑運(yùn)行階段的碳排放量分別占28.2%、1.0%、21.7%[2]。由此可見，建筑行業(yè)實施低碳建造，對于實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、提升建筑能效水平具有重要的意義。

建筑幕墻作為不承擔(dān)主體結(jié)構(gòu)荷載與作用的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代建筑工程中，在改善和美化建筑外形的同時，也會對室內(nèi)和室外的熱量交換產(chǎn)生一定的影響，是建筑節(jié)能減排的實踐終端和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著生態(tài)環(huán)境不斷惡化，建筑幕墻低碳節(jié)能的優(yōu)化設(shè)計顯得愈發(fā)重要，可以避免過多熱量被轉(zhuǎn)移到室外，使室內(nèi)的熱環(huán)境維持在一個較為舒適的狀態(tài)，從而大幅降低冬季、夏季熱環(huán)境下的設(shè)備運(yùn)行的能耗以及建筑整體碳排放。在節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)不斷提高和高質(zhì)量發(fā)展的背景下，建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)建造技術(shù)亟需在建造質(zhì)量和低碳節(jié)能方面進(jìn)一步優(yōu)化和升級，將綠色環(huán)保、節(jié)能低碳融入建筑幕墻建設(shè)的全過程，運(yùn)用多項綠色建筑技術(shù)、低碳節(jié)能技術(shù)，提升建造效率和品質(zhì)，以此實現(xiàn)建筑的節(jié)能減排。

1 建筑幕墻的類型

建筑幕墻是不承擔(dān)主體結(jié)構(gòu)荷載與作用的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系，由金屬龍骨與各種板材面層構(gòu)成，相對主體結(jié)構(gòu)有一定位移能力或自身有一定變形能力[3]。根據(jù)表面材料的不同，建筑幕墻可以分為玻璃幕墻、石材幕墻、金屬幕墻3 類；根據(jù)安裝支撐形式及加工方式的不同，建筑幕墻可以分為構(gòu)件式幕墻、單元式幕墻、半單元式幕墻、點支式幕墻和全玻式幕墻；以新技術(shù)和新工藝為依據(jù)，可將其劃分為節(jié)能型、復(fù)合型等多種形式，如建筑生態(tài)幕墻、建筑光電幕墻、建筑雙層動態(tài)的節(jié)能幕墻等。

2 影響建筑幕墻熱耗的2 個主要因素

2.1 建筑幕墻的氣密性

建筑幕墻的氣密性主要是指幕墻拼接完成后本身對氣流的阻隔能力，會對建筑的熱損失和幕墻的保溫效果產(chǎn)生直接的影響[4]。在建筑幕墻設(shè)計和安裝工作中，一旦沒有按照有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行合理操作，很可能會出現(xiàn)拼接縫隙較大的問題，從而使內(nèi)外部氣體可以通過縫隙流過，導(dǎo)致熱量散失。特別是在嚴(yán)寒地區(qū)，如果氣密性較差，會對玻璃幕墻的隔熱效果和保溫性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，為避免建筑室內(nèi)熱量散失，在設(shè)計玻璃幕墻時，不僅需要保證幕墻的結(jié)構(gòu)合理，還需要嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行氣密性實驗，保證氣密效果。

2.2 建筑幕墻層間傳熱系數(shù)

在設(shè)計建筑幕墻時，部分設(shè)計者會選擇具有整體美觀效果的玻璃幕墻。雖然玻璃具有較高的傳熱系數(shù)，但是如果不能有效地處理建筑幕墻的室內(nèi)熱量傳遞，會造成能源浪費(fèi)，導(dǎo)致整個建筑的熱能損耗增加。建筑幕墻層間傳熱系數(shù)會受幕墻的透射率和反射率影響。建筑幕墻的透射率和反射率的測量對象都是可見光，在太陽光中，大約有50%是可見光，43%是紅外線，7%是紫外線，太陽光的熱量很大一部分集中在紅外波段。

建筑幕墻的透射率是指光線穿過幕墻的比率，數(shù)值越大，說明光線透過玻璃窗的比率越大，反射率與透射率成反比，透射率數(shù)值越小，則反射率數(shù)值越大，幕墻的遮蔽效果也就越好。通常情況下，透射率越大，傳熱系數(shù)越高，其所能造成的實際熱損失也越大，影響建筑的保溫效果。

以普通的6 mm單片白玻璃為例，其透射率約為85%，反射率約為7%，另外分別約有6%和2%的光線和熱能會通過幕墻，向外或向內(nèi)進(jìn)行二次輻射和對流，其遮陽系數(shù)約為0.99，在ASHERA 標(biāo)準(zhǔn)條件下其傳熱系數(shù)分別為5.74（夏）和6.17（冬），保溫隔熱性能較差，會造成較大的熱損失。由此可見，對于建筑幕墻而言，其材質(zhì)會影響建筑的傳熱系數(shù)。例如，選擇中空玻璃（厚度以12 mm 或以上為宜）可以有效提高玻璃型建筑幕墻熱阻，減少室內(nèi)外的熱交換，從而降低空調(diào)能耗。

3 基于低碳節(jié)能理念的建筑幕墻的優(yōu)化設(shè)計

本文以北京市某國際大廈（以下簡稱A 大廈）為例，結(jié)合北京市實行75%建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的具體要求，從材料和技術(shù)2 方面，探究低碳節(jié)能理念下建筑幕墻優(yōu)化設(shè)計，為該大廈的節(jié)能改造奠定基礎(chǔ)[5]。

3.1 合理選擇節(jié)能材料

3.1.1 合理選擇綠色環(huán)保的節(jié)能玻璃材料

首先，選擇新型特性的幕墻玻璃。隨著建筑領(lǐng)域節(jié)能降碳要求以及建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的提升，對具有綠色節(jié)能特性的建筑幕墻材料的需求愈發(fā)迫切，新型幕墻玻璃逐漸流入市場。因此，A 大廈在節(jié)能改造過程中，可以選擇新型特性的幕墻玻璃，如新型聚光玻璃，利用聚甲基丙烯酸甲酯代替玻璃幕墻中的玻璃成分，集中大量的光和熱，達(dá)到聚光效果，有效控制玻璃幕墻的傳熱系數(shù)，在解決玻璃幕墻能量損失的同時，提高太陽能利用率[6]。該玻璃幕墻既能滿足日常的室內(nèi)照明要求，又能將過剩的光和熱收集起來用作其他用途，如緊急情況下的供電。

其次，選擇中空節(jié)能的幕墻玻璃。中空玻璃的基本原理是利用玻璃的兩層間隙，采用人工粘接的組合方式，將兩層或三層玻璃粘到鋁合金框架上，再抽出玻璃空隙內(nèi)的空氣，并在玻璃的中空結(jié)構(gòu)中添加干燥劑或填充惰性氣體，使玻璃幕墻具有高熱工、高隔音的特性，可以顯著改善幕墻結(jié)構(gòu)的隔噪性能。在A 大廈節(jié)能改造過程中，工程設(shè)計人員可以根據(jù)公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以及大廈的節(jié)能需求，選擇不同厚度、不同層數(shù)、不同透射度、不同熱工系數(shù)的玻璃幕墻，并適當(dāng)改進(jìn)建筑玻璃幕墻的熱工系數(shù)、玻璃層次厚度、幕墻透射度、幕墻總層數(shù)等各項技術(shù)指標(biāo)，從而有效提升幕墻使用過程中的靈活程度和穩(wěn)定性。

最后，選擇光電與鍍膜的幕墻玻璃。光電與鍍膜的幕墻玻璃通過收集自然光的光電效應(yīng)而產(chǎn)生能量，可有效阻擋強(qiáng)光的直接照射，且不會對建筑內(nèi)部的通風(fēng)遮陽、保溫隔熱等效果造成直接影響，有效減少了建筑物的整體光污染強(qiáng)度。同時，可以增加建筑的藝術(shù)性，最大限度地提高了幕墻結(jié)構(gòu)的美觀度，兼具美感效應(yīng)和綠色節(jié)能效應(yīng)。

3.1.2 合理選擇幕墻型材

低碳節(jié)能理念下，在建筑幕墻設(shè)計過程中，合理選擇建筑幕墻框架材料是提高建筑綠色節(jié)能效果的重要手段。隨著建材和科技的持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新，越來越多的新型節(jié)能環(huán)保材料被應(yīng)用到建筑幕墻中，其中，就包括斷熱材料。因為斷熱材料具有密封性好、重量輕、蓄熱性能、抗風(fēng)性能好等特點，將斷熱材料應(yīng)用于建筑幕墻中，能夠有效地降低建筑的熱能消耗。

為了使建筑幕墻達(dá)到更好的節(jié)能效果，在選擇幕墻框架材料時，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，綜合考慮美觀性、實用性、耐用性，使其在滿足其硬度（承載力）、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等機(jī)械性能要求的前提下，還可以滿足其美學(xué)和耐久性的需求。例如，選擇鋁合金絕熱型材，擁有優(yōu)良的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)支撐能力，不僅能有效地抵御強(qiáng)風(fēng)和幕墻自重，還可以阻擋熱傳遞，減少能量的轉(zhuǎn)換，從而滿足了建筑幕墻的節(jié)能需要。

3.2 運(yùn)用綠色節(jié)能技術(shù)

建筑幕墻設(shè)計中合理運(yùn)用綠色節(jié)能技術(shù)，是踐行低碳節(jié)能理念、保證施工材料和建筑物節(jié)能效果的基礎(chǔ)。

3.2.1 通風(fēng)技術(shù)

通風(fēng)是影響幕墻建筑綠色特征的關(guān)鍵因素之一，它對建筑使用環(huán)境的健康、建筑能耗有重要影響。自然通風(fēng)作為較傳統(tǒng)的建筑節(jié)能方式，是實現(xiàn)零能耗零排放、減少熱效應(yīng)最有效的手段，也是提高建筑物內(nèi)部空氣質(zhì)量的最根本途徑。A 大廈在節(jié)能改造過程中，為了節(jié)省建筑能耗，設(shè)計人員需要將自然通風(fēng)技術(shù)納入考量，采用自然通風(fēng)幕墻技術(shù)對建筑幕墻進(jìn)行節(jié)能改造。以大廈所處的地理位置和氣候條件為依據(jù)，并與風(fēng)向特征相結(jié)合，運(yùn)用科學(xué)合理的布局、排列、高低長短搭配，通過設(shè)置天井、導(dǎo)流板、天窗、捕風(fēng)器、百葉玻璃幕墻及雙層玻璃幕墻等，更好地利用自然風(fēng)，達(dá)到自然通風(fēng)的目的，從而獲得最佳的節(jié)能效果。

3.2.2 幕墻采光節(jié)能技術(shù)

幕墻采光節(jié)能技術(shù)是指利用太陽能為建筑內(nèi)部提供光線，使自然光線得到充分利用。傳統(tǒng)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計人員往往會在幕墻上安裝燈光，實現(xiàn)建筑采光照明，但是這種人工采光系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的建筑冷負(fù)荷和建筑排放廢熱，與低碳環(huán)保的建筑幕墻設(shè)計思想相悖。因此，在A 大廈節(jié)能改造過程中，設(shè)計人員可以利用人工智能技術(shù)和自然采光技術(shù)設(shè)計智能幕墻采光系統(tǒng)，實現(xiàn)日照調(diào)節(jié)、取暖加熱、智慧燈光等功能的集中控制[7]。

3.2.3 幕墻遮陽技術(shù)

遮陽技術(shù)是指利用合理的遮擋部件，如帆布篷、軟百葉、竹簾、布簾、遮陽窗簾及防曬板等幕墻內(nèi)置結(jié)構(gòu)，防止太陽光直接照射到室內(nèi)，從而降低日照輻射，使建筑室內(nèi)維持在較為舒適的狀態(tài)。對于A 大廈而言，建筑物有大面積透明幕墻，應(yīng)用遮陽技術(shù)可以使幕墻的表面溫度處于較低的狀態(tài)，防止因日光直接照射而引起室內(nèi)過熱和二次光污染，實現(xiàn)建筑節(jié)能的要求。因此，可以應(yīng)用遮陽節(jié)能幕墻技術(shù)，設(shè)計智慧遮陽節(jié)能幕墻系統(tǒng)，利用光照傳感器感應(yīng)外界光線強(qiáng)度，通過控制器控制電機(jī)啟動，電機(jī)轉(zhuǎn)動會帶動太陽能電池板以及加強(qiáng)板組件轉(zhuǎn)動，使其覆蓋在幕墻本體的內(nèi)部，實現(xiàn)遮陽功能。

3.3 優(yōu)化幕墻構(gòu)造方式

在建筑幕墻設(shè)計和施工過程中，綠色節(jié)能技術(shù)和材料的應(yīng)用，優(yōu)化了建筑幕墻的構(gòu)造方式。太陽能光電幕墻、生態(tài)幕墻、雙層動態(tài)的節(jié)能幕墻等已廣泛應(yīng)用于建筑幕墻設(shè)計中，有效降低了能量消耗，提高了建筑幕墻的節(jié)能效益。

3.3.1 太陽能光電幕墻

太陽能光電幕墻屬于一種新型節(jié)能產(chǎn)品，集發(fā)電、隔音、安全、隔熱以及裝飾功能于一體，在保證外界新鮮空氣不斷流入的同時，實現(xiàn)對建筑內(nèi)部有害氣體的實時排放，且不會產(chǎn)生有害氣體和噪音[8]。在A 大廈節(jié)能改造過程中，設(shè)計人員必須高度重視光電幕墻的應(yīng)用，并與建筑設(shè)計的實際情況相結(jié)合，合理應(yīng)用光電幕墻，大幅度降低建筑光照能耗，發(fā)揮光電幕墻的節(jié)能效果。為防止太陽能光電幕墻存在撓度強(qiáng)、控制難度大等問題，需要在規(guī)劃設(shè)計時，參照邊界支撐條件，借助專業(yè)軟件進(jìn)行精確計算，以保證太陽能光電幕墻設(shè)計的合理性。同時，如果想應(yīng)用太陽能光電幕墻，需設(shè)計人員使用密封膠對幕墻的連接處適當(dāng)處理，確保幕墻的密封性。

3.3.2 生態(tài)幕墻

一方面，將建筑物與植物相結(jié)合，進(jìn)行建筑幕墻設(shè)計，不僅可以滿足人們對建筑的使用需求，還有助于實現(xiàn)人與自然之間的和諧共處，提升建筑幕墻的生態(tài)節(jié)能效果，有效推動區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。在此過程中，設(shè)計人員需要對建筑幕墻周圍的生態(tài)環(huán)境形成全面的認(rèn)識，從而科學(xué)合理地選擇建材和植物，合理布局建筑幕墻空間結(jié)構(gòu)，使之與周邊的生態(tài)環(huán)境相匹配，在減少建筑能耗的前提下，還能保護(hù)生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展。

另一方面，用綠色環(huán)保技術(shù)構(gòu)建交互式的幕墻結(jié)構(gòu)體系，平衡建筑幕墻與周圍生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)建筑幕墻的主動式節(jié)能減排。在此基礎(chǔ)上，A 大廈在節(jié)能改造過程中，可用仿生技術(shù)，如參照深圳市大浪時尚創(chuàng)意城的幕墻造型設(shè)計，用鋼框架玻璃幕墻、點式拉索玻璃幕墻、全玻璃幕墻、玻璃采光頂、異形窗花格柵及玻璃樓梯等多樣化幕墻系統(tǒng)，將綠色植物的色彩、形態(tài)、結(jié)構(gòu)融入生態(tài)幕墻設(shè)計中，對自然生命形態(tài)和物質(zhì)形式進(jìn)行仿生學(xué)再創(chuàng)造，構(gòu)造仿生生態(tài)建筑幕墻，探索適宜工作和生活的可持續(xù)環(huán)境。

3.3.3 雙層動態(tài)節(jié)能幕墻

工程設(shè)計人員在設(shè)計和構(gòu)造雙層動態(tài)節(jié)能幕墻的過程中，需要借助智能化建造技術(shù)，在兩層幕墻的間隔夾層中填充惰性氣體，并安裝溫度變化與光線變化的自動探測裝置。一方面，使其可以在酷暑天氣，利用熱風(fēng)管的物理作用，將室外熱風(fēng)及時排出，達(dá)到室內(nèi)降溫的目的；另一方面，當(dāng)外部溫度降低時，幕墻內(nèi)表層結(jié)構(gòu)將起到保溫供熱的作用，從而降低建筑物空調(diào)等常規(guī)采暖裝置的能耗。

在設(shè)計雙層動態(tài)的節(jié)能幕墻時，可以根據(jù)建筑物周圍的建筑風(fēng)格，適當(dāng)?shù)剡x用平面光滑、外觀形態(tài)完整的石材幕墻，更能烘托出建筑整體的外觀結(jié)構(gòu)美感。同時，石材幕墻具有結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良、體積大等特點，在綠色節(jié)能方面具有明顯的優(yōu)勢，可有效縮短建筑用石的施工周期，并帶來良好的視覺體驗。但是，在設(shè)計和構(gòu)造雙層動態(tài)節(jié)能石材幕墻過程中，需要對幕墻石材的采購進(jìn)行嚴(yán)格的全面質(zhì)量檢測，防止買到不合格的幕墻石料。同時，還需要檢驗?zāi)z體材料的可靠性和安全性，保證其具有良好的密封性能和防火性能。

4 結(jié)語

在“雙碳”背景下，加強(qiáng)建筑幕墻的優(yōu)化與創(chuàng)新，可以提高建筑的視覺表現(xiàn)力，同時也是降低建筑能耗的重要因素。如何在建筑幕墻設(shè)計中傳遞綠色意識、踐行低碳節(jié)能理念，是當(dāng)前建筑幕墻設(shè)計工作的重要方向。設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合建筑幕墻設(shè)計實踐和影響建筑幕墻熱耗的主要因素，從技術(shù)、材料、構(gòu)造方式等方面出發(fā)，通過合理選擇節(jié)能材料、積極運(yùn)用綠色節(jié)能技術(shù)、不斷優(yōu)化幕墻構(gòu)造方式，達(dá)到提升建筑能效水平的目的。