节能型建筑幕墙设计及其未来发展趋势的探究

摘要：随着建筑个性化发展要求，建筑对幕墙的要求也越来越多、越来越高。本文主要针对节能型建筑幕墙设计及其未来发展趋势进行了探究。

关键词：节能型建筑；幕墙设计；设计要求；设计原则；发展趋势

中图分类号：TM08 文献标识码：A 文章编号：

引言

建筑节能是指在房屋建筑、建筑材料生产和构筑物的施工使用过程中，满足同等需要或达到相同目的的条件下，尽可能降低能耗。在国外的发达国家最初是为减少能量的散失，现在就是称为提高建筑的能源的利用率。提高建筑的能源的利用率就是指保证建筑的舒适程度下，要合理的利用能源，不浪费能源，提高能源的使用效率。具体就是指在建筑的前期准备以及设计中，包括建设时，一定要秉持着节能的原则，尽全力按照国家的节能标准进行施工作业。建筑师和设计师可以优先考虑在建筑设计中大量利用节能的材料，提高保暖、制冷等系统的使用效率，加强我国建筑行业节能系统的管理，充分的利用一些可再生能源，在保证室内热环境质量控制的前提下，尽量减少使用能源的供热、空调制冷制热等能量的消耗。

一、节能型建筑幕墙的设计要求

建筑物的能耗绝大部分用于供冷、通风、照明、采暖，因而节能型建筑幕墙的设计要具备节能、自然通风、采光、防止污染、屏蔽噪声等功能。节能型幕墙的自然采光：自然采光与人工照明系统相比更有利于人们健康工作，它能够改变光线的视觉、颜色、强度。据相关统计资料显示，建筑照明所需能耗比重占总能耗的40%-50%，并且在需供冷的季节而产生废热所增加的冷负荷能耗比重占总能耗的30%-50%。因此，建筑幕墙有效地采光和合理地设计能够明显的降低建筑照明能耗。在建筑幕墙的设计中可以通过下面几种方式，提高幕墙的采光性能：（1）采用先进的玻璃材料；（2）合理设计幕墙采光面积；（3）选用先进的窗格系统或者采用可调节遮阳。节能型幕墙的自然通风：良好的通风可以消除微生物污染源，为人们提供大量的新鲜空气，提高室内的空气质量。幕墙作为建筑护体系，通风必须设置在没有污染源的地方，并充分考虑新风口的大小是否能够满足新风量的要求。由于自然通风的基本动力是热压与风压，可以通过热通道幕墙、合理设置开启扇等方式来提升幕墙的通风性能。

二、节能型建筑幕墙的设计原则

1、服从于建筑设计，服务于建筑设计。幕墙是从室内空间到室外空间的过渡层，是可供观赏的外表，是体现建筑设计外观，传达建筑设计理念的基础，所以幕墙在建筑设计中理应倍受重视。可以说，幕墙设计的成败直接影响到建筑设计的成败。幕墙设计服从于建筑设计的意义也就不言而喻了。世界著名的法国卢浮宫玻璃金字塔就是幕墙服务建筑的经典之作。卢浮宫最初的设计备受争议，很多人认为在罗浮宫这座古代宫殿建筑的中心位置，建这样一个钢架玻璃的入口显得不伦不类，有损罗浮宫的古典风格。但是，当这座金字塔外型完全用玻璃罩盖的入口大厅和完备的配套设施展示在人们面前的时候，人们赞叹不已，赞赏有加。可以说是建筑师的大胆构思与幕墙技术的创新结合成就了建筑的经典，体现了幕墙与建筑的完美结合。服从于建筑设计，服务于建筑设计是幕墙设计的根本。不难想象，将建筑设计放在一边，大量生硬地套用各类幕墙产品的建筑，会成为一座什么样的建筑。而将幕墙设计完全放任，仅仅只单纯地追求建筑外观而忽视建筑的整体，这样建筑只能成为一件艺术品，它永远也成不了建筑精品。

2、服从法规规范要求，幕墙除了要服从于建筑设计的要求，满足建筑设计的各项性能外，作为一种护结构，与混凝土结构、钢结构一样，其结构安全性也是设计应关注的重点。国家颁布实施的《工程建设标准强制性条文》，以及幕墙相关的国家标准行业标准，都是我们幕墙设计过程中需遵守的基本原则。目前国内幕墙技术标准已形成了一个较完整的标准化体系，正确地理解和应用规范，遵守规范要求是幕墙设计的责任。

三、节能型建筑幕墙的设计要点及发展趋势

1、使用新型节能材料

尽管幕墙的类型千变万化，但它总是由面材和框架两个主要部分组成，而幕墙的节能效果也与这两种材料的热阻直接相关。随着幕墙技术及新型材料技术的发展，一大批高性能的节能材料的出现---如隔热型材、双银甚至三银Low-E玻璃等---使幕墙的节能效果也越来越优越。

A）节能型型材：

热断桥铝合金的原理是在铝型材中间穿入隔热条，将铝型材断开形成断桥，有效阻止热量的传导。隔热铝合金型材门窗的热传导性比非隔热铝合金型材门窗降低40～70%。

隔热型材的生产方式主要有两种：一种是采用隔热条材料与铝型材，通过机械开齿、穿条、滚压等工序形成“隔热桥”，称为隔热型材“穿条式”；另一种是把隔热材料浇注入铝合金型材的隔热腔体内，经过固化，去除断桥金属等工序形成“隔热桥”，称为“浇注式”隔热型材。隔热型材的内外两面，可以是不同断面的型材，也可以是不同表面处理方式的不同颜色型材。但受地域，气候的影响，避免因隔热材料和铝型材的线膨胀系数的差距很大，在热胀冷缩时二者之间产生较大应力和间隙；同时隔热材料和铝型材组合成一体，在门窗和幕墙结构中，同样和铝材一样受力。因此，要求隔热材料还必须有与铝合金型材相接近的抗拉强度、抗弯强度，膨胀系数和弹性模量，否则就会使隔热桥遭到断开和破坏。因此，隔热材料的选用是非常重要的。

B）节能型面材：

任何镀膜玻璃在限制太阳热辐射透过的同时也会不同程度地限制可见光的透过。在同等透光率的前提下，双银、三银Low-E玻璃比单银Low-E玻璃能够阻挡更多的太阳热辐射热能。

几种镀膜中空玻璃的太阳光谱透过曲线如下图所示：

从图中可看出， 在可见光（0.38－0.78微米）透过率基本相同的情况下， 几种镀膜玻璃的红外线（0.78－2.5微米）透过率差异明显。阳光控制镀膜玻璃的红外线透过率仍很高，单银Low－E玻璃显著降低，而双银Low－E更低，三银Low－E最低。 同时，离线Low－E玻璃的辐射率都在0.15以下，三银可低至0.03左右，因而传热系数U值很低。以6mm＋12A+6mm结构的中空玻璃为例，未镀膜的U值约为2.8W/m2.K，镀Low-E膜的U值约为1.8W/m2.K， 镀阳光控制膜的U值约为2.5W/m2.K。就节能性而言，三银Low－E玻璃 > 双银Low－E玻璃> 单银Low－E玻璃 > 阳光控制镀膜玻璃 > 普通透明玻璃。

在透光率相同情况下，双银、三银Low-E具有更低的遮阳系数Sc，能更大限度地将太阳光过滤成冷光源。通过模拟计算能耗所得出的数值。Low-E中空玻璃随着银层的增加，U值和Sc值明显降低，使用双银和三银Low-E中玻璃时的相对能耗比使用单银Low-E中空玻璃分别降低了5%和10%。从一些工程的实际计算结果来看，此相对能耗的估计是准确的。

2、采用先进的节能工艺及构造

采用高性能的材料自然能直接提高幕墙的节能效果，但同时也增加了幕墙的材料成本，那么是不是只有采用高性能材料一条途径来节能呢？答案当然不是，我们还可以通过采用一些新工艺及科学的构造来实现。例如：

A）提高幕墙的气密性

幕墙的气密性是与幕墙的节能密切相关的一项物理指标，举例来说，假如一幅幕墙为开放式的，那么这幅幕墙也就失去了节能效果，也就是说，幕墙的气密性能越高，那么它与外界的热交换也就越少，它的节能效果也就越好。

B）采用遮阳条或遮阳百页

在玻璃幕墙上设置遮阳系统，可以最大限度减少阳光的直接照射，从而避免室内过热，是炎热地区建筑防热的主要措施之一。

设置遮阳后，会产生以下的作用及效果：

1) 遮阳对太阳辐射的作用。护结构的保温隔热性能受许多因素的影响，其中影响最大的指标就是遮阳系数。一般来说，遮阳系数受到材料本身特性和环境的控制。遮阳系数就是透过有遮阳措施的围护结构和没有遮阳措施的围护结构的太阳辐射热量的比值。遮阳系数愈小，透过护结构的太阳辐射热量愈小，防热效果愈好。在广州地区进行实测得到的各主要朝向窗口的遮阳系数分别为：西向17%，南向45%，北向60%。由此可见，遮阳对遮挡太阳辐射热的效果是相当大的，玻璃幕墙建筑设置遮阳措施更是效果明显。

2) 遮阳对室内温度作用。遮阳防止室内温度上升有明显作用，在广州某西向房间试验观测表明：在闭窗的情况下，有、无遮阳，室温最大差值达2℃,平均差值1.4℃。而且有遮阳时，房间温度波幅值较小，室温出现最大值的时间延迟，室内温度场均匀。因此，遮阳对空调房间可减少冷负荷，所以对空调建筑来说，遮阳更是节约电能的主要措施之一。

3) 遮阳对采光的作用。从天然采光的观点来看，遮阳措施会阻挡直射阳光，防止眩光，使室内照度分布比较均匀，有助于视觉的正常工作。对周围环境来说，遮阳可分散玻璃幕墙的玻璃（尤其是镀膜玻璃）的反射光，避免了大面积玻璃反光造成光污染。但是，由于遮阳措施有挡光作用，从而会降低室内照度，在阴雨天更为不利。因此，在遮阳系统设计时要有充分的考虑，尽量满足室内天然采光的要求。

4) 遮阳对建筑外观的作用。一般人都认为玻璃幕墙设计只能平板化，无法设计外遮阳等遮阳设施，但是由国外的许多案例我们可以发现金属玻璃幕墙能以轻巧的金属板设计成优美的遮阳形式并成为建筑造型有趣的一部份。遮阳系统在玻璃幕墙外观的玻璃墙体上形成光影效果，体现出现代建筑艺术美学效果。因此，在欧洲建筑界，已经把外遮阳系统作为一种活跃的立面元素，加以利用，甚至称之为双层立面形式。一层是建筑物本身的立面，另一层则是动态的遮阳状态的立面形式。这种具有“动感”的建筑物形象不是因为建筑立面的时尚需要，而是现代技术解决人类对建筑节能和享受自然需求而产生的一种新的现代建筑形态。

5) 遮阳对房间通风的影响。遮阳设施对房间通风有一定的阻挡作用，在开启窗通风的情况下，室内的风速会减弱22-47%，具体视遮阳设施的构造情况而定。而对玻璃表面上升的热空气有阻挡作用，不利散热，因此在遮阳的构造设计时应加以注意。

C）采用双层幕墙

双层通道幕墙是双层结构的新型幕墙，外层幕墙通常采用点支式玻璃幕墙、明框玻璃幕墙或隐框玻璃幕墙，内层幕墙通常采用明框玻璃幕墙、隐框玻璃幕墙或铝合金门窗，为增加幕墙的通透性，也有内外层幕墙都采用点支式玻璃幕墙结构的。在内外层幕墙之间，有一个宽度通常为几百毫米的通道，在通道的上下部位分别有出气口和进气口，空气可从下部的进气口进入通道，从上部的出气口排出通道，形成空气在通道内自下而上的流动，同时将通道内的热量带出通道，所以双层通道幕墙也称热通道幕墙。

双层通道幕墙的应用在我国刚刚兴起，对其特殊的功能如温室效应认识还很局限，下面对此进行剖析。

顾名思义，“温室效应”即是双层通道幕墙能形成热屏蔽，冬季能阻止室内的热量流向室外，夏季能阻止室外的热量流向室内，使得室内处于较恒定的热环境中。

双层通道幕墙的温室效应共有三种表现形式：

其一是在炎热的夏季，双层通道幕墙中通道里的进气口和出气口全部打开，由于烟窗效应，空气将在通道中自下而上的运行，在空气运行过程中，将通道内的热量带出通道，使得内层幕墙处于较低的温度环境中，阻止了热量由室外流向室内，这是双层通道幕墙温室效应的表现形式之一。

其二是在寒冷的冬季，双层通道幕墙中通道里的进气口和出气口全部关闭，使得通道中的空气静止，在阳光的照射下，通道中的空气将有较大的温升，使得内层幕墙处于较高的温度环境中，阻止了热量由室内流向室外，这是双层通道幕墙温室效应的表现形式之二。

这两种温室效应都是动态的、随机的、只能定性描述，目前还无法定量计算。

其三是双层通道幕墙的传热系数比单层通道幕墙的传热系数降低很多，阻止了室内外环境热量的交流，这是双层通道幕墙温室效应的表现形式之三。

双层通道幕墙的传热系数是可以定量计算的。

结束语

幕墙是实现建筑外观、建筑功能以及建筑效能的直接载体，幕墙设计是幕墙实施的基础。建筑设计的发展与幕墙技术的创新是相辅相成的，正确地认识和把握幕墙设计，在现代建筑设计快速发展的今天具有更加深远的意义。

参考文献

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[2]尹若晶．领略绿色节能型幕墙的技术发展[J]．2012(8)．

[3]方彬彬．浅谈节能型建筑设计[J]． 2008(10)．