夏热冬暖地区建筑幕墙的生态技术策略研究

摘要：伴随着新技术、新材料的发展及生态意识地逐渐深入人心，建筑除了保护功能之外，还应像人的“皮肤”一样具有调节功能。我国各地气候差异较大，不同地区气候对建筑性能及构造要求不同，如夏热冬暖地区建筑则以通风隔热为主。文章基于生态学角度研究夏热冬暖地区建筑幕墙如何从类型、材料、构造等方面进行生态设计并结合实例分析，尝试总结具有可操作的设计策略。

关键词：夏热冬暖地区；幕墙；技术材料；生态策略

中图分类号：TUI11.19+5

文献标识码：A

文章编号：1008-0422（2013）02-0069-04

1、引言

在建设节约型社会的大背景下，研究与改善建筑行业高污染高能耗问题是势在必行的。科学技术的进步与建筑材料的发展，使建筑幕墙不仅具有围护结构的保护与装饰功能外，还具有像人的“皮肤”一样可以调节气候对人体舒适度的影响。夏热冬暖地区建筑生态节能研究起步的较北方晚，理论与实践都有待进一步完善。作为建筑的主要部分之一的幕墙系统对建筑的能耗量有着决定性的作用。因此，研究建筑幕墙的生态技术策略是有意义的。

2、夏热冬暖地区气候特点

《民用建筑热工设计规范》GB501 76-93中夏热冬暖地区是指累年最热月平均温度为25～29℃，累年最冷月平均温度大于10℃，累年日平均温度大干等于25℃的天数为100～200天的地区。气候特征属于亚热带海洋性湿润季风气候。夏热冬暖地区位于北纬27。以南，东经97。以东，纬度一般不高。该地区建筑受到的太阳辐射南北朝向不太强烈，东西朝向很强烈，因此建筑设计上主要满足夏季遮阳隔热与自然通风。夏热冬暖地区包括的城市（见图1）

3、夏热冬暖地区建筑幕墙的生态策略

我国《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ102-2003）将建筑幕墙定义为：由支承结构与面板组成的，可相对主体结构有一定位移能量，不分担主体结构所受作用的建筑护结构或装饰性结构。文中从材料性能与构造形式两方面研究建筑幕墙的生态技术策略。

3.1 幕墙材料的自我防护性能

3.1.1 传统幕墙面板材料

以遮阳隔热为主的夏热冬暖地区，建筑幕墙的面板层可以有效地阻挡太阳辐射热进入室内，减少室内的热工能耗量。目前市场上广泛使用的材料是金属、石材、玻璃三种。理论上而言，它们均是可回收利用的绿色材料。金属可塑性强，随着时间逐渐发生氧化作用，具有特殊装饰效果，（见图2）；石材是人类历史上应用最早的建筑材料，具有抗压强度高、保温隔热性好、便于就地取材的特点，（见图3）；玻璃具有良好的透光性，能融合室内外环境，成为建筑师表达其创造思想的灵感来源。玻璃被大量使用的同时带来的生态问题也逐渐凸显，引起了人们的关注。遮阳系数SC是夏热冬暖地区玻璃选择的主要参考指标，SC越低遮阳效果越好。目前市场上常见节能玻璃如下4种，其主要热工性能比较（见表1）

①吸热玻璃

主要特点是保温性能好，但在获得较多热能的同时易形成新热源，因此夏热冬暖地区不宜采用。

②镀膜玻璃

建筑中镀膜玻璃以低辐射玻璃和热反射玻璃为主，此外还有涂膜玻璃和贴膜玻璃等。热反射玻璃隔热效果非常明显，低辐射玻璃具有良好的隔热保温性能。

③中空玻璃

BPG推荐中空玻璃最佳节能组合：低辐射玻璃+吸热玻璃（热反射玻璃），夏天起到隔热效果，冬天起到保温效果。

④真空玻璃

真空玻璃是在低辐射玻璃基础上发展起来的。是将四周连接密封的两块玻璃板间的空隙抽成真空，或用透明绝热材料填充，提高热阻，以达到保温隔热效果。

3.1.2 新型幕墙材料

3.1.2.1 ETFE膜

物理性能好且具有强大的表现力。如水立方（见图4），其是唯一一个完全由膜结构来进行全封闭的大型公共建筑，建筑与结构融为一体，外表晶莹剔透为馆内带来充足的自然光线

3.1.2.2 纸材料

坂茂设计的2000年德国汉诺威万国博览会日本馆（见图5），用12.5cm粗的经回收加工的纸料制成拱筒网状的结构，弧形屋面和墙身浑然一体。顶棚表面是由织物和纸塑料材料制成的半透明薄膜。纸屋在展览结束后可以拆除再回收利用，体现“零废料”的生态设计概念。

3.1.2.3 竹材料

隈研吾的“长城脚下的竹屋”（见图6），通过竹子和玻璃两种材料与周边环境融为一体，体现生态的概念。施工中竹子经过280。杀菌处理，部分双层玻璃里填充羽毛以提高隔热性能。

3.2 幕墙双重构造技术策略

3.2.1 护墙的保温隔热技术

3.2.1.1 护墙的保温构造技术

现用于护墙的保温构造技术主要有四种（见图7～10）。实际工程中，夏热冬暖地区建筑主要采用墙体自保温，具有围护和保温合二为一优点，施工方便。墙体外保温适用于剪力墙较多的建筑，该构造有利于提高建筑抵抗室外气候变化对主体结构的影响，有利于提高建筑热稳定性且可避免热桥。外墙内保温在夏热冬暖地区南区也是适用的，使用中不仅不存在热桥、结露等性能问题，且在安全性、施工成本等优于外保温形式，一般建筑可优先推广外墙内保温的形式。

3.2.1.2 护墙的隔热技术

夏热冬暖地区护墙的外表面的隔热主要是吸收升温隔热和反射降温隔热。吸收升温隔热是利用绝热材料对墙体热惰性D的影响，使建筑内表面最高温度出现的时间和建筑使用的时间错开；反射降温的隔热是通过反射太阳的日辐射能力，降低墙体外表面的温度，从而使加热表面传人内表面的热流的峰值降低且延迟，达到隔热的目的。反射降温隔热方式主要有：

①利用构件遮阳反射太阳辐射或利用植物遮阳对太阳辐射的吸收功能及植物的蒸发散热作用，减少太阳辐射对建筑护墙的影响，从而起到隔热作用；

②对护结构表面进行浅色处理或使用不同颜色的遮阳设施。（见图11～12）

3.2.2 空气间层设计

建筑幕墙的面层和结构立面之间形成一个支撑体系空间，利用这个空间内外表面的温差产生的烟囱效应带走围护结构的热量以达到建筑体的降温效果。影响空气间层传热的因素主要有：空气间层的构造、空气间层的厚度、绝热材料的位置等。

3.2.2.1 空气间层的构造分类

空气间层大致可分为封闭式空气间层和开放式空气间层，见图（13、14）。开放式构造形式就是将石材面层分格缝隙做开敞式处理，不用胶或胶条等任何密封措施，可不考虑热阻。其在夏季时有明显的烟囱效应，可将占空气间层50%以上的辐射热量排出。相比较于封闭式，开放式构造形式更适合南方气候炎热地区。

3.2.2.2 空气层的厚度

空气层厚度对空气流通具有很大的影响。随着空气层的厚度加大，空气的对流增强，但当厚度达到一定程度的时候，对流增强与热阻增大的效果相抵消，一般情况下，空气层的厚度在10mm以下时不产生对流，因此空气层的最小尺寸应在15mm以上，在150mm以下为好，太大不利于防水。空气层厚度的选择原则以空气不产生停滞为基本要求。

3.2.2.3 绝热材料的位置

绝热材料铝箔表面易因氧化而失效。常见外贴和布置在幕墙面板高温一侧。在铝箔的有效的寿命里，当空气间层无铺设铝箔时，可以使空气间层的辐射换热量大幅度地减少，但把绝热材料布置在幕墙面板高温侧的做法能既能减缓铝箔材料氧化速度，又能有效的起到隔热作用，减少对空气间层的温度的影响又能。

3.3 幕墙多重构造技术策略

3.3.1 双层玻璃幕墙

3.3.1.1 构造分类

双层玻璃幕墙是由内外两层玻璃幕墙所组成，其间形成一个空气夹层。双层通风玻璃幕墙按通风形式的不同分为开敞式外通风幕墙和封闭式内通风幕墙两种构造形式（见图15）。开敞式通风幕墙适宜夏热冬暖地区，其外层采用单层玻璃，且每层上下设进出风口，内层采用中空玻璃；封闭式通风幕墙适宜采暖地区，外层采用封闭的双层中空玻璃，内层采用单层玻璃幕墙或单层铝合金门窗，夹层空间内的空气从地板下的风道进入，上升到楼板下吊顶内的风道排走。（见图16）

3.3.1.2 开敞式外通风幕墙

3.3.1.2.1 通风原理

炎热地区开敞式外通风幕墙，外层幕墙宜采用热反射玻璃，内层幕墙宜采用中空玻璃，热通道宽度在保证通道内的空气流通和减少空腔内被阳光加热的空气的容积的前提下，可采用相对较小的宽度。夏季，利用“烟囱效应”开启外层幕墙的上下风口，进行自然通风换气，以减少太阳辐射热的影响，降低内层玻璃表面的温度，减少空调能耗量，达到最佳的节能效果。冬季，利用“温室效应”原理，关闭外幕墙的上下风口。白天，太阳进入室内，实现太阳能的被动利用；晚上，空气通道可形成温度缓；中层，起到自然保温的作用。（见图17）双层玻璃幕墙与传统的单层玻璃幕墙相比，采暖时可节能42%～52%，制冷时可节能38%～60%。

3.3.1.2.2 遮阳隔热

李保峰通过实验证明双层玻璃幕墙的遮阳是比通风更高效的防热方式，在开敞式外通风幕墙的空气通道中设置遮阳百叶构件是夏热地区防热的有效措施。遮阳百叶构件材料选择建议使用铝合金百叶，其与木质百叶相比较，具有价格低，质轻、体积小、耐久性好的优点；遮阳百叶的设置位置应尽量靠近外层玻璃，减少叶片辐射对内层玻璃的温度的影响；遮阳百叶叶片上钻孔使空气更易于流动。

3.3.2 光伏幕墙

夏热冬暖地区处于太阳能资源三类、四类地区。从理论角度说，夏热冬暖地区具有发展光伏幕墙的自然条件。建筑设计上，常把光伏构件与玻璃幕墙进行整合设计，创造出不同的建筑立面和室内光影效果。当前国外光伏与建筑的结合形式大体分BAPV、BIPV、BUPV三类。光伏幕墙安装中比较普遍的形式有双层光伏幕墙、点支式光伏幕墙和单元式光伏幕墙。如广州珠江城东西立面的双玻璃光伏组件系统采用室外层为5mm太阳能专用的低铁超白钢化玻璃，内层采用5mm透明钢化玻璃做背面玻璃，用PVB胶膜做密封材料，组件被巧妙的安装在透明玻璃幕墙立面外的梭形铝合金百叶的上层外侧。（见图18～19）

4、结语

建筑幕墙系统具有双重作用，其一，建筑幕墙所具有的独特的美学特征，成为建筑师们乐此不彼地表达设计思想的创作点；其二，建筑幕墙所具有的环境友好功能，是保护和调节室内环境舒适度的重要系统。随着技术和材料的进步，建筑幕墙的构造类型在逐渐地更新，幕墙种类也更加丰富。综合权衡选择适宜的建筑幕墙系统是我们进行建筑幕墙设计的重要出发点。