建筑玻璃幕墙节能设计探讨 叶甜甜

建筑玻璃幕墙节能设计探讨叶甜甜

发表时间：2018-05-17T15:55:54.423Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第34期作者：叶甜甜

[导读] 加强幕墙的节能设计，已经势在必行。

中国城市建设研究院有限公司北京市 100120

摘要：近年来，建筑玻璃幕墙不仅广泛用于各种建筑物的外墙，还应用于各种功能的建筑内墙，很大程度的满足了建筑内外的特殊需要，提高了建筑内外的环境。但是，在现代幕墙广泛采用并为居民创造了更为舒适的工作生活环境的同时，也造成了巨大的能源消耗，因此，加强幕墙的节能设计，已经势在必行。

关键词：建筑幕墙、节能设计、传热系数、断热

1、前言

我国建筑玻璃幕墙基本达到了建筑外装效果的作用，但由于各方面原因仍存在光污染、不节能、不环保等缺点。因此，我们首先要充分利用幕墙的豪华、挺拔、超群的外观艺术效果等其他外围护结构无法比拟的优点，同时利用幕墙这种良好的围护结构又不和国家的发展方针相违背，就要想方设法改变现有幕墙的性能，使它适应历史的发展潮流，在起到很好的围护和装饰效果的同时，展示其节能环保的优势。

1.1节能环保幕墙的发展前景分析

我国幕墙在节能环保设计项目方面起步较晚，与西方国家相比存在不小的差距，因此我国幕墙的节能环保设计的发展道路任重而道远。目前在我国400多亿平方米既有建筑中，90%以上属于高耗能建筑。而在高能耗建筑中，门窗幕墙能耗就占了近一半。因此，建筑节能的关键是门窗幕墙节能。采用新型节能门窗幕墙，并对现有建筑门窗幕墙进行节能改造，是我国能源形势的客观要求，也是市场发展的必然趋势。

为推动全社会节能，缓解能源约束的矛盾和环境压力，国家发改委发布了《节能中长期专项规划》。这是改革开放以来，我国制定的第一个节能中长期规划。在未来几年内，全国都将逐步推广节能率达到百分之六十的建筑节能标准，部分模范带头城市则需要达到百分之七十五。这些政策的实施既给幕墙节能环保设计工程带来了难得的机遇，也带来了挑战。机遇是在政策实施后，国家势必加大对节能环保事业的扶持力度，其中当然也包括了建筑幕墙的节能环保设计工程，非环保型幕墙亦将会被逐渐淘汰，节能环保型幕墙将迎来发展的春天。挑战是因为这些政策将提高对节能环保科技的要求，当前幕墙方面的设计、施工水平恐怕今后几年已经很难满足社会及政策的强制性要求。

1.2现阶段幕墙设计亟待解决的问题

幕墙的应用当前在国内日渐广泛，在发达城市中，幕墙无处不在。随着建筑个性化、智能化发展的要求不断深化，建筑对幕墙的要求也越来越高。幕墙设计的现状与建筑设计需求间的矛盾也越来越突出，总的来说，现阶段幕墙设计主要存在以下问题：

1）对幕墙设计重要性的认识不够

由于幕墙设计与建筑结构设计有很大的差别，幕墙施工与建筑主体施工单位大多数都是不同的施工单位，所以，大部分的建筑设计单位建设单位对幕墙设计在建筑工程设计中的重要性缺少必要的认识。哪些由幕墙设计单位完成，哪些由建筑设计单位完成目尚无明确界定，建筑设计单位为了省事，将诸如幕墙的钢结构金属屋面等在建筑图上常常是由幕墙公司完成。在工程开始进行幕墙招标，待招标完成幕墙设计介入时，往往主体施工早已开始，由于幕墙设计滞后造成增加结构梁柱降低选用产品档次的现象时有发生，此举不仅造成建筑成本的增加，也给幕墙系统增加不安全因素。

2）幕墙设计与施工分离

目前，幕墙的设计单位往往和幕墙的施工单位不一样，设计为篱工服务设计为施工让路已是常见的现象，这样就很容易造成幕墙的施工由于对设计、工艺理解上的差异，使幕墙施工与设计不符，工不对图，质量无法保证等等。幕墙工程的质量安全在目前没有专业幕墙监理的情况下让人堪忧，幕墙招标过程中，残酷的市场竞争与低价的市取向往往使技术含量最低的幕墙产品点尽势，幕墙新技术新产品的应用与开发失去了应有的动力，建议相关部门制定相关法规，对相当规模的幕墙工程采用专项设计专项监理幕墙招标时采取设计与施工分开招标的方式，由幕墙设计中标单位与建筑设计单位配合完成幕墙的设计工作并对幕墙技术负责，并规定设计中标单位不得参与施工投标，以利于施工招标的公正性适时制定相关法规，促进幕墙设计与施工的分离。

3）幕墙设计限于建筑局部结构，缺少整体规划

很多设计单位和施工单位，在进行幕墙设计时，只考虑幕墙本身的设计，忽略了对建筑整体的规划，导致幕墙设计与建筑整体结构不符，幕墙与建筑外观不协调等等。在当今新建筑时代，建筑设计由原来的“适用、经济、美观”的基本要求发展到“安全、绿色、可持续发展”的更高级的要求，对幕墙设计的认识发展也从“制作图设计”“幕墙结构设计”发展到“建筑幕墙设计”。即幕墙设计应有整个建筑的大局观念。幕墙设计需将建筑外观、建筑功能、建筑效能有效地联系起来。这一问题，是幕墙设计水平的问题，对幕墙设计师提出的更高的要求，需要大家不懈的努力去提高。

2解决幕墙节能环保问题的主要技术措施

2.1玻璃幕墙

2.1.1为解决玻璃幕墙的耗能问题，需要从幕墙的选材做起

1）玻璃是门窗与幕墙的重要组成部分，它的热工性能直接影响到建筑的能耗，所以科学合理地选择玻璃，才能使得玻璃幕墙更好地节能。

采用加贴具有安全、节能等性能的中空玻璃有机薄膜，是目前提高建筑玻璃安全性和改善建筑物节能效果的较为可行的技术手段，能增强非安全玻璃的抗冲击强度，延长玻璃受到外力作用而破碎的时间，可防止玻璃破裂后飞溅造成人身和财产伤害。

宜采用光热效应优化组合的双层或多层中空玻璃，中空玻璃的阻热性能好主要是因为其内部气体处于一个封闭的空间，气体不产生对流，而且空气的导热系数为0.024W/（m2K）是玻璃导热系数0.77W/（m2K）的1/32，要提高中空玻璃的隔热性能，一般是增大空间的厚

度和使用惰性气体，这些惰性气体性能稳定，具有惰性和热传导率低的特点，用惰性气体置换中空玻璃内部的空气，这样可减少传导。

还可选用低辐射Low-E玻璃、热反射镀膜玻璃、凝胶玻璃甚至于目前最新的节能玻璃技术产品--电动调光玻璃等等。 2）采用新型高热阻材料如：断热桥型材、铝塑材料等。隔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。隔热铝合金型材又分为两大类：一类是穿条式，一类是浇注式。目前市场上的隔热铝门窗超过80%是采用穿条式隔热铝合金型材，隔热铝合金型材的最主要优点有保温隔热性

好、防结露结霜及防噪隔音。

3）在建筑幕墙节能构造设计方面可以减少开启扇面积、提高密封胶性能、改进节点密封性能等降低空气渗透热损失还可利用百叶、格栅等遮阳设施，减少太阳辐射产生的热量。

2.1.2节能环保玻璃幕墙最新技术措施

为使玻璃幕墙达到节能环保的目的，最好从改善玻璃、系统构造及太阳能利用这三个方面对幕墙改造。 1）改善玻璃性能。

可以用阳光辐射控制玻璃，改变玻璃的光学特性，实现对太阳能辐射的选择性屏蔽或利用来达到环保节能效果。还可以对中空玻璃进行技术改造，在中空玻璃中充入惰性气体，把中空玻璃空腔里的空气抽走，变成真空玻璃，从而起到隔热的目的。也可以使用隔声玻璃，在玻璃之间夹一种新型的PVB材料。凝胶玻璃：在中空玻璃之间填充一种硅酸盐玻璃，即称之为“气凝胶”的材料，颗粒层厚度仅为16mm，透光率为45%，传热系数U值为1.0，可与中空玻璃媲美的透明视野，还可使进人室内的光线均匀分布。 2）双层幕墙系统构造。

呼吸式幕墙，又称双层幕墙、双层通风幕墙、热通道幕墙等90年代在欧洲出现，它由内、外两道幕墙组成，内外幕墙之间形成一个相对封闭的空间，空气可以从下部进风口进入，又从上部排风口离开这一空间，这一空间经常处于空气流动状态，热量在这一空间流动。使用双层幕墙体系，在幕墙外层采用透过率大的单层透明玻璃幕墙，内层则为中空玻璃幕墙。两层幕墙中间有空气通道，在通道的上下两端设有进风和排风设施。通过关闭和打开风道来达到节能环保的目的。呼吸式幕墙根据通风层的结构的不同可分为“封闭式内循环体系”和“敞开式外循环体系”两种。

3）太阳能利用。对太阳能的利用上出现光电幕墙，所谓光电幕墙，是一种集发电、隔音、隔热、安全、装饰功能于一身的幕墙，集合了太阳能光电技术与幕墙技术，是一种新型的功能性幕墙。用特殊的树脂将太阳电池粘贴在玻璃上，镶嵌于两片玻璃之间，通过电池可将光能转化成电能，这就是太阳能光电幕墙。它是用光电池、光电板技术，把太阳光转化为电能，它关键的技术是太阳能光电池技术。

2.1.3智能玻璃幕墙当呼吸式幕墙在国内刚刚起步的时侯，在德国、美国等发达国家已将呼吸式幕墙与电子计算机系统结合在一起，发展了智能幕墙。采用智能幕墙系统的建筑其能耗只相当于传统幕墙的30%，可见智能幕墙将是节能环保幕墙发展的又一新的目标。智能玻璃幕墙广义上包括玻璃幕墙、通风系统、空调系统、环境监测系统、楼宇自动控制系统。幕墙的几大系统与主体建筑的各个系统相连接，通过幕墙来解决室内的空调、通风、照明、消防等其他系统的运行，从而起到节能、环保的目的。这种幕墙技术含量高、投资较大，尚得不到大规模应用。

2.2铝板、石材幕墙

1）为使铝板、石材幕墙达到保温节能的效果，现阶段所采取的主要措施。现阶段铝板、石材幕墙保温主要是利用轻钢龙骨及其支持体系间空隙，在主体墙面上或者是轻钢龙骨之间设置保温材料，以达到保温隔热的目的。这种方法存在的缺点是边做幕墙边做保温层，施工速度慢，且幕墙内容易产生冷凝水现象。关于幕墙保温材料的防火问题，也是近年来行业内非常关注的内容之一，主要依据相关国家规范以及公安部、住建部《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》等要求。 2）铝板幕墙的研究方向。新型节能铝板幕墙为今后发展的主流。它是由单层铝板和保温材料复合而成，保温材料多为岩棉、矿务棉以及聚苯乙烯泡沫塑料等，从防火角度考虑，保温材料宜选用具有阻燃效果的岩棉。对铝单板进行特殊的加工，使铝单板与保温材料能够较好的融为一体。在保温隔热层与铝板之间留有一定厚度的空气层，以缓解建筑物的热桥问题，减少由于热桥带来的热损失。 3）石材幕墙研究方向。石材复合板为今后发展的主要方向。这种复合板的特点是具有天然石材的装饰效果，而且有节能、质量轻、施工速度快、安装成本低等优点。省去了传统石材幕墙施工时先做外墙外保温的麻烦，不用现场加工，可以工厂化批量生产，避免了工地上的噪声、粉尘污染，是一种新型的环保节能产品。

3、节能环保幕墙技术指标

3.1幕墙所选用的主要节能环保材料a玻璃；中空钢化净白玻璃。b铝型材：采用断热铝型材，银白色氧化处理。c铝板：厚度3.0mm的防锈铝板。d石材：25mm厚光面花岗石，观感及质量优良。e结构胶和密封胶：SSG4400硅酮结构胶，SGS2003硅酮耐候胶。f密封垫和密封胶条：胶条选用EPDM胶条即三元乙丙胶条。

3.2断热铝型材的应用

铝合金幕墙主要由面板和支撑面板的铝龙骨构成。以玻璃幕墙为例，铝型材的断面积远远小于玻璃面板的面积，但由于其金属特性，导热系数却玻璃的三倍。考虑幕墙的节能，就不能忽略由铝型材所带来的能量损失，断热铝型材的出现很好的解决了这个问题。通过采用断桥铝型材，避免了幕墙由铝龙骨带来的大量能量损失，也避免了传统幕墙龙骨的“冷桥”现象。

3.3幕墙节点构造的节能优化

1）幕墙构造设计中的节能设计过程中，不仅要要考虑好幕墙结构受力路径的同时要考虑幕墙热能传递的路径，在热传递的路径上做好节能隔热的措施。例如，玻璃幕墙主龙骨与副龙骨之间设柔性垫片，副龙骨两端与主龙骨间预留1mm~2mm的空隙，并往空隙内注胶。可以有效减少幕墙噪声，也起到了断热的作用。 2）玻璃幕墙采用明框构造的，则建议采用断热条设计或者是采用间隔隔热垫的做法降低室内外能率的传递。同时玻璃幕墙和周边构件、实体墙洞口的边界、楼板或隔墙外沿间的缝隙处填塞保温材料来有效的封堵，可以最大限度发挥玻璃幕墙保温的性能。 3）铝板幕墙安装时，钢与铝材连接处采用1.5mm厚的绝缘胶皮进行隔离，安装螺栓采用不锈钢螺栓连接，从而避免了电化腐蚀，也起到了断热的目的。铝板、石材幕墙部分，利用龙骨间的空隙，在主体墙面上粘贴双面铝箔矿棉毡高效保温材料，有效地利用了幕墙骨架空间，同时与空心砖墙组成复合型保温外墙，使建筑物的保温能耗大大降低。 4）在铝板幕墙的檐口、窗台等悬挑部位设计滴水线，同时需要将其与幕墙的整体建筑造型相协调，不能违背建筑师的设计意图。

4、未来幕墙节能设计的发展趋势