浅析建筑玻璃幕墙节能技术

[摘要]从新型构造技术、新型材料和智能控制技术三个方面探讨节能技术在建筑玻璃幕墙中的设计应用。

[关键词]节能技术　玻璃幕墙

中图分类号：TU5　文献标识码：A　文章编号：1671－7597(2009)0210100－02

能源问题是当前世界各国普遍重视的问题，并已被列为人类面临的四大生存问题之一。在全世界的能源消耗中，无论是发达国家还是发展中国家，建筑能耗在总能耗中所占的比重都是很大，而且建筑能耗属于消费性能耗。因此，在世界范围内能源问题日益紧迫、建筑能耗不断增长的今天，世界各国又都将建筑节能列为节能工作的重点。中国是世界能源生产和消耗大国，节能意义深远而重大。玻璃幕墙作为建筑外围护结构的重要组成部分，在建筑节能中发挥着不可替代的作用。玻璃幕墙不仅实现了建筑外围护结构中墙体与门窗的合二为一，而且把建筑围护结构的使用功能与装饰功能巧妙地融为一体，使建筑更具现代感和装饰艺术性。但大面积玻璃幕墙在提供良好采光的同时，却又带来了采暖与制冷能耗高的隐患，这是建筑能耗的一个薄弱环节。本文主要探讨玻璃幕墙设计中的节能技术，以期为相关人员更加直观了解玻璃幕墙节能设计的优越性，为建筑师、开发商在设计、选用玻璃幕墙时提供参考和借鉴。

一、国内外玻璃幕墙设计研究现状与发展

70年代能源危机后，人们逐渐认识到玻璃幕墙在能源消耗方面的严重缺陷，西方工业化国家开始对增强玻璃幕墙的热工性能进行研究。80年代初研制成功了热通道玻璃幕墙、智能玻璃幕墙。目前的热通道玻璃幕墙，技术上主要是通过双层玻璃幕墙来实现。虽然双层玻璃幕墙本身一次性建设投资较大，但它一方面可以降低建筑能耗，保护生态环境，另一方面，由于建筑物所需能耗降低，可以减少建筑设备的一次性投入，特别是大量节约建筑运营成本。近十余年来，双层玻璃幕墙在欧洲发达国家已得到广泛应用。智能玻璃幕墙和光电玻璃幕墙尚处在发展的初期，智能玻璃幕墙从广义上说，包括以下几部分：热通道玻璃幕墙、通风系统、智能化控制系统、遮阳系统、空调系统、环境监测系统等。它可以根据外界自然条件的变化自动调节功能，高效地利用能源。目前，世界范围内已建成的智能玻璃幕墙为数不多。

我国的建筑幕墙工业起步比较晚，上世纪90年代开始引人我国建筑业，现在我国已成为世界第一幕墙生产大国和使用大国，正在向世界幕墙强国发展。随着绿色、节能观念不断深入人心，包括开发商，建筑师等都对双层玻璃幕墙这种新型的、具有显著节能效果的幕墙构造给予很大的关注，并寻求在新建项目中采用。随着世界能源危机的日趋加剧，能耗严重的玻璃幕墙建筑急需采用绿色节能技术来降低能耗，提高建筑的舒适性，甚至希望其能产生能源供建筑消耗。纵观国外建筑玻璃幕墙发展的历程与经验，我国的建筑玻璃幕墙设计和生产只能也必须向环保、节能与智能化发展。

二、建筑幕墙节能技术分析

(一)新型构造技术在建筑幕墙节能设计中应用

在大型公共建筑玻璃幕墙设计中，许多新的构造技术得以应用，如双层玻璃幕墙、利用水幕降温的玻璃幕墙、可进行雨水收集的玻璃幕墙等。最能体现利用构造技术来达到绿色节能目的的应当首选双层玻璃幕墙。它是目前应用最广泛，节能效果最好，研究最为深入的节能玻璃幕墙。

双层玻璃幕墙由内、外两层玻璃幕墙组成。外层幕墙一般采用隐框、明框或点式玻璃幕墙，内层幕墙一般采用明框幕墙或铝合金门窗。双层玻璃幕墙主要是针对普通玻璃幕墙耗能高、室内空气质量关等问题，用双层体系作围护结构，提供自然通风和采光、增加室内之空间舒适度、降低能耗，从而较好地解决了自然采光和节能之间的矛盾。使得幕墙的保温、隔音、通风等性能都得到了很大的提高，它比传统的玻璃幕墙采暖时节约能源42％－52％，制冷时节约能源38％－60％。

双层玻璃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”两种体系。前者一般在冬季较为寒冷的地区使用，外层玻璃幕墙原则上是完全封闭的，一般由断热型材与中空钢化玻璃组成，内层一般为单片钢化玻璃组成的玻璃幕墙或可开启窗；后者即为我们常说的呼吸式双层玻璃幕墙，外层是由单层玻璃与非断热型材组成的玻璃幕墙，内层幕墙是隔热或断热明的明框幕墙或单元幕墙。“敞开式外循环体系”作为一种更新形式的双层玻璃幕墙系统得到了广泛应用。根据构造形式以及通风方式的不同，呼吸式双层玻璃幕墙一般采用以下几种类型：箱式双层玻璃幕墙，井箱式双层玻璃幕墙，走廊式双层玻璃幕墙，多层式玻璃幕墙，可开启式双层玻璃幕墙。呼吸式双层玻璃幕墙根据构件在工厂的加工程度以及在结构主体上安装工艺的不同，可以分为构件式和单元式两种玻璃幕墙。

玻璃幕墙是现代高层建筑较多采用的外围护结构，是建筑物热交换、热传导最活跃、最敏感的部位，单层玻璃幕墙的能耗约占整个建筑能耗的40％左右。建筑遮阳可以阻断直射阳光透过玻璃进入室内，防止阳光过分照射和加热建筑围护结构，防止直射阳光造成的强烈眩光。在所有的被动式节能措施中。建筑遮阳也许是最为立竿见影的有效方法。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，是建筑防热的主要措施之一。根据遮阳构件的形状与效果，遮阳一般分为五种形式：水平遮阳、垂直遮阳、综合式遮阳、挡板式遮阳和百叶式遮阳。遮阳措施种类繁多，针对特定的建筑项目的不同地理位置、朝向以及特定的用途，不存在某一种遮阳措施普遍适用的情况。

(二)新型材料在建筑幕墙节能设计中应用

玻璃幕墙和窗户的能耗约占建筑总能耗的50％，要达到超低能耗的目的，玻璃幕墙和窗户采用高性能的节能玻璃是一个重要的方面。目前常用的玻璃有浮法玻璃、中空玻璃、热反射膜玻璃、低辐射玻璃(LOW－E玻璃)、钢化玻璃、夹胶玻璃等。随着现代科技水平的迅速提高和应用技术的日新月异，各种功能独特的玻璃纷纷问世，兴旺了玻璃家族。国内采用的几种节能玻璃材料主要有：热反射镀膜玻璃又称阳光控制镀膜玻璃，是指具有反射太阳能作用的镀膜玻璃；对可见光高通透，对红外线辐射高反射，特别是对远红外辐射有极高的反射率，可让80％的可见光进入室内，同时又能将90％以上的室内物体所辐射的长波保留在室内，透明性很好的低辐射玻璃(LOW－E玻璃)；多功能镀膜玻璃又称保温镀膜玻璃，它是一种不仅能反射较宽频带的红外线，还具有较高的可见光透射率的薄膜型热反射新型复合材料贴膜玻璃；通过在两层平板玻璃中间利用间隔框架隔开，周边密封，充入干燥空气并填入少量干燥剂保持空气干燥而制得的中空玻璃；比中空玻璃更好的隔热、保温性能，其保温性能是中空玻璃的2倍，是单片普通玻璃的4倍的真空玻璃。

通常玻璃幕墙所用材料基本上包括骨架、玻璃和封条材料。按材料的组成及构造形式分有四种：型钢骨架、铝合金型材骨架、不露骨架结构及无骨架玻璃幕墙。其中不露骨架结构及无骨架玻璃幕墙均无金属框架，其

幕墙的导热系数均有玻璃本身和封条材料的性能来决定，封条材料的材料大多为密封胶和密封条。型钢骨架及铝合金型材骨架玻璃幕墙因采用金属框架，容易形成冷桥和热桥，因此，金属框架材料的选定对于玻璃幕墙的节能具有非常重要的意义。目前采用的新型断热金属框名称很多，但大多数都是在内外两种高导热性的金属框料之间插入低导热性的隔离物，形成有效断热层，阻断通过门窗框或窗扇型材散失热量的途径，统称为断热型材。断热型材结构合理、结合牢固、强度高、刚性好、热阻大，而且具有优良的隔声节能性能、抗风性能和气密水密性能。断热型材早期多用于平开窗，后来逐渐用于有框玻璃幕墙。

(三)控制技术在建筑玻璃幕墙设计应用

智能玻璃幕墙(Intelligent glass facade)是指玻璃幕墙以一种动态的形式，根据外界气候环境的变化，自动调节玻璃幕墙的保温、遮阳、通风系统，最大限度地降低建筑物的能源消耗，同时最大限度地创造出宜人的室内环境，主要通过双层玻璃幕墙的形式得以实现。智能玻璃幕墙是呼吸式玻璃幕墙的延伸，在智能化建筑的基础上将建筑配套技术(暖、热、光、电)适度控制，将幕墙材料、太阳能有效利用后，通过计算机网络有效的调节室内空气、温度和光线，从而节省了建筑使用中能源的消耗，降低了生产和建筑物使用过程中的费用。

智能玻璃幕墙的设计是先进的整体建筑能耗平衡设计的重要组成部分，通过外墙构造的调节机制，配合整个建筑技术设备之间的互动，以达到能源优化效果，智能玻璃幕墙设计原则一般有，利用太阳辐射热，节约冬季采暖所需能源；最大限度利用自然采光以减少人工照明；精心组织自然通风与排风系统，以减少同能能耗；利用建筑楼板、墙体的蓄热性和昼夜温差，减少夏季制冷需求量：各种幕墙机制、通风、遮阳、蓄热和建筑空调供暖、通风等相互之间智能配合，以达到最高效率。

(四)光电技术在玻璃幕墙设计中应用

近年来，分布式光电效应已经成为这一技术最具市场潜力的组成部分，大多数都应用于建筑领域，我们可以预测，太阳能光电系统必将成为未来建筑的大势所趋。如果在大型公共建筑玻璃幕墙中应用太阳能光电效应发电，玻璃幕墙的节能设计将从被动节能变为主动产生能量供建筑内部消耗，从根本上解决玻璃幕墙建筑能耗巨大的现状。

建筑光电一体化(BiPV)就是将太阳能光电效应发电技术与楼体的建设结合在一起，应用到建筑的制冷、采暖、照明、电器等能耗活动中，使光伏元器件及系统与建筑物相互结合，融为一体，成为建筑物的有机组成部分。光电一体化是将光电模块与建筑外壳相结合，其模块具有双重功能，既作为建筑外壳部分或全部取代传统建筑外维护材料，也作为发电元件，利用光电效应发电供建筑使用。光电玻璃幕墙可分为以下几类：

(1)垂直光电幕墙，是使用的较为普遍的一种光伏组件在建筑上的应用形式，根据设计需要，可以用透明、半透明和普通的透明玻璃结合使用，创造出不同的建筑立面和室内光影效果：

(2)锯齿式光电玻璃幕墙，可以分为锯齿式垂直光电幕墙和锯齿式水平光电幕墙；

(3)风箱式光电玻璃幕墙，可以设以设计成双层光电玻璃幕墙，外层的光电幕墙可作为建筑的表皮，接收阳光的辐射，中间空气层可以给光电板降温，冬季室内也可以利用这种热能；

(4)倾斜式的光电幕墙的应用与垂直式光电幕墙的应用类似，立面可以可以是平面或台阶式的，通过选用透明、半透明或不透明光电板进行组合，可设计出丰富的立面效果和室内光影效果；

(5)结构式光电玻璃幕墙，是可以作为建筑的承重构建，不同种类和透明度的光伏板和普通玻璃可以任意结合，创造出非常丰富的立面效果；

(6)独立太阳能光电立面，是指光伏系统和玻璃幕墙相对分离，这种模式适合于对现有建筑的节能改造。光伏系统作为后加的设备，美观、结构、安装的安全性问题都需要很好考虑；

(7)柔性太阳能光电板，把光伏模块安装在薄的金属片或者是柔性的合成材料上，可以根据墙面或屋面的走向来设置，有很大的自由度，解决了在一些现代建筑中曲面上不好安装光电板的问题。

三、结语

我国玻璃幕墙设计将由重功能、限造价的现状逐步转变为强调功能、节约能源的要求，达到人工环境和自然环境关系的协调统一，为人们创造出更加丰富多彩的工作和生活环境。本文对目前应用最为广泛、最有发展前途的玻璃幕墙的主要绿色节能技术进行了总结和探讨，希望能够对今后的玻璃幕墙节能设计实践提供借鉴和参考作用。