基于玻璃幕墻節能設計的探討

李春宇

（浙江杭州華鈉裝飾有限公司，浙江 杭州 310000）

玻璃幕墻作為當前一種新型建筑材料被廣泛用于建筑外墻裝飾中。玻璃幕墻以采光面積大、自重輕、造型多變、美觀、光影效果好等諸多的優點，同時也成為建筑物構件中將建筑技術與建筑藝術結合的最完美的典范。然而玻璃幕墻傳熱系數大等缺點帶來了高能耗的影響，這就說明在享受其諸多優點的同時就一定要犧牲建筑節能。在玻璃幕墻建筑美觀與節能的兩者中，通過玻璃幕墻的節能設計等技術完全可以找到二者的平衡點。

1 玻璃幕墻節能設計原則

隨著GB 50189－2005《公共建筑節能設計標準》、JGJfF 151－2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》、GB/T 21086－2007《建筑幕墻》標準的執行，保溫隔熱性能及其計算是幕墻節能的重要指標之一。由于我國南北氣候差異較大，在不同的氣候條件下對幕墻的節能要求不同。因此，玻璃幕墻的節能設計除保證本身性能指標外，還應結合當地氣候條件遵循以下設計原則：①嚴格遵循國家現行的外圍護結構熱工設計的有關標準規范；②充分考慮當地氣候條件，綜合各方面因素進行合理選材、選型；③冬季寒冷地區應進行保溫設計，夏季炎熱地區應進行隔熱、通風設計；④熱工設計時，必須對其復雜的傳熱過程和傳熱方式進行分析和研究。

2 玻璃幕墻材料的選擇

2.1 玻璃材料

玻璃幕墻中玻璃的面積遠遠大于金屬框架的面積，而玻璃材料表面換熱性強，長波熱透射率高，故夏季太陽輻射熱會透過玻璃進入室內，使室內溫度升高，從而增加空調能耗。因此減少玻璃的能耗對幕墻節能至關重要。光學和熱學性能是節能玻璃的主要指標，近年來，吸熱玻璃、熱反射鍍膜玻璃、低輻射（Low－E）鍍膜玻璃、中空玻璃、真空玻璃等節能玻璃已經應用于建筑上。早期為了解決保溫隔熱問題，人們開發了吸熱玻璃和熱反射玻璃等，但是它們存在著通透性不好及光污染等問題。隨著科技的不斷發展，Low－E玻璃和雙Low－E玻璃誕生了，這些玻璃具有輻射率低、良好的通透性和節能效果好等特點，用這些玻璃組成的中空玻璃或復合真空玻璃節能效果最佳。

嚴寒地區建筑能耗主要是采暖，因此對玻璃的傳熱系數要求高，應采用中空玻璃或低輻射中空玻璃。對于過渡地區、夏熱冬冷和夏熱冬暖地區，建筑能耗主要是制冷，因此要降低玻璃的遮陽系數，阻止太陽熱線進入室內，以減少空調的冷負荷，一般采用吸熱玻璃、熱反射玻璃和熱反射中空玻璃。嚴寒地區應采用低輻射玻璃，盡量采用綜合性能優越的低輻射中空玻璃。

2.2 鋁合金型材（隔熱斷橋）

玻璃幕墻中一般采用鋁合金材料作為支撐構件。金屬比玻璃的導熱系數大，普通幕墻的型材無可避免地出現“熱橋”現象。幕墻型材的選擇與設計的重點在于防止“熱橋”的出現，采用斷熱橋鋁型材可以有效地達到節能效果。斷熱橋鋁型材的隔熱原理是基于一個連續的隔熱區域，利用低導熱系數材料制成隔熱條，將鋁合金型材分成兩個部分。隔熱條材料的導熱系數0.3 W/（m2·K），遠小于鋁合金導熱系數203 W/（m2·K），強度與鋁合金材料相當。

在炎熱的夏季，斷熱橋鋁型材室外部分溫度達 40～60 ℃時，室內部分可保持在 25 ℃左右，可以有效地阻止熱量傳到室內。冬季，室內外鋁型材溫差也可達到 20 ℃左右，從而減少熱量損失，達到節能目的。

2.3 保溫材料

層間結構梁位置的玻璃幕墻可采用單片玻璃和保溫巖棉的組合設置，以確保玻璃幕墻在非透明位置的保溫系數滿足節能計算要求。

3 玻璃幕墻的遮陽

建筑外圍護結構節能設計中，開窗、遮陽、材料的隔熱性能等是重點考慮的環節。對于大面積玻璃幕墻建筑來說，遮陽是節能設計的重要因素之一，特別是夏季炎熱地區。前文提到的節能型材的隔熱措施，結合遮陽手段可以更加有效地降低炎熱地區夏季空調冷負荷，達到節能目的。遮陽設計主要體現在玻璃遮蔽和遮陽構件上。

圖1 水平式遮陽

玻璃可根據其不同的遮陽系數結合當地氣候條件進行正確選擇，鍍膜玻璃、反射玻璃、吸熱玻璃、低輻射玻璃和中空玻璃等都可作為遮陽設計的選擇。遮陽構件的設計按位置可分為外遮陽和內遮陽，外遮陽的形式可分為水平式遮陽、垂直式遮陽、綜合式遮陽和擋板式遮陽、幕墻遮陽板常見形式。其中水平遮陽板設計時要注意對玻璃外側熱空氣散逸的處理，即遮陽板與玻璃墻面應有一定距離，遮陽板本身也應做通風處理，比如設計成傾斜百頁狀。垂直遮陽板最好設置可調節，可以根據太陽位置改變方向。內遮陽就是在幕墻內側設置遮陽簾、軟百頁、竹簾等。

幕墻建筑采用遮陽與否對室內溫度和采光都有一定影響。夏季炎熱地區，采用遮陽措施后，室內外溫差達 1～2 ℃，可有效地降低室內溫度，并且有利于室內溫度的穩定、均勻，增加室內環境的舒適感。因此，幕墻遮陽可降低空調的冷負荷，節約大量電能，但同時也應注意保證室內的天然采光。

就我國所處地理緯度來說，各種遮陽板基本形式是適應朝向范圍如下：

（1）水平式遮陽，見圖1。在玻璃前采用伸出重疊的平板這種形式的遮陽，能有效地遮擋太陽高度角較大的、從玻璃幕墻上方投射下來的陽光，故適用于南向的玻璃幕墻建筑物。

（2）垂直式遮陽，見圖2。設于玻璃前凸出板的垂直式遮陽，能有效地遮擋角度較小的、從玻璃窗側斜射進來的陽光。但對于角度較大的，從玻璃窗上面射下來的陽光，或接近日出、日落時平射的陽光，起不到遮擋作用。故垂直式的遮陽主要適用于東北、北和西北向附近的玻璃幕墻建筑。

圖2 垂直式遮陽

（3）綜合式遮陽，見圖3。綜合式遮陽能有效地遮擋高角度中等的、從玻璃窗前射下來的陽光。遮陽效果比較均勻，故適用于東南或西南向的玻璃幕墻建筑。

（4）擋板式遮陽，見圖4。擋板式遮陽能有效地遮擋高度角較小的、正射窗口的陽光，故主要用于東西向的玻璃幕墻建筑。

圖3 綜合式遮陽

圖4 擋板式遮陽

4 雙層玻璃幕墻

雙層玻璃幕墻是一種新型的節能幕墻，它不同于傳統單層玻璃幕墻。雙層幕墻主要由一個單層玻璃幕墻和一個雙層玻璃幕墻組成，在兩個幕墻中間有一個空間，在空間的上下兩端有進風和排風設施，這個空間就是熱通道，因此也稱為“熱通道幕墻”。根據結構不同，可分為封閉式內循環體系和敞開式外循環體系兩種類型，見圖5。

圖5 雙層玻璃幕墻

4.1 封閉式內循環體系

封閉式內循環體系外層玻璃幕墻全封閉，室內空氣通過內層玻璃幕墻通風口進入熱通道，從熱通道上升至上部排風口，空氣從吊頂的排風管排出。這樣使得熱通道內溫度與室內溫度基本相同，大大節省了取暖和制冷的電力消耗，這種形式的幕墻多用于冬季寒冷的地區。

內循環體系幕墻的外幕墻封閉，通常采用中空玻璃和斷熱鋁型材，內幕墻則采用單層玻璃或單層鋁門窗。內、外兩層幕墻之間熱通道的距離通常為200 mm左右，有的工程為了維修、清洗方便將熱通道的距離設計為500～600 mm。在通道內設置電動百葉或電動卷簾，以便在夏季起遮陽作用，減少太陽輻射熱產生的通道溫升，提高制冷效果。

4.2 敞開式外循環體系

敞開式外循環體系是指空氣從外層幕墻的下通道進入熱通道，然后從外層幕墻的上部排風口排出，內層幕墻完全封閉。其結構為外層幕墻采用開敝結構的單片玻璃幕墻，內層幕墻采用中空玻璃隔熱幕墻。

敞開式外循環幕墻的內幕墻封閉，外幕墻有下進風口和上排風口。進風口和排風口可以開啟和關閉，冬季關閉上、下風口，熱通道成封閉空間。熱通道內空氣經陽光照射升溫，可以提高內側幕墻外表面溫度，達到保溫節能的效果。夏季開啟通風口，利用“煙囪效應”進行自然通風換氣，帶走熱通道內由于日照而產生的熱量，降低內層幕墻的外表面溫度，減少了空調冷負荷。

雙層玻璃幕墻的傳熱系數比中空玻璃的傳熱系數小很多，能夠保證冬季的保溫和夏季的隔熱通風，因此雙層玻璃幕墻的節能效果較顯著。

5 結束語

通過對玻璃、鋁合金型材等材料的選擇，幕墻構造的合理設計以及雙層玻璃幕墻的設計等方面來分析和探討玻璃幕墻的節能設計，使建筑玻璃幕墻在滿足功能和美感的同時解決高能耗問題。