公共建筑外窗幕墻的節能設計研究

文_胡毅 廣東建筑藝術設計院有限公司

0 引言

在建筑的維護結構當中，最重要的組成部分就是外窗，它要滿足人們在視野、通風、采光等方面對需求，同時也是整個建筑物熱傳導、熱交換較為敏感、活躍的區域。外窗的能耗大概是建筑物屋面的5倍、墻體的4倍、地面的20倍，在整個建筑維護結構的能耗中大概占據40%～50%，外窗也是建筑物在保溫作用中的薄弱區域。廣東地區是典型的夏熱冬冷區域，文章就此分析了當地公共建筑在外窗幕墻中的節能設計。

1 玻璃選擇原則

廣東地區的公共建筑對于冬季的采暖需求并不是十分強烈。首先公共建筑區域的人員分布較為密集，人體散熱量較大。其次公共建筑中的設備數量大，使用過程中會產生大量熱能。再有公共建筑通常位于市中心，因此溫度也要高于郊區。最后是氣候方面的影響，我國平均氣溫在近50年內明顯上升，逐漸呈現出夏季越加炎熱，冬季越來越暖的趨勢。

我國的公共建筑通常都是鋼筋混凝土結構，能夠滿足基礎的保溫要求，同時因為廣東地區在冬季對于采暖的需求較低，因此可以通過其它更加經濟性的方法實現或是直接忽略。為此夏季制冷成為公共建筑在主要追求目標，在對當地公共建筑外窗幕墻進行設計的過程中應該遵循合理采光、遮陽為主的節能設計原則。

2 外窗玻璃選擇

外窗玻璃大概能夠占據整個公共建筑總面積的70%～90%，擁有最大的輻射面積和導熱面積。在廣東地區，選擇適合的外窗玻璃對于公共建筑實現節能目標具有重要影響。具體可以通過兩種參數來表示玻璃熱工性能，第一種是傳熱系數K值，主要在室內外環境溫度不同條件下進行表征，表示單位溫差和單位面積條件下的玻璃傳遞熱量。其次是遮陽系數，也是玻璃太陽能透過率總和與3毫米厚的透明無色玻璃透過太陽能率之間的比值，也就是玻璃遮陽系數，不同類型的玻璃擁有不同的熱工性能，具體如表1所示，

表1 種類不同玻璃熱工性能

在廣東地區因為夏季的日照較強，建筑物在制冷過程中會消耗大量能耗，因此需要合理選擇玻璃。普通白玻遮陽性能較差，但是保溫性能優良。因為太陽能輻射是空調能耗的主要原因，玻璃的遮陽性也決定了建筑節能效用，而隨著玻璃遮陽系數的提高，太陽投射能量也逐漸降低，可以促進建筑制冷節能，但是玻璃遮陽系數過低，就無法滿足建筑采光需求。在這種情況下可以選擇LOW-E玻璃，尤其是雙銀LOW-E玻璃，是使用不吸熱、紅外線反射率高的材料進行鍍膜的，因此能夠有效反射遠紅外線輻射和太陽能輻射，保溫性能突出，同時還能夠選擇性投射熱能較低的可見光，將大量熱能有效隔離開來。這種玻璃的遮陽系數最低能夠降到0.3～0.6，有效減少了太陽輻射，也是公共建筑進行外窗幕墻設計的不二選擇。

3 窗墻比設計

窗墻比主要就是窗戶面積和房間立面區域面積的比值，房間立面區域面積就是建筑物高度和開間定位線共同圍成的區域。通過窗戶，熱量傳遞到室內空間，具體利用空氣滲透、太陽輻射和窗材導熱等渠道實現。上述渠道和窗戶大小之間擁有直接聯系，窗戶的面積和空調負荷之間呈現出一種線性聯系。為了促進窗戶能耗的有效降低，各種節能窗戶也相繼誕生，但是卻無法徹底改善因為大開窗所導致的能源浪費問題。經過相關實驗發現，大部分人在20%的開窗率下就已經得到基本滿足，在窗戶敞開程度達到30%的時候，達到心理滿足最高程度，在開窗幅度超出30%時，對于滿足視覺要求不再具有任何影響。此外人類對于開窗面積最低要求是底板面積的6.15%，開窗率在20%～ 30%的條件下不會對通風效果產生任何影響。而目前有部分公共建筑的開窗率已經達到70%，不滿足節能要求。

4 外窗方位設計

外窗方位的變化影響建筑內部所接收的太陽輻射熱量。結合太陽運行規律來看，在冬季時，南向窗戶太陽輻射熱量較大，夏季則是西面或是東面的接收熱量大。此外因為廣東地區夏季以亞熱帶季風氣候為主，在設計窗戶方位的過程中也應該盡量按照北向、東南向和南向的方位設計，促進室內形成穿堂風。

水平屋頂這一方位的氣候變化最為強烈，針對頂層居住環境和能源問題，可以進一步加強保溫設計，盡量不要使用水平天窗方法進行設計。在廣東地區的公共建筑設計中，為了提高屋頂采光效果，降低水平日照量，可以設計成變化形式的屋頂造型，結合垂直采光設計。結合季風影響和太陽輻射程度，促進房屋外墻面積的不斷擴大，正對南方向設置多一點的開窗，對于東西方向的外墻則應該盡量避免開窗設計，朝北方向盡量少設計開窗。這也是當地的建筑外窗設計的理想方位朝向。

5 雙玻幕墻設計

玻璃幕墻憑借其新穎美觀的造型優勢逐漸在建筑領域推廣開來，關注逐漸增加。這是影響建筑能耗和室內熱舒適度的重要因素之一。為了有效改善單一玻璃幕墻中能耗巨大的缺點，雙層呼吸式幕墻誕生。這種新型的建筑節能技術在歐洲大部分國家中得到了廣泛的應用和推廣。雙層幕墻其實就是包括內外兩種玻璃幕墻，而在兩層玻璃幕墻之間留有一個通道，外部幕墻中還設計有出風口與進風口，能夠在炎熱的夏季中形成對流排熱，在雙層幕墻中間位置還專門設置了活動遮陽。

大部分人持有這樣一種觀點，只要使用了良好的節能玻璃，比如雙層玻璃幕墻，就可以滿足節能發展要求，將雙層節能幕墻的功用無限夸大。據相關統計證明和傳統單層玻璃幕墻相比，雙層玻璃幕墻冬季保溫隔熱效果確實更加突出，能夠有效調節室內氣候，降低空調應用時間，節約能源資源，玻璃的節能效果和遮陽性能完全趕不上外墻，浪費也無法通過科技水平來彌補。

6 外窗氣密性設計

目前針對外窗氣密性設計主要包括兩種方法，選擇擁有良好氣密性的材料，設計合理的節能窗型。正常情況下，可以通過平開窗、固定窗和推拉窗等形式設計外窗幕墻，為此相關設計人員可以結合具體情況挑選能夠適應當地環境的窗型種類。推拉窗會形成大面積氣流空間，讓空氣形成一種環流狀態，進而降低室內溫度。平開窗利用橡膠封條密封窗框和窗扇之間區域，因此在窗戶關閉的狀態下，是無法形成室內環流的，但是并不代表窗戶徹底密封，氣流依然可以通過墻體和窗戶連接位置流入室內。固定式外窗則是直接安裝到門框當中，窗框設置在墻體內，窗框和玻璃之間通過密封膠進行處理，因此無法促進室內外空氣流通，密封效果好，在一定程度上節省了能源。在選擇密封材料的時候，針對雙層玻璃周圍可以選擇密封膠進行處理，提高隔音和保溫效果。

7 結語

將節能設計理念應用于公共建筑的外窗幕墻設計當中，能夠順應人民生活需求和國家發展趨勢，在改善建筑物隔熱保溫性能的同時，節約資源能源，促進能源的重復利用，為國家發展贏得先機。