淺談公共建筑外窗幕墻的節能設計

武正北

摘要：我國地域遼闊，部分地區四季溫差較大，針對房屋建筑來講，其日常運行過程中較大的能耗比例都來自于玻璃外窗和幕墻能耗損失方面，因此要想從根本上提升建筑工程本身的節能效果，就必須給予外窗幕墻節能設計以高度重視。鑒于此，本文從公共建筑外窗幕墻玻璃選擇、窗墻比的確定、外窗方位及雙玻幕墻等角度出發，詳細探討了公共建筑外窗幕墻的節能設計，以供參考。

關鍵詞：公共建筑;外窗幕墻;節能設計

一、公共建筑外窗幕墻玻璃選擇

（一）玻璃選擇原則

突出玻璃遮陽功能、實現合理采光是公共建筑外窗幕墻玻璃選擇過程中應遵循的主要原則。公共建筑是在人類社會和文明不斷進步的背景下產生的，通常情況下其可以劃分成包含金融建筑和商場在內的商業建筑、政府部門辦公室以及寫字樓等在內的辦公建筑和娛樂場所以及旅館飯店在內的旅游建筑組成的，同時還有部分建筑屬于交通運輸類建筑，如橋梁、車站建筑以及機場等。民用建筑通常包含兩種類型，分別為居住建筑和公共建筑，而工業建筑和民用建筑統稱為建筑[1]。

公共建筑內部功能相對完善，是我國現代化建設的重要組成部分，我國部分公共建筑在冬季運行過程中，對采暖擁有較高的要求，此類型公共建筑在運行過程中呈現出以下特點：首先，建筑使用者人數較多，呈現出人員密集的特點，會產生較大的人體散熱量;其次，公共建筑功能相對完善，能夠滿足建筑使用者對辦公設備的需求，同時具有較強的智能化特點，建筑運行中會產生較大的設備耗電量，因此也會產生較大的熱能;再次，近年來，世界各地頻繁出現城市熱島效應，因此同郊區公共建筑相比，城市中心公共建筑擁有更高的溫度;最后，根據我國平均氣溫年度變化統計相關數據顯示，近50年內我國每年平均氣溫都會升高1.1攝氏度左右，同北半球和全球升溫幅度相比，我國每年平均氣溫上升幅度較高[2]。例如，我國杭州地區具有夏熱冬冷的特點，近年來當地高溫日不斷增加。再加上全球氣候急劇變暖的趨勢，當地溫度呈現出明顯升高的現象。而現代鋼筋混凝土結構是我國多數公共建筑的主要結構特點，鋼筋混凝土材料在應用過程中具備了一定保溫功能，再加上部分地區在冬季并沒有采暖要求，因此在實際進行公共建筑建設的過程中，可以忽略其他保暖設計，而是將保溫設計的重點放在外窗幕墻上即可，外窗幕墻應具備合理采光以及良好的遮陽效果，這應成為公共建筑外窗幕墻節能設計的重要原則之一[3]。

（二）外窗玻璃選擇

針對公共建筑來講，外窗玻璃面積占建筑總面積比例較大，因此公共建筑外窗幕墻能夠擁有較大的輻射和導熱面積。我國各地區在積極進行公共建筑建設的過程中，應注重對外窗幕墻玻璃的合理選擇，只有這樣才能夠從整體上提升公共建筑的節能設計效果。

傳熱系數K值和遮陽系數是表示玻璃熱工性能的兩個重要參數，一方面，傳熱系數K值[4]，當公共建筑室內外溫度形成較大差異，傳熱系數K值可以在單位時間內、單位溫差條件下以及單位面積基礎上實現有效的玻璃熱量傳遞;另一方面，遮陽系數，即玻璃太陽能總透過率與3mm厚無色透明玻璃太陽能總透過率之間的比值。我國在積極進行公共建筑建設的過程中，需要考慮夏季強烈日照的客觀條件，在這一過程中會產生較高的建筑物制冷能耗，因此應在堅持上述外窗幕墻玻璃選擇原則的基礎上來合理選擇玻璃。

其中具有較高遮陽系數的普通白玻在應用過程中，由于公共建筑使用過程中，增加建筑空調能耗的主要因素是太陽輻射較大，缺乏良好遮陽性能的玻璃會極大增加空調能耗量[5]。擁有較低遮陽系數的玻璃在應用過程中，會對較少太陽能量進行傳遞，這樣一來就能夠為實現建筑物制冷節能奠定良好基礎。但是，如果玻璃在使用過程中擁有較低的遮陽系數，那么就無法促使公共建筑在日間運行過程中實現有效自然采光。

而在對Low-E中空玻璃進行應用的過程中，其所采用的材料鍍膜具有不吸熱、紅外線高反射的功能，尤其是雙銀Low-E中空玻璃近年來被廣泛應用于我國各地區的公共建筑建設當中，其可以對遠紅外波段的熱輻射以及太陽能波段的熱輻射產生良好的反射效果。在對這一玻璃進行應用的過程中，其呈現出良好的保溫性能，同時傳熱系數較低，并具有一定選擇性，可以實現低熱能可見光的通過，在這一過程中還可以將多數高熱能的近紅外光遮斷，甚至可以產生0.30～0.60的遮陽系數，太陽輻射的有效降低，充分證明我國在積極進行公共建筑建設的過程中，針對外窗幕墻節能設計可以對Low-E中空玻璃進行充分應用[6]。

二、窗墻比的確定

公共建筑外窗幕墻設計過程中，應對窗墻比的重要性產生深刻認知，窗墻比的合理性對于公共建筑節能效果具有直接影響。窗戶洞口面積與房間立面單元面積之間的比值即窗墻比，也就是建筑物高與開間定位線圍成的面積之間的比值。由于窗戶是室外熱量向室內傳遞的主要媒介，在這一過程中主要涉及到的途徑包括太陽輻射、窗材導熱、空氣滲透等。而窗子大小對這些熱量傳遞途徑具有直接影響，線性關系存在于空調負荷大小與窗子面積之間[7]。要想將窗戶的能耗量降低，新時期世界各國在積極進行公共建筑建設的過程中，各種節能窗戶不斷產生，但是無論哪種類型的窗戶在應用過程中，都只能夠實現對部分能源的節約，事實上由于公共建筑外窗幕墻面積較大，在大開窗的情況下，空調能源浪費的現象是無法得到本質上的改變的。

從節能的角度來看，要想有效降低空調負荷，減小圍護結構外窗面積值至關重要。公共建筑實現節能設計的首要環節是對開窗率進行有效限制，然而較小的窗墻比會嚴重影響公共建筑室內通風以及采光效果。

根據相關實驗顯示，多數建筑使用者都非常認可20%的開窗率;面對30%的開窗率，人們表示非常滿意;而超過30%的開窗率不會給人們的心理以及視覺享受帶來直接影響[8]。同時，在對最小開窗面積進行設計的過程中，應以樓地板面積為基礎，其6.25%則為最小開窗面積，而針對通風效果來講，20%～30%的開窗率已經可以滿足通風要求。

三、外窗方位及雙玻幕墻的節能設計

（一）外窗方位

不同的房屋外窗方位，會產生差異化太陽輻射接收熱量。詳細分析天空中太陽的運行規律，能夠得到最大太陽輻射熱量的為冬季南向墻面窗戶和夏季東西兩面墻面窗戶。

詳細分析日照方位分區圖可以發現，終年沒有日照的為從西偏北到東偏北方向;只有夏季才有日照的為東偏北和西偏北方向，在這些地區進行公共建筑外窗幕墻節能設計的過程中，最強的太陽輻射會在夏季產生;而常年有日照的區域進行公共建筑外窗幕墻設計的過程中，無法實現始終滿足夏季陰涼冬季向陽的條件。我國多數地區都擁有夏熱冬冷的特點，南向的玻璃窗在公共建筑當中，在夏季不僅需要承受強烈的太陽輻射，同時還必須承受來自其他墻體的反射。東、西向的玻璃窗在公共建筑當中，能夠對夏季太陽輻射進行有效遮擋，盡管此時所產生的太陽輻射低于南向，但是在東、西向墻面的強烈熱反射作用下，通過西向墻的熱量是同面積下西向墻玻璃窗熱量的8～15倍，在這一過程中應用科學的遮陽措施，會導致窗戶的熱作用被有效限制[9]。同時，我國南方地區在積極進行公共建筑建設的過程中，需要綜合分析夏季風向特點，以東南風和南風為主，因此在實際進行窗戶設計的過程中，應盡量選擇利于室內形成穿堂風的方向，因此窗戶布置應以北向、東南向、南向為主。

氣候變化將對水平屋頂產生直接而嚴重的影響，會直接影響頂層居住環境以及空間能源，因此在實際展開設計的過程中，必須給予屋頂強化保溫設計以高度重視，避免對水平天窗的設計的應用。夏季水平天窗設計所能夠吸引的太陽輻射較多，但是在冬季，這一設計會產生較高的采暖能耗量，因此在實際進行公共建筑設計的過程中，盡量不要將天窗設置在屋頂，必要情況下，可以對垂直天窗進行設計。

我國多數地區具有冬冷夏熱的特點，此類型地區在公共建筑建設中，應采取有效措施充分考慮屋頂自然采光和避開水平日射量的問題，因此屋頂造型應具備變化性特點，同時對垂直開窗采光設計進行綜合應用。

在綜合分析季風影響和太陽輻射等因素的背景下，在實際展開設計的過程中，應以正對南向方位開窗和擴大房屋外墻面積為主要設計目標，同時房屋外墻不開窗一面應設計在西向和東向方位，北向方位應盡量減少開窗，這樣一來對于提升公共建筑外窗幕墻節能設計效果具有重要意義。

（二）雙玻幕墻

近年來，我國在積極加強建筑節能設計研究的過程中，不斷進行了技術和材料的創新，建筑墻體裝飾方面的創新以玻璃幕墻為主，在對這一設計方式進行廣泛應用的過程中，不僅能夠產生藝術感較強的公共建筑外觀，同時對于降低建筑能耗量、提升室內熱舒適度都具有重要意義。

在對單一玻璃幕墻具有較大能耗量這一問題進行改變的過程中，可以對雙層呼吸式幕墻進行充分應用。這一技術起源于歐洲，“雙層皮”幕墻指的是在構建玻璃幕墻的過程中，采用內、外兩層玻璃，中間包含一個通道，將進風口和出風口設置在外層幕墻中，在這種情況下，夏季高溫環境中，“對流排熱”就可以在空氣中實現，而“中間活動遮陽”需要被設置在雙玻幕墻的中間。

通常情況下，在實際進行公共建筑外窗幕墻節能設計的過程中，需要對節能玻璃進行充分應用，而雙玻幕墻呈現出了較高的應用價值。根據相關調查顯示，同“單層皮”玻璃幕墻相比，“雙層皮”玻璃幕墻在應用過程中產生了更高的節能效果，節能比率增加了40%～60%。同“單層皮”玻璃幕墻相比，冬季和夏季“雙層皮”玻璃幕墻在應用的過程中都能夠形成更加良好的保溫效果，對于室內氣候的改善、空調使用時間的減少、降低能耗量等都具有重要意義。然而，現階段我國對雙層皮技術的研究和應用實踐還相對較少，從長遠的角度來看，我國在積極進行公共建筑外窗幕墻節能設計的過程中，必須對這一技術的重要性產生深刻認知，通過先進節能技術來彌補大面積玻璃能源浪費問題。

值得注意的是，在對玻璃幕墻進行應用的過程中，所形成的圍護形式缺乏文化感，沒有結合當地氣候等因素展開設計，為了實現現代化建筑建設標準，一定程度上忽視了節能理念，因此盡管在對雙玻幕墻進行應用的過程中能夠產生一定良好的節能效果，但是其能耗量始終相對較高。

四、結語：

綜上所述，近年來，世界各國在積極進行現代化建設的過程中，環境污染和生態破壞現象越來越嚴重，而能源節約問題也日益突出，在這種情況下，節能理念開始同各個領域進行緊密結合。隨著公共建筑不斷增加，要想提升公共建筑的節能效果，采取有效措施實施科學的外窗幕墻節能設計至關重要，這就要求我國相關領域工作人員結合建筑以及地區特點，不斷提升設計的科學性，才能夠推動我國建筑設計領域的全面發展。

參考文獻：

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