基于綠色節(jié)能技術在公共建筑玻璃幕墻設計中的應用研究

俞顥

浙江大學建筑設計研究院有限公司 浙江 杭州 310000

引言

玻璃幕墻作為公共建筑廣泛運用的護圍設計，可以極大地增強公共建筑的美感，并起到一定的隔熱節(jié)能作用。隨著玻璃幕墻技術的發(fā)展，公共建筑對玻璃幕墻的作用及立面效果有著更高的要求。當下公共建筑的玻璃幕墻盡管在一定程度上可以隔熱保溫，但在材質與設計問題上的不足，導致其節(jié)能功能上未滿足要求。基于綠色節(jié)能的建筑理念和發(fā)展要求，玻璃幕墻的設計應用應向著環(huán)保節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展方向發(fā)展。

1 公共建筑玻璃幕墻設計

幕墻是建筑物的外墻護圍結構，是現(xiàn)代大型和高層建筑常用的帶有裝飾效果的輕質構件。由結構框架與鑲嵌板材組成，不承擔主體結構載荷與作用的建筑圍護結構。玻璃幕墻即建筑外墻由玻璃承擔面板的護圍，具有優(yōu)秀的裝飾效果，也是當下公共建筑幕墻廣泛運用的材質設計。公共建筑一般承載著一定的社會功效，有巨大的人流量，同時展示城市獨特面貌。幕墻作為公共建筑的外表皮裝飾構件，在材質選擇和設計追求上，玻璃幕墻具有更大的效果及節(jié)能優(yōu)勢[1]。首先，玻璃幕墻的材質更加輕便，玻璃材質相較于鋼筋混凝土，需要的原材料的更少，質量更小，重量更輕，使用上更加方便。其次是玻璃幕墻采用玻璃和支撐結構組合整體上適應性更強，由于玻璃材質的特殊性，具有一定的伸縮性能，對各種災害的適應性較強。

2 玻璃幕墻設計對綠色節(jié)能技術的應用

2.1 必要性

公共建筑玻璃幕墻設計增加綠色節(jié)能技術的應用，不僅是建筑行業(yè)環(huán)保理念的興起，也是解決當下玻璃幕墻設計應用存在的問題的需要。玻璃易受到外界因素影響，發(fā)生玻璃炸裂的可能性較大，玻璃幕墻的整體安全性能存在一定隱患[2]。除此之外，由于玻璃幕墻建設的規(guī)模大，安裝的數(shù)量多，大量玻璃的反光會造成嚴重的光污染。而且普通玻璃建設的幕墻，保溫隔熱性能較差，在能耗方面較大，所能起到的環(huán)保作用較少，并且制作的成本更高。但由于玻璃幕墻最大的作用是設計感和美觀，因而對玻璃幕墻的應用是不可避免的。

2.2 運用原理

普通玻璃幕墻，節(jié)能性能差，不能起到良好的隔熱或保溫作用。對綠色節(jié)能技術的應用，主要從公共建筑和周圍的生態(tài)環(huán)境情況出發(fā)，綜合考慮玻璃幕墻的熱工作性能、質量密度以及環(huán)保功效等多個方面。玻璃幕墻的綠色節(jié)能技術原理首先要考慮的是保溫性，普通玻璃的熱量流失大，太陽輻射的穿透率大而反射率低，熱阻性能差。其次是氣密性，普通玻璃的密封性差，空氣的滲透率高，幕墻內外空氣的流通率高，對玻璃幕墻的功能發(fā)揮有較大的影響。最后是遮陽性，普通玻璃幕墻阻隔太陽輻射的性能較差，無法起到足夠的隔熱效果[3]。因此，玻璃幕墻設計采用綠色節(jié)能技術的運用原理是提高幕墻的保溫性、氣密性以及遮陽性。

2.3 運用方式

由于綠色節(jié)能技術對玻璃幕墻的改造主要是通過提高保溫性、氣密性和遮陽性來實現(xiàn)玻璃幕墻的可持續(xù)發(fā)展和使用，在具體的應用上，主要是從材料、結構和技術3個方面提升玻璃幕墻的節(jié)能環(huán)保作用[4]。材料不同，所發(fā)揮的功效不同。普通玻璃的材質穩(wěn)定性不足，如果玻璃在制作過程中雜質未去除干凈，或者因為運輸過程中包裝、存放工作沒有做好，以及安裝時技術實施不規(guī)范等問題，均容易產生較大的安全隱患。因此，綠色節(jié)能技術注重對玻璃材料的選擇，而結構方面主要通過對玻璃的數(shù)量、構造進行的優(yōu)化，增加可以起到保溫、遮陽等效果的其他材料。技術方面，則是使用最新的現(xiàn)代玻璃幕墻技術完善幕墻在環(huán)保節(jié)能方面的作用功效。

2.4 實際應用

2.4.1 熱反射鍍膜玻璃：“熱反射鍍膜玻璃又稱為陽光控制鍍膜玻璃，是在其表面鍍金屬或金屬化合物膜，它對太陽光具有反射作用。”熱反射鍍膜玻璃主要是通過鍍膜的形式反射太陽輻射而達到散熱的作用。鍍膜是綠色節(jié)能技術在玻璃幕墻中較為簡單基礎的應用，利用鍍金屬或者金屬化合物膜反射太陽輻射，可以提高玻璃的散熱性能，進而減少建筑內對散熱的用電需求，減少耗電，達到節(jié)能減排的作用。這類玻璃幕墻建造完成后，太陽輻射越大，其反射的太陽輻射越多，可以達到的散熱功能越好。

2.4.2 LOW-E玻璃：LOW-E的意思是低輻射，LOW-E玻璃即低輻射玻璃，也是鍍膜的形式，通過在玻璃表面鍍上金屬或者其他化合物的方式，增加太陽的透射，提升玻璃幕墻的吸熱能力，從而到達保溫的效果。LOW-E玻璃相較于熱反射鍍膜玻璃，所發(fā)揮的作用和功效更大，不僅有較強的保溫作用，還具備良好的光學性。LOW-E玻璃的太陽光線透射作用強，將熱量吸收反射至公共建筑內，從而提升公共建筑室內溫度，達到保溫效果，具有極強的舒適性。光學性方面，LOW-E玻璃可以阻擋部分的紫外線，減少紫外線對幕墻內的輻射傷害[5]。由于LOW-E玻璃的低輻射性能，以及良好的保溫作用，在幕墻應用中更具有普適性，適用范圍更強，尤其是冬季保溫的效果不錯，是許多公共建筑幕墻設計的首選材料。相較于熱反射鍍膜玻璃，應用更多，且環(huán)保節(jié)能作用更突出。

2.4.3 中空玻璃：中空玻璃幕墻在節(jié)能環(huán)保方面的應用主要是通過玻璃的結構和施工技術實現(xiàn)[6]。中空玻璃應采用雙道密封。第一道密封應采用丁基熱熔密封膠、高分子熱塑性間隔膠，結構用中空玻璃的第二道密封膠應采用硅酮結構密封膠，非結構用中空玻璃的第二道密封膠可采用聚硫密封膠或硅酮建筑密封膠。中空玻璃間隔材料可采用金屬間隔條或暖邊間隔條，不得使用熱熔型間隔條和PVC材質間隔條。中空玻璃的間隔條應采用連續(xù)折彎型，間隔條中的干燥劑宜采用專用設備裝填。由于中空玻璃幕墻是通過中間留出一定的空間來形成一個隔熱帶，從而隔絕幕墻內部建筑和外部空氣，進而實現(xiàn)隔熱保溫的作用，因此特殊黏合劑需要具備一定的強度和氣密性，強度不夠導致合片效果差，而氣密性不夠則會影響隔熱效果。鑒于中空玻璃需要利用結構內的空間達到隔熱保溫的效果，因此需要保持空間的干燥性，確保空間內的空氣足夠干燥，所以對施工技術也有一定要求。施工技術專業(yè)性不滿足，操作不規(guī)范，就無法完成框架結構和玻璃的黏合工作。中空玻璃合片的結構，還可以達到隔音的效果，還可以預防結露，減少太陽照射下玻璃帶給人的眩暈感。

2.4.4 真空玻璃：與中空玻璃相似，也是通過對2片或3片玻璃進行合片，不同的是真空玻璃幕墻對材質和結構均有要求。材質方面，合片的真空玻璃中至少要有一塊是低輻射玻璃，且構造的內部空間趨于真空狀態(tài)，需要盡可能減少內部的空氣。通過對真空狀態(tài)的實施，在熱傳導、熱透射等方面有著極大的節(jié)能功效。真空玻璃與中空玻璃的傳熱機理也有所不同。真空玻璃中心部位傳熱由輻射傳熱和支撐物傳熱構成，其中忽略了殘余氣體傳熱。而中空玻璃則由氣體傳熱（包括傳導和對流）和輻射傳熱構成。由此可見，要減小因溫差引起的傳熱，真空玻璃和中空玻璃都要減小輻射傳熱，有效的方法是采用鍍有低輻射膜的玻璃（LOW-E玻璃），在兼顧其他光學性能要求的條件下，其發(fā)射率（也稱輻射率）越低越好。鋼化真空玻璃的預期壽命可達25年以上，其擁有高真空內腔，使氣體傳熱可以忽略，同時采用高性能LOW-E玻璃，大幅抑制輻射傳熱。并且真空玻璃內部為真空狀態(tài)，不受環(huán)境氣壓的影響，適用于各種海拔地區(qū)；同時，真空玻璃應用于建筑物的各個位置都能保持其優(yōu)異的性能不變，包括立面，斜面及屋頂，不存在中空玻璃平放時氣體對流加大導致性能降低的問題。

2.4.5 光伏幕墻：光伏幕墻發(fā)電的核心環(huán)節(jié)是太陽能光電轉換，無粉塵、無廢氣等污染，且發(fā)電過程無噪聲，同時，應用新材料、新技術可以吸收陽光照射玻璃表面而產生的反射光，緩解光污染現(xiàn)象。光伏幕墻的工序是：玻璃面板在太陽照射下，由光電玻璃通過內置的碲化鎘半導體薄膜發(fā)生光生伏特效應，將太陽輻射轉變?yōu)橹绷麟姡ㄟ^多極集電，即在太陽能控制器的控制下將光伏幕墻產生的直流電通過儲能電池組儲存起來，使用時，儲能電池組輸出的直流經過逆變、變壓等過程，轉化成可供使用的交流電，送入供電網絡或直接驅動負載。由于光伏幕墻作為建筑外圍護體系，可直接吸收太陽能，避免了墻面溫度和屋頂溫度過高，可以有效降低墻面及屋面溫度，減輕空調負荷，降低空調能耗。當前光伏幕墻滲透率不足10%，未來隨著建筑對光伏發(fā)電需求的增加、碳中和對建筑減排的進一步要求，光伏幕墻滲透率有望進一步提升。光伏屋頂是當前的主流，但隨著用電需求的增加，光伏屋頂發(fā)電量有限，表面積更大的光伏幕墻顯然將更符合未來場景，從而迎來快速發(fā)展。

3 應用現(xiàn)狀

雖然綠色節(jié)能已深入公共建筑玻璃幕墻的建設理念，但在具體實施過程中仍存在著許多問題。首先是綠色節(jié)能意識不足。盡管人們對于公共建筑的節(jié)能環(huán)保問題愈發(fā)關注，但實際的環(huán)保意識并沒有形成，而且，由于采用節(jié)能技術的幕墻玻璃成本高，不同的玻璃材質不一樣，性能越好，環(huán)保節(jié)能越高的玻璃成本越大，需要付出的成本太高。其次是關于公共建筑玻璃幕墻的節(jié)能標準不完善，當下的建筑行業(yè)節(jié)能標準關于玻璃幕墻的規(guī)定較少，在具體施工時容易產生誤區(qū)。施工人員的技術問題方面，由于節(jié)能技術的玻璃幕墻對施工技術有一定的要求，需要規(guī)范的操作和達標的技術，而當下施工人員的專業(yè)性尚有欠缺，因此在具體施工中會有一定的困難。最后是應用問題，不同地區(qū)、不同情況對節(jié)能技術玻璃幕墻的選擇和使用不一樣，不同材質、結構的玻璃幕墻可以發(fā)揮的作用也不一樣，但當下對綠色節(jié)能技術玻璃幕墻的應用還沒有做好具體問題具體分析，沒有根據(jù)實際情況而盲目的選擇玻璃幕墻，不僅不能起到節(jié)能環(huán)保的作用，反而會形成新的環(huán)保問題，造成資源浪費[7]。

4 解決措施

針對當下公共建筑玻璃幕墻設計對綠色節(jié)能技術的應用問題，可以通過以下方式解決。

第一，加大綠色節(jié)能環(huán)保意識宣傳。

第二，加強技術研發(fā)，降低成本。相關專業(yè)人員需著重針對環(huán)保節(jié)能玻璃幕墻原材料的思考與設計，力爭降低工程總體的造價，加強施工團隊采用節(jié)能方案的積極性。

第三，逐步完善規(guī)章制度。

第四，加強施工人員的技能培訓。

5 結束語

公共建筑玻璃幕墻設計應用綠色節(jié)能技術是玻璃幕墻發(fā)展的時代趨勢。目前玻璃幕墻主要采用的綠色節(jié)能技術有熱反射鍍膜玻璃、LOW-E玻璃、中空玻璃、真空玻璃以及光伏幕墻。在加大相關節(jié)能技術運用的同時需要針對當下的應用情況做出相應的調整。通過加大宣傳、完善節(jié)能標準、加強技術研發(fā)、完善規(guī)章制度、加強技能培訓以及做好施工情況分析促進玻璃幕墻設計對綠色節(jié)能技術的應用。