低碳節能理念下建筑幕墻優化設計
—— 以北京市某國際大廈為例

王天宇

2021 年7 月印發的《關于推動城鄉建設綠色發展的意見》提出，要推動高質量綠色建筑規模化發展，大力推廣超低能耗、近零能耗建筑，發展零碳建筑[1]。根據《中國建筑能耗與碳排放研究報告（2022 年）》的相關數據顯示，2020 年全國建筑全過程能耗總量和碳排放總量分別為22.7 億tce和50.8 億t CO2，能耗總量占全國能源消費總量的45.5%，碳排放總量占全國碳排放的50.9%，其中，建材生產階段、建筑施工階段、建筑運行階段的碳排放量分別占28.2%、1.0%、21.7%[2]。由此可見，建筑行業實施低碳建造，對于實現“雙碳”目標、提升建筑能效水平具有重要的意義。

建筑幕墻作為不承擔主體結構荷載與作用的建筑外圍護結構，被廣泛地應用于現代建筑工程中，在改善和美化建筑外形的同時，也會對室內和室外的熱量交換產生一定的影響，是建筑節能減排的實踐終端和關鍵環節。隨著生態環境不斷惡化，建筑幕墻低碳節能的優化設計顯得愈發重要，可以避免過多熱量被轉移到室外，使室內的熱環境維持在一個較為舒適的狀態，從而大幅降低冬季、夏季熱環境下的設備運行的能耗以及建筑整體碳排放。在節能標準不斷提高和高質量發展的背景下，建筑外圍護結構建造技術亟需在建造質量和低碳節能方面進一步優化和升級，將綠色環保、節能低碳融入建筑幕墻建設的全過程，運用多項綠色建筑技術、低碳節能技術，提升建造效率和品質，以此實現建筑的節能減排。

1 建筑幕墻的類型

建筑幕墻是不承擔主體結構荷載與作用的建筑外圍護結構體系，由金屬龍骨與各種板材面層構成，相對主體結構有一定位移能力或自身有一定變形能力[3]。根據表面材料的不同，建筑幕墻可以分為玻璃幕墻、石材幕墻、金屬幕墻3 類；根據安裝支撐形式及加工方式的不同，建筑幕墻可以分為構件式幕墻、單元式幕墻、半單元式幕墻、點支式幕墻和全玻式幕墻；以新技術和新工藝為依據，可將其劃分為節能型、復合型等多種形式，如建筑生態幕墻、建筑光電幕墻、建筑雙層動態的節能幕墻等。

2 影響建筑幕墻熱耗的2 個主要因素

2.1 建筑幕墻的氣密性

建筑幕墻的氣密性主要是指幕墻拼接完成后本身對氣流的阻隔能力，會對建筑的熱損失和幕墻的保溫效果產生直接的影響[4]。在建筑幕墻設計和安裝工作中，一旦沒有按照有關的標準和要求進行合理操作，很可能會出現拼接縫隙較大的問題，從而使內外部氣體可以通過縫隙流過，導致熱量散失。特別是在嚴寒地區，如果氣密性較差，會對玻璃幕墻的隔熱效果和保溫性能產生嚴重影響。因此，為避免建筑室內熱量散失，在設計玻璃幕墻時，不僅需要保證幕墻的結構合理，還需要嚴格按照相關標準和要求進行氣密性實驗，保證氣密效果。

2.2 建筑幕墻層間傳熱系數

在設計建筑幕墻時，部分設計者會選擇具有整體美觀效果的玻璃幕墻。雖然玻璃具有較高的傳熱系數，但是如果不能有效地處理建筑幕墻的室內熱量傳遞，會造成能源浪費，導致整個建筑的熱能損耗增加。建筑幕墻層間傳熱系數會受幕墻的透射率和反射率影響。建筑幕墻的透射率和反射率的測量對象都是可見光，在太陽光中，大約有50%是可見光，43%是紅外線，7%是紫外線，太陽光的熱量很大一部分集中在紅外波段。

建筑幕墻的透射率是指光線穿過幕墻的比率，數值越大，說明光線透過玻璃窗的比率越大，反射率與透射率成反比，透射率數值越小，則反射率數值越大，幕墻的遮蔽效果也就越好。通常情況下，透射率越大，傳熱系數越高，其所能造成的實際熱損失也越大，影響建筑的保溫效果。

以普通的6 mm單片白玻璃為例，其透射率約為85%，反射率約為7%，另外分別約有6%和2%的光線和熱能會通過幕墻，向外或向內進行二次輻射和對流，其遮陽系數約為0.99，在ASHERA 標準條件下其傳熱系數分別為5.74（夏）和6.17（冬），保溫隔熱性能較差，會造成較大的熱損失。由此可見，對于建筑幕墻而言，其材質會影響建筑的傳熱系數。例如，選擇中空玻璃（厚度以12 mm 或以上為宜）可以有效提高玻璃型建筑幕墻熱阻，減少室內外的熱交換，從而降低空調能耗。

3 基于低碳節能理念的建筑幕墻的優化設計

本文以北京市某國際大廈（以下簡稱A 大廈）為例，結合北京市實行75%建筑節能標準的具體要求，從材料和技術2 方面，探究低碳節能理念下建筑幕墻優化設計，為該大廈的節能改造奠定基礎[5]。

3.1 合理選擇節能材料

3.1.1 合理選擇綠色環保的節能玻璃材料

首先，選擇新型特性的幕墻玻璃。隨著建筑領域節能降碳要求以及建筑節能設計標準的提升，對具有綠色節能特性的建筑幕墻材料的需求愈發迫切，新型幕墻玻璃逐漸流入市場。因此，A 大廈在節能改造過程中，可以選擇新型特性的幕墻玻璃，如新型聚光玻璃，利用聚甲基丙烯酸甲酯代替玻璃幕墻中的玻璃成分，集中大量的光和熱，達到聚光效果，有效控制玻璃幕墻的傳熱系數，在解決玻璃幕墻能量損失的同時，提高太陽能利用率[6]。該玻璃幕墻既能滿足日常的室內照明要求，又能將過剩的光和熱收集起來用作其他用途，如緊急情況下的供電。

其次，選擇中空節能的幕墻玻璃。中空玻璃的基本原理是利用玻璃的兩層間隙，采用人工粘接的組合方式，將兩層或三層玻璃粘到鋁合金框架上，再抽出玻璃空隙內的空氣，并在玻璃的中空結構中添加干燥劑或填充惰性氣體，使玻璃幕墻具有高熱工、高隔音的特性，可以顯著改善幕墻結構的隔噪性能。在A 大廈節能改造過程中，工程設計人員可以根據公共建筑節能設計標準以及大廈的節能需求，選擇不同厚度、不同層數、不同透射度、不同熱工系數的玻璃幕墻，并適當改進建筑玻璃幕墻的熱工系數、玻璃層次厚度、幕墻透射度、幕墻總層數等各項技術指標，從而有效提升幕墻使用過程中的靈活程度和穩定性。

最后，選擇光電與鍍膜的幕墻玻璃。光電與鍍膜的幕墻玻璃通過收集自然光的光電效應而產生能量，可有效阻擋強光的直接照射，且不會對建筑內部的通風遮陽、保溫隔熱等效果造成直接影響，有效減少了建筑物的整體光污染強度。同時，可以增加建筑的藝術性，最大限度地提高了幕墻結構的美觀度，兼具美感效應和綠色節能效應。

3.1.2 合理選擇幕墻型材

低碳節能理念下，在建筑幕墻設計過程中，合理選擇建筑幕墻框架材料是提高建筑綠色節能效果的重要手段。隨著建材和科技的持續發展和創新，越來越多的新型節能環保材料被應用到建筑幕墻中，其中，就包括斷熱材料。因為斷熱材料具有密封性好、重量輕、蓄熱性能、抗風性能好等特點，將斷熱材料應用于建筑幕墻中，能夠有效地降低建筑的熱能消耗。

為了使建筑幕墻達到更好的節能效果，在選擇幕墻框架材料時，應根據當地的氣候條件，綜合考慮美觀性、實用性、耐用性，使其在滿足其硬度（承載力）、強度、穩定性等機械性能要求的前提下，還可以滿足其美學和耐久性的需求。例如，選擇鋁合金絕熱型材，擁有優良的機械性能和結構支撐能力，不僅能有效地抵御強風和幕墻自重，還可以阻擋熱傳遞，減少能量的轉換，從而滿足了建筑幕墻的節能需要。

3.2 運用綠色節能技術

建筑幕墻設計中合理運用綠色節能技術，是踐行低碳節能理念、保證施工材料和建筑物節能效果的基礎。

3.2.1 通風技術

通風是影響幕墻建筑綠色特征的關鍵因素之一，它對建筑使用環境的健康、建筑能耗有重要影響。自然通風作為較傳統的建筑節能方式，是實現零能耗零排放、減少熱效應最有效的手段，也是提高建筑物內部空氣質量的最根本途徑。A 大廈在節能改造過程中，為了節省建筑能耗，設計人員需要將自然通風技術納入考量，采用自然通風幕墻技術對建筑幕墻進行節能改造。以大廈所處的地理位置和氣候條件為依據，并與風向特征相結合，運用科學合理的布局、排列、高低長短搭配，通過設置天井、導流板、天窗、捕風器、百葉玻璃幕墻及雙層玻璃幕墻等，更好地利用自然風，達到自然通風的目的，從而獲得最佳的節能效果。

3.2.2 幕墻采光節能技術

幕墻采光節能技術是指利用太陽能為建筑內部提供光線，使自然光線得到充分利用。傳統幕墻結構設計中，設計人員往往會在幕墻上安裝燈光，實現建筑采光照明，但是這種人工采光系統會產生大量的建筑冷負荷和建筑排放廢熱，與低碳環保的建筑幕墻設計思想相悖。因此，在A 大廈節能改造過程中，設計人員可以利用人工智能技術和自然采光技術設計智能幕墻采光系統，實現日照調節、取暖加熱、智慧燈光等功能的集中控制[7]。

3.2.3 幕墻遮陽技術

遮陽技術是指利用合理的遮擋部件，如帆布篷、軟百葉、竹簾、布簾、遮陽窗簾及防曬板等幕墻內置結構，防止太陽光直接照射到室內，從而降低日照輻射，使建筑室內維持在較為舒適的狀態。對于A 大廈而言，建筑物有大面積透明幕墻，應用遮陽技術可以使幕墻的表面溫度處于較低的狀態，防止因日光直接照射而引起室內過熱和二次光污染，實現建筑節能的要求。因此，可以應用遮陽節能幕墻技術，設計智慧遮陽節能幕墻系統，利用光照傳感器感應外界光線強度，通過控制器控制電機啟動，電機轉動會帶動太陽能電池板以及加強板組件轉動，使其覆蓋在幕墻本體的內部，實現遮陽功能。

3.3 優化幕墻構造方式

在建筑幕墻設計和施工過程中，綠色節能技術和材料的應用，優化了建筑幕墻的構造方式。太陽能光電幕墻、生態幕墻、雙層動態的節能幕墻等已廣泛應用于建筑幕墻設計中，有效降低了能量消耗，提高了建筑幕墻的節能效益。

3.3.1 太陽能光電幕墻

太陽能光電幕墻屬于一種新型節能產品，集發電、隔音、安全、隔熱以及裝飾功能于一體，在保證外界新鮮空氣不斷流入的同時，實現對建筑內部有害氣體的實時排放，且不會產生有害氣體和噪音[8]。在A 大廈節能改造過程中，設計人員必須高度重視光電幕墻的應用，并與建筑設計的實際情況相結合，合理應用光電幕墻，大幅度降低建筑光照能耗，發揮光電幕墻的節能效果。為防止太陽能光電幕墻存在撓度強、控制難度大等問題，需要在規劃設計時，參照邊界支撐條件，借助專業軟件進行精確計算，以保證太陽能光電幕墻設計的合理性。同時，如果想應用太陽能光電幕墻，需設計人員使用密封膠對幕墻的連接處適當處理，確保幕墻的密封性。

3.3.2 生態幕墻

一方面，將建筑物與植物相結合，進行建筑幕墻設計，不僅可以滿足人們對建筑的使用需求，還有助于實現人與自然之間的和諧共處，提升建筑幕墻的生態節能效果，有效推動區域內生態環境的可持續發展。在此過程中，設計人員需要對建筑幕墻周圍的生態環境形成全面的認識，從而科學合理地選擇建材和植物，合理布局建筑幕墻空間結構，使之與周邊的生態環境相匹配，在減少建筑能耗的前提下，還能保護生態環境的良性發展。

另一方面，用綠色環保技術構建交互式的幕墻結構體系，平衡建筑幕墻與周圍生態環境，實現建筑幕墻的主動式節能減排。在此基礎上，A 大廈在節能改造過程中，可用仿生技術，如參照深圳市大浪時尚創意城的幕墻造型設計，用鋼框架玻璃幕墻、點式拉索玻璃幕墻、全玻璃幕墻、玻璃采光頂、異形窗花格柵及玻璃樓梯等多樣化幕墻系統，將綠色植物的色彩、形態、結構融入生態幕墻設計中，對自然生命形態和物質形式進行仿生學再創造，構造仿生生態建筑幕墻，探索適宜工作和生活的可持續環境。

3.3.3 雙層動態節能幕墻

工程設計人員在設計和構造雙層動態節能幕墻的過程中，需要借助智能化建造技術，在兩層幕墻的間隔夾層中填充惰性氣體，并安裝溫度變化與光線變化的自動探測裝置。一方面，使其可以在酷暑天氣，利用熱風管的物理作用，將室外熱風及時排出，達到室內降溫的目的；另一方面，當外部溫度降低時，幕墻內表層結構將起到保溫供熱的作用，從而降低建筑物空調等常規采暖裝置的能耗。

在設計雙層動態的節能幕墻時，可以根據建筑物周圍的建筑風格，適當地選用平面光滑、外觀形態完整的石材幕墻，更能烘托出建筑整體的外觀結構美感。同時，石材幕墻具有結構性能優良、體積大等特點，在綠色節能方面具有明顯的優勢，可有效縮短建筑用石的施工周期，并帶來良好的視覺體驗。但是，在設計和構造雙層動態節能石材幕墻過程中，需要對幕墻石材的采購進行嚴格的全面質量檢測，防止買到不合格的幕墻石料。同時，還需要檢驗膠體材料的可靠性和安全性，保證其具有良好的密封性能和防火性能。

4 結語

在“雙碳”背景下，加強建筑幕墻的優化與創新，可以提高建筑的視覺表現力，同時也是降低建筑能耗的重要因素。如何在建筑幕墻設計中傳遞綠色意識、踐行低碳節能理念，是當前建筑幕墻設計工作的重要方向。設計人員應結合建筑幕墻設計實踐和影響建筑幕墻熱耗的主要因素，從技術、材料、構造方式等方面出發，通過合理選擇節能材料、積極運用綠色節能技術、不斷優化幕墻構造方式，達到提升建筑能效水平的目的。