现代建筑玻璃幕墙节能设计探讨

蔡广剑 黎邵

摘要：我国的建筑节能工作已成为当务之急，建筑节能有着巨大的潜力，建筑的节能工作任重道远。玻璃幕墙的节能设计要遵循科学性、适用性、经济性和安全性的原则。本文结合笔者多年从事玻璃幕墙设计的经验，对玻璃幕墙的节能设计进行了探讨，以期为我国今后超高层建筑的建设提供技术借鉴，促使其走上可持续发展道路。

关键词：玻璃幕墙；节能设计

1、前言

随着经济的发展和社会的进步，玻璃幕墙在建筑上的应用越来越多。玻璃幕墙作为当代一种新型建筑外墙形式被广泛用于建筑中。玻璃幕墙以其采光面积大、自重轻、造型多变、光影效果好等优点成为建筑物构件中将现代建筑技术与艺术结合的最完美的典范。

在CBD的超高层、高层建筑中，玻璃幕墙既能提供良好的采光，又具有简洁、现代的视觉效果，使用较为广泛，特别是在一些地区的标志性建筑，如上海金茂大厦。因此，对高层建筑的玻璃幕墙研究具有广阔的前景。下文对玻璃幕墙的节能设计进行分析。

2、玻璃幕墙节能设计原则

随着GB 50189-2005《公共建筑节能设计标准》、JGJfF 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》、GB/T 21086-2007《建筑幕墙》标准的执行，保温隔热性能及其计算是幕墙节能的重要指标之一。由于我国南北气候差异较大，在不同的气候条件下对幕墙的节能要求不同。因此，玻璃幕墙的节能设计除保证本身性能指标外，还应结合当地气候条件遵循以下设计原则：①严格遵循国家现行的外围护结构热工设计的有关标准规范；②充分考虑当地气候条件，综合各方面因素进行合理选材、选型；③冬季寒冷地区应进行保温设计，夏季炎热地区应进行隔热、通风设计；④热工设计时，必须对其复杂的传热过程和传热方式进行分析和研究。

3、玻璃幕墙材料的选择

3.1玻璃材料

玻璃幕墙中玻璃的面积远远大于金属框架的面积，而玻璃材料表面换热性强，长波热透射率高，故夏季太阳辐射热会透过玻璃进入室内，使室内温度升高，从而增加空调能耗。因此减少玻璃的能耗对幕墙节能至关重要。光学和热学性能是节能玻璃的主要指标，近年来，吸热玻璃、热反射镀膜玻璃、低辐射（Low-E）镀膜玻璃、中空玻璃、真空玻璃等节能玻璃已经应用于建筑上。早期为了解决保温隔热问题，人们开发了吸热玻璃和热反射玻璃等，但是它们存在着通透性不好及光污染等问题。随着科技的不断发展，Low-E玻璃和双Low-E玻璃诞生了，这些玻璃具有辐射率低、良好的通透性和节能效果好等特点，用这些玻璃组成的中空玻璃或复合真空玻璃节能效果最佳。

严寒地区建筑能耗主要是采暖，因此对玻璃的传热系数要求高，应采用中空玻璃或低辐射中空玻璃。对于过渡地区、夏热冬冷和夏热冬暖地区，建筑能耗主要是制冷，因此要降低玻璃的遮阳系数，阻止太阳热线进入室内，以减少空调的冷负荷，一般采用吸热玻璃、热反射玻璃和热反射中空玻璃。严寒地区应采用低辐射玻璃，尽量采用综合性能优越的低辐射中空玻璃。

3.2铝合金型材（隔热断桥）

玻璃幕墙中一般采用铝合金材料作为支撑构件。金属比玻璃的导热系数大，普通幕墙的型材无可避免地出现“热桥”现象。幕墙型材的选择与设计的重点在于防止“热桥”的出现，采用断热桥铝型材可以有效地达到节能效果。断热桥铝型材的隔热原理是基于一个连续的隔热区域，利用低导热系数材料制成隔热条，将铝合金型材分成两个部分。隔热条材料的导热系数0.3 W/（m2·K），远小于铝合金导热系数203 W/（m2·K），强度与铝合金材料相当。

在炎热的夏季，断热桥铝型材室外部分温度达40～60 ℃时，室内部分可保持在25 ℃左右，可以有效地阻止热量传到室内。冬季，室内外铝型材温差也可达到20 ℃左右，从而减少热量损失，达到节能目的。

3.3保温材料

层间结构梁位置的玻璃幕墙可采用单片玻璃和保温岩棉的组合设置，以确保玻璃幕墙在非透明位置的保温系数满足节能计算要求。

3.4、玻璃幕墙的遮阳

建筑外围护结构节能设计中，开窗、遮阳、材料的隔热性能等是重点考虑的环节。对于大面积玻璃幕墙建筑来说，遮阳是节能设计的重要因素之一，特别是夏季炎热地区。前文提到的节能型材的隔热措施，结合遮阳手段可以更加有效地降低炎热地区夏季空调冷负荷，达到节能目的。遮阳设计主要体现在玻璃遮蔽和遮阳构件上。

玻璃可根据其不同的遮阳系数结合当地气候条件进行正确选择，镀膜玻璃、反射玻璃、吸热玻璃、低辐射玻璃和中空玻璃等都可作为遮阳设计的选择。遮阳构件的设计按位置可分为外遮阳和内遮阳，外遮阳的形式可分为水平式遮阳、垂直式遮阳、综合式遮阳和挡板式遮阳、幕墙遮阳板常见形式。其中水平遮阳板设计时要注意对玻璃外侧热空气散逸的处理，即遮阳板与玻璃墙面应有一定距离，遮阳板本身也应做通风处理，比如设计成倾斜百页状。垂直遮阳板最好设置可调节，可以根据太阳位置改变方向。内遮阳就是在幕墙内侧设置遮阳帘、软百页、竹帘等。

幕墙建筑采用遮阳与否对室内温度和采光都有一定影响。夏季炎热地区，采用遮阳措施后，室内外温差达1～2 ℃，可有效地降低室內温度，并且有利于室内温度的稳定、均匀，增加室内环境的舒适感。因此，幕墙遮阳可降低空调的冷负荷，节约大量电能，但同时也应注意保证室内的天然采光。

就我国所处地理纬度来说，各种遮阳板基本形式是适应朝向范围如下：

（1）水平式遮阳。在玻璃前采用伸出重叠的平板这种形式的遮阳，能有效地遮挡太阳高度角较大的、从玻璃幕墙上方投射下来的阳光，故适用于南向的玻璃幕墙建筑物。

（2）垂直式遮阳。设于玻璃前凸出板的垂直式遮阳，能有效地遮挡角度较小的、从玻璃窗侧斜射进来的阳光。但对于角度较大的，从玻璃窗上面射下来的阳光，或接近日出、日落时平射的阳光，起不到遮挡作用。故垂直式的遮阳主要适用于东北、北和西北向附近的玻璃幕墙建筑。

（3）综合式遮阳。综合式遮阳能有效地遮挡高角度中等的、从玻璃窗前射下来的阳光。遮阳效果比较均匀，故适用于东南或西南向的玻璃幕墙建筑。

（4）挡板式遮阳。挡板式遮阳能有效地遮挡高度角较小的、正射窗口的阳光，故主要用于东西向的玻璃幕墙建筑。

4. 典型高层建筑玻璃幕墙实例调研与分析

4.1调研概况

本次调研的两座高层建筑分别是A广场和B大厦，主要从玻璃幕墙所采用的玻璃种类、玻璃幕墙的支承方式、该建筑玻璃幕墙部分是否有遮阳措施、室内热舒适度与满意程度进行调查。

A广场由七栋错落有致的现代建筑：国际金融中心（（4栋写字楼）、国际大酒店、国际商务公寓构成主体建筑群落，总建筑面积26万平方米，本次调研，以其中的国际中心D座为例。

B大厦位于城市经济技术开发区，地上北塔楼二十六层，南塔楼十七层（裙房三层），地下二层，建筑总面积57278㎡，外立面幕墙总面积约22000㎡，主要包括：玻璃幕墙、石材幕墙及铝合金窗。

4.2调研分析

（1）玻璃幕墙所采用的玻璃种类

国际中心D座采用的是中空镀膜钢化玻璃，B大厦的幕墙玻璃均采用6㎜+9A+6㎜双钢化中空LOW-E（低辐射）玻璃，夏季白天的U值不大于2.1W/㎡·K。

由此可以看出，该地区，中空低辐射玻璃玻璃、镀膜玻璃的应用已经比较普遍。

低辐射玻璃有很低的表面辐射率，从而使通过中空玻璃空气层的辐射传热大为减小，因此，用低辐射玻璃制作的中空玻璃特别适合于改地区以及建筑物的非朝阳面玻璃幕墙。

（2）玻璃幕墙的支承方式

国际中心D座外立面设计为隐框玻璃幕墙，建筑透明、现代感十足。B大厦则采用横明竖隐玻璃幕墙（南塔楼北外墙）及斜横明竖隐玻璃幕墙，保证建筑物良好的采光，又避免光反射所造成的光污染现象。

隐框玻璃幕墙在目前正在广泛使用，可能是由于以下原因：

第一，与点支式幕墙相比，造价低，与明框玻璃幕墙相比，立面简洁、整体感更强。

第二，近年来该地区所建幕墙中，半隐框的支承方式将玻璃、铝板或玻璃、石材两种材料结合在一起越来越普遍。这样既可保持外立面整体的造型，同时幕墙的耗能又比全部采用玻璃材料小一些。

（3）遮阳措施状况

两栋建筑由于要考虑建筑外立面的造型，故均未设置遮阳措施，仅有部分的办公室在装修时自己设置了内遮阳措施，有的是内软百叶帘，有的是布条帘，遮阳效果不佳。分析其原因，主要是因为装在窗口内侧的布帘、软百页等遮阳设施，其所吸收的太阳辐射热，大部分将散发给室内空气，所以效果不佳。

（4）关于室内热舒适度与满意程度的调查

本次调研中，对两栋建筑分别随机挑选100位使用者，在夏季和冬季两个典型月份对其室内热舒适度与满意程度进行问卷调查（考虑未采取空调采暖和降温时使用者的感受）。调查表形式见表1。

通过汇总相关数据，得到以下结果（见表2、表3）。

从以上数据可以看出，在使用者未进行空调采暖和降温时，使用者的感受情况。从整体上来说，国际中心D座的使用者的室内热舒适度与满意程度比B大厦的使用者略低，特别是在夏季最为明显。主要原因在于国际中心D座为全隐框玻璃幕墙，而B大厦幕墙以明框和外明内隐为主，除去玻璃部分，还有部分石材等实体围护结构，因此，结果就有所差别。

该地区在冬夏两季，特别是炎热的七月份，建筑内部使用空调非常普遍，使用者需要利用空调设备来改善室内的环境和舒适度。从能耗角度上来说，这将大大增加空调设备的负荷，不利于能源的节约。因此，考虑室内使用者的舒适度越来越重要，与建筑的节能有着密切的联系。

5.结束语

节能环保是我国建筑行业发展的重要趋势之一，在能源危机日渐严重的今天，幕墙的能源消耗大大的增加了我国的能源负担，不利于我国社会主义和谐社会的进程，随着建筑行业的飞速发展，现代幕墙将会得到更广泛的运用，幕墙能源消耗势必会进一步增加，为了缓解我国的能源压力，在幕墙设计过程中，不断提高设计人员的综合能力和专业素质，在综合考虑到施工地点的自然环境，人文经济等多方面的因素的基础上，从整个建筑构件的设计，连接和建筑的热工，保温等各个方面做出科学是设计，使得现代幕墙既可以满足节能需要，又可以创造出独特的建筑风格，实现实用价值和美学价值的统一，为国家经济的发展和人们生活质量的改善注入新的活力。本次通过对国际中心D座和B大厦两栋高层建筑的玻璃幕墙设计的现状资料进行了深入地分析，可以得出以下几点结论：

（1）建筑玻璃幕墙所用的玻璃材料中，中空玻璃的应用已经比较普遍，从而取代了普通单片玻璃的应用。但随着节能标准的不断提高，普通的中空玻璃己不能完全满足节能设计的技术要求。应根据地区的气候特点，运用新型中空玻璃，如LOW一E中空玻璃。

（2）在该地区建筑所用玻璃幕墙的支承方式中，明框玻璃幕墙的应用在逐渐减少，而隐框玻璃幕墙和明框、隐框相配合的玻璃幕墙的数量在增加。

（3）建筑玻璃幕墙采用遮阳设施的情况并不多，特别在夏季，不利于降低能耗。因此，应考虑建立玻璃幕墙遮阳体系。在建筑设计中可以考虑结合建筑外立面造型，設置外遮阳板。

（4）高层建筑玻璃幕墙的设计不应片面的追求建筑的立面造型，应该充分考虑“以人为本”，从使用者的角度出发，关注建筑室内热舒适程度，并以此作为建筑节能的一个参考。

（5）对该地区而言，通过提高玻璃幕墙所用材料的热工性能来满足节能要求，余地已经不大，那么就需要采用一种新型的节能幕墙——呼吸式双层玻璃幕墙。

参考文献：

[1]李雪平. 建筑玻璃幕墙的节能设计研究[D].西安：西安建筑科技大学，2006

[2]赵西安.为什么高楼大厦需要建筑幕墙[J/0L].中国建筑装饰材料网.2005

[3]张通. 清华大学环境能源楼——中意合作的生态示范性建筑[J].《建筑学报》.2008，02