论述建筑幕墙的节能设计

2018-06-13高利红

建材与装饰 2018年28期

高利红

（上海旭博建筑装饰工程有限公司上海 201318）

引言

建筑是艺术形式中的一种，即是实用的实体，又包含了具有代表性的美化价值，体现出功能与形式、艺术与技术的统一，其多样性的美感由人的视觉体验来得以实现。为实现现代建筑的多样性艺术，玻璃幕墙成为现代建筑不可缺少的元素。

玻璃幕墙具有现代主义建筑的主要特征，是现代化都市的标志，也是经济、技术发展的代表。玻璃幕墙以晶莹剔透、轻巧美观、耐候性好、密封性佳、安装方便、维护简便等优点，在建筑中迅速崛起，独领风骚。然而，建筑玻璃幕墙、铝合金门窗作为外维护结构节能的薄弱环节，成为了建筑节能中最受关注的重点。近年来，国家及地方新制定的建筑节能设计、施工质量验收规范及相关检测标准均对幕墙、门窗的传热系数、遮阳系数、可见光透射比等性能提出了具体要求。

1 建筑幕墙节能设计分析

建筑幕墙的节能设计并不是固定的模式，而是应因地制宜，节能设计应该满足建筑周边的自然环境，如光线、温度、风压、气候状况等自然条件，通过有效的系统技术和产品对室内环境起到适应和调整的过程，这个过程需要综合处理多种关系，如隔热和保温，采光和遮阳，通风和热交换的关系，气密性、水密性和传热，隔声的关系等等，所以说建筑的节能不仅仅是应用材料的节能，更是建筑环境的节能。

玻璃幕墙的热工设计，应该追求设计功能的主动性和积极性，变被动设防为主动利用能源的设计思想，未来减少冬季采暖供热的热损失和能源消耗，未来减少夏季空调制冷的热袭入和能源消耗。进行玻璃幕墙热工设计时，必须对其复杂的传热过程和传热方式进行分析和研究。玻璃幕墙的传热过程大致有三种途径：①玻璃和铝合金框传热，通过玻璃的镀膜层减少辐射换热；②幕墙内表面与室内空气和室内环境间的换热；③玻璃幕墙外表面与周围空气和外界环境间的换热。玻璃幕墙节能设计应从上述三种途径加以考虑。第一种途径（热传导）对节点设计影响最大，针对玻璃的导热性能，设计时采用中空玻璃；针对铝合金框的导热性能，设计时采用尼龙66等结构塑料，形成“断桥”，可增大热阻，减少热传导，从而设计隔热玻璃幕墙。在此基础上，再考虑第二种途径（热对流）和第三种途径（热辐射），在构造上采用双层Low-E玻璃，上下端对流开口，从而设计动态幕墙。

2 案例分析

工程名称：湖北随州红星国际广场·一期幕墙工程。

情况说明：该工程位于湖北省随州市，设计为商业群体，为公共建筑，窗墙比较大，导致铝合金幕墙节能要求较高，传热系数K值为2.0W/（m2·K），普通铝合金断桥幕墙一般传热系数K值≥2.5W/（m2·K），无法满足该工程热工要求。

解决方案：此工程为了满足传热系数要求，从以下几方面设计热工：

2.1 明框玻璃幕墙节能方案

（1）玻璃：根据本工程的特点，采用高性能的隔热玻璃，即8+12A+8中空Low-E玻璃，由于业主选样玻璃为单银Low-E玻璃，其传热系数K值最小也为1.8W/（m2·K），与铝合金框加权平均后，整个玻璃幕墙传热系数均在2.5W/（m2·K）以上，根本满足不了本建筑的热工要求。根据以上情况，在满足业主要求的前提及认可下，建筑幕墙设计采用双银Low-E玻璃，且充惰性气体，选用的玻璃传热系数K值仅为1.5W/（m2·K），与铝合金框加权平均后，整个玻璃幕墙传热系数均在2.0W/（m2·K）以下，满足了此建筑的热工设计要求。

（2）铝合金型材：在铝合金型材截面不变的情况下，采用24mm长隔热条，降低铝合金隔热型材的传热系数K值，与玻璃传热系数K值1.5W/（m2·K）加权平均计算，满足热工设计要求。

（3）自然通风与建筑节能：该公共建筑空间比较大，室内人员密度也比较高，于是采用自然通风式动态幕墙的构造，根据《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2006）要求，设置开启外窗面积，通过开启外窗通风来获得热舒适性和良好的室内空气品质。

（4）提升幕墙气密性的设计：透明玻璃幕墙中提高幕墙的气密性能也是提高建筑节能的重要途径，本工程主要采用多道（三道）密封的开启窗，以抵御夏季和冬季室外空气过多的向室内渗漏。

2.2 点支撑幕墙节能方案

（1）玻璃：由于采用点支撑幕墙的主要目的是需要通透的建筑效果，因此，其玻璃采用双银Low-E中空夹胶超白玻璃，由于无铝合金框的热传导，其热工性能比本工程明框玻璃性能更优，极大的满足了建筑幕墙热工设计要求。

（2）电动遮阳：采用室内电动遮阳卷帘，以提高建筑幕墙节能性能。

（3）气密性设计：全玻璃点式幕墙，不设置开启窗，大厅点式幕墙处采用机械通风满足节能要求。

2.3 玻璃采光顶节能方案

采用高性能的玻璃，即双银中空夹胶Low-E彩釉玻璃，中空层充入惰性气体，玻璃采用暖边处理，遮阳系数SC值为0.4，同样铝合金型材采用隔热断桥型材，降低传热系数，提高建筑节能。同时采用电动百叶外遮阳系统，大量降低室外阳光照射，减少采光顶外表面与周围环境的热传导。

3 铝合金门窗节能设计分析

众所周知，建筑是用能大户，随着建筑行业中各类建筑耗能逐渐增加，节能环保是建筑行业的必然趋势，现在建筑工程节能环保十分严峻，所以建筑业节能环保任重道远。铝合金门窗作为建筑物的外围护结构之一，直接影响到建筑物的节能性能，提高门窗的保温性能是降低建筑物能耗的主要途径。

铝合金门窗的热量损耗主要有三个途径：①热量通过铝合金型材的传导损失；②热量通过玻璃的辐射损失；③通过门窗缝隙的空气对流热量损失。因此，针对以上三点，铝合金门窗着重以下几点来进行节能保温设计。

3.1 铝合金型材

由于铝合金材料是热的良导体，热导率高，要想保温隔热，必须选择有隔热断桥处理的型材，隔断热传导的通路，以此来达到保温隔热的目的。

3.2 玻璃

采用中空玻璃就可以达到保温隔热效果，这是因为中空玻璃之间的空腔内充满干燥、静止的空气，大大降低热导率，除此外中空玻璃具有优良隔声和抗霜凝、结露性能。建筑材料中常用的中空玻璃的玻璃厚度5～8mm，常见的空腔厚度有9mm、12mm、15mm等。

3.3 密封材料

铝合金门窗如果密封不好会通过热对流损失大量热量，因此保温隔热门窗应采用密封胶，而且要注意选择抗臭氧腐蚀性能及抗紫外线老化性能优良的氯丁橡胶制品，门窗扇开启重合部位更要设置三道以上密封胶条，这样才能起到很好的密封效果。

4 案例分析

工程名称：美林湖生态小镇-大家元·家园住宅铝合金系统门窗工程情况说明：本工程位于广东省清远市美林湖国际社区。该项目大部分由业主内部员工自持，对建筑品质要求较高，特别是保温，整窗节能传热系数K值不大于2.0W/（m2·K）。

解决方案：

（1）铝合金型材：首先选择该工程的门窗系统，由于门窗节能要求高，必须增加型材隔热性能，型材隔热性能主要从几方面优化：①隔热条尺寸，其尺寸越长隔热性能越好；②型材墙体内空气尽可能减少流动，避免热量的流动损耗。综合以上两点，该工程系统选型为70系列平开窗及120系列推拉门。隔热条采用尼龙66结构塑料，市场上标准长度为14.8mm，本工程根据其特点设计为24mm，等温线上的双隔热条之间采用交错设计，尽量减少空气流通。

（2）玻璃：玻璃采用5+12A+5+12A+5双中空Low-E钢化玻璃，玻璃传热系数K值1.52W/（m2·K），大面积降低玻璃的辐射损失。

（3）密封材料：为了增加铝合金门窗的密封性，设计时考虑开启部位与固定部位均采用三道密封，杜绝通过热对流损失热量。同时采用欧标的三元乙丙胶条，抗臭氧腐蚀性能及抗紫外线老化性能优良，质保期能达到10年以上。

5 幕墙门窗通风性能分析

在日常生活工作中，室内空气流通非常重要，关系到人类的身体健康和人们的工作效率。保证室内的自然空气流通，排除室内的有害气体具有非常重要意义。建设部颁布的《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2006）明确规定：居住空间自然通风，通风开口面积在夏热冬冷地区不小于该房间地板面积的8%，其他地区不小于5%。

在现代建筑幕墙设计过程中，建筑通风是必须要考虑的一个重要因素。在考虑建筑通风时，既要保证整个建筑幕墙的完整性，又要考虑整个建筑幕墙的密封性，而且还要考虑节约能源降低能耗，可见建筑幕墙通风的重要性，幕墙通风性能好坏将直接影响幕墙的使用。

幕墙通风量计算：

建筑幕墙通风量，即单位面积时间内通过幕墙某一截面的空气总量。

通风量公式：Q=Aa·Va

其中Q——幕墙通风量（m3/s）；

Aa——通风面积（m2）；

Va——空气流速（m/s）。

6 案例分析

工程名称：崇明县陈家镇滨江生态休闲运动居住社区4号地块（金茂凯悦大酒店）。

情况说明：该工程为上海崇明唯一一家五星级酒店，面对长江口，极端天气较多，建筑对幕墙水密性、气密性要求比较高，但建筑设计同时也强调了通风量必须满足《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2006）中的要求，通风开口面积不小于该房间地板面积的8%，且通风量要求达到3.0（m3/s）。该酒店有套高档套房，室内建筑面积为108m2，但该房间使用的玻璃幕墙面积22m2，按照108×8%=8.64m2，该面积占幕墙外立面面积比例较大，破坏了幕墙外立面完整性，且幕墙水密性、气密性较差，建筑设计师坚决不同意，且仅只允许外幕墙最大开启1.2m2。

解决方案：综合考虑相关规范及建筑设计要求，从以下几点设计幕墙开启及通风量。

（1）幕墙通风包括自然通风和机械通风两种形式，该工程部分采用机械通风、部分采用自然通风，此房间机械通风面积设计为7.5m2，自然通风面积设计为1.2m2，即：

7.5 +1.2=8.7m2＞8.64m2

满足《绿色建筑评价标准》（GB/T50378-2006）中的要求；

（2）根据通风量公式：Q=Aa·Va，通风量大小与通风面积和空气流速有关。空气流速一定的情况下，通风面积越大，通风量越大；通风面积一定的情况下，空气流速越大，通风量越大。由《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ102-2003）规定，幕墙上悬窗开启扇的开启角度不应大于300，设定开启扇开启角度为30°。此房间开启面积为1.2m2，按以上要求，开启通风面积实际仅为0.4m2，通风量即为：

Q=Aa·Va=0.4×4.0=1.6m3/s＜3.0m3/s

其中Va为4.0m/s（崇明东滩月平均最低风速）。

通风量满足不了要求。最终只能从开启面积着手，改变开启方式，改用平开窗，开启角度不受《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ102-2003）约束，可大可小，可以通过调整其开启角度来调整通风量。开启面积最大为1.0m2（去除框面积0.2m2），通风量即为：

Q=Aa·Va=1.0×4.0=4.0m3/s＞3.0m3/s

通风量满足要求。