高层建筑幕墙工程中节能技术应用

杨智杰

(山西宏厦建筑工程第三有限公司，山西 阳泉 045000)

建筑行业在高速发展的过程中，其高消耗问题一直是制约其长远发展的重要因素之一，因此备受关注。我国虽然兴建了大量的建筑工程，但是属于绿色节能建筑的却相对较少。即便我国是一个能源大国，面对如此高的消耗和大量的能源需求，也逐渐显露出了能源紧张的窘态，由此产生的环境问题也日益严重。为了改善我国的生态环境现状，建筑工程项目需要加强绿色设计和节能技术应用。而幕墙作为高层建筑中最广泛的应用，与建筑物的采光、保暖、照明等功能有很大的关系，因此，可作为节能技术应用的切入点，以实现高层建筑幕墙的节能环保目的。

1 高层建筑工程中的幕墙工程简要说明

1.1 幕墙工程介绍

建筑幕墙是由金属构架与板块组成。构架材料多为铝合金、钢材料，由这些原材料制成龙骨、固定件等构配件。板块可选择玻璃、石材、铝合金、电子屏等。将板块利用构架组装后，可以形成不承受主体结构荷载与作用的外围护结构，从而成为高层建筑的一大特色。

1.2 幕墙类型

建筑幕墙按构架所选用的材料可分为不锈钢幕墙、铝合金幕墙等；板块的固定方式可分为明框、隐框、半隐框式；按功能可分为普通式、呼吸式、光电式幕墙；按主体结构上安装工艺可分为构件式(框架式)和单元式。不同形式的幕墙其适用性和节能效果各不相同，如框架式和单元式幕墙应用条件和效果对比可参见下表1。

表1 框架式与单元式幕墙比较

1.3 幕墙的优越性

1)重量轻：相比如钢筋混凝土结构来说，幕墙使用的金属材料较少，玻璃等材料质量较轻，可以降低对主体结构和基础的压力，进而降低基础工程费用和实施难度；2)多元变化：建筑幕墙的结构形式可以根据建筑物造型进行设计和选择，设计师可以天马行空地进行设计，多种新颖的设计可以转化为现实，建筑物外立面视觉效果将大为改观；3)结构稳定：高层建筑采用幕墙结构后，可以提高建筑物的抗震性能。同时，建筑幕墙将外围结构的防雨防渗、保温隔热、采光隔音等力学性能与物理性能和装饰功能有机地融合在一起，可以增加建筑物的舒适性；4)施工方便：幕墙工程的诸多构件基本都是工厂加工完成，施工系统化，现场安装和后续维修方便，施工质量和时间易掌控。

2 高层建筑幕墙工程中节能技术应用要求

2.1 安全实用性

幕墙是建筑物的一个结构部分，作为重要的外立面结构，起着围护作用，可以抵挡风雨，保障室内结构物和人们的安全。同时也可以确保建筑物的各项使用功能效用高效发挥作用。因此，在融入节能技术时，需要根据幕墙的基本特征，其基础功能作用进行补充完善，即以节能技术使幕墙结构更为稳固，采光保暖等功能在低消耗的情况下高效发挥作用[1]。

2.2 合理可行

幕墙节能设计应服务于建筑物本身，与建筑物的结构设计、平面设计、功能设计相一致。无论是在单独的幕墙工程设计环节，还是后续施工环节需要进行设计变动时，都不能为了达成节能目标而盲目更改设计。节能设计的融入和修改都需经建设单位、设计单位、施工单位等相关单位审核确认才能执行，以确保幕墙总体设计合理，具备施工可行性，能切实有效地发挥各项幕墙节能技术的作用。

2.3 规范标准

国家和当地政府对于建筑工程的设计和建设具有明确的要求，并以各种规范等具有法律效力的条文进行了说明，任何工程项目、任何建筑企业在开展工程建设和设计时都需遵循相应的标准。即便节能技术的应用具有非常重要的意义，也不可违背国家标准和行业标准。因此，节能技术在幕墙工程中的应用需要满足建筑幕墙设计的相关要求，保证技术规范。

3 高层建筑幕墙工程中的节能技术应用原理

3.1 太阳能

太阳会释放热量，对于幕墙工程节能来说，可以利用太阳能这种天然清洁的可再生能源来满足建筑物的照明、采暖、热水供应等舒适生活需求。在幕墙工程加以应用时，考虑到幕墙是非常重要的围护结构，且高层建筑的幕墙面积较大，可以采用太阳能集热技术、太阳能蓄热采暖技术、太阳能遮阳技术、太阳能光伏发电技术、新风换能技术、高性能围护节能技术等，为热水、光伏发电、蓄热采暖、空调提供能量，不仅可以使室内空气保持清新，温度、湿度、含氧量适宜，还能避免使用过多的高功率消耗电能的电器，从而打造低排放、低能耗、高舒适性的绿色建筑。

3.2 风能

风能是空气流动所产生的动能，是由于气流的作用而提供给人类的一种可用能源。风能的利用主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能量，如当前我国对于风能较为成熟的应用为利用风能发电。但是对于高层建筑幕墙工程来说，利用风能发电来满足建筑物的电能需求，其实际应用成本较高，且技术难度较大，应用技术不成熟，与节能技术在幕墙工程中应用时的合理性和实用性要求不符。因此，在幕墙工程中，主要是与建筑物的通风系统结合，通过合理布设幕墙结构形式来增加自然通风效果，使自然风被高效利用，从而提高幕墙的节能环保性[2]。

3.3 地热能

地热能是由地壳抽取的天然热能。由于地球内部温度较高，从地心到地表温度会逐渐降低，透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1至5公里的地壳，将热能量由地底深处带到地壳上层，因此，地热能来自地球内部的熔岩，是一种无污染的清洁型能源。虽然地热能发电是最主要且高效的地热利用方式，但是在建筑工程中，要想利用此种能源，可以直接取用涌至地面的热量，用于采暖、供热和供热水。特别是在我国北方寒冷地区，此种地热能利用方式简单、成本低，在京津地区应用非常广泛。但是地热能的开发相比太阳能和风能来说，技术难度更大。虽然在幕墙工程中可以在降低能源消耗的情况下提升建筑物的使用效果，但是还需开发相应的应用技术，提高施工人员的技术水平，才能扩大该能源的应用范围，提升其应用效果。

4 高层建筑幕墙工程中节能技术的应用

4.1 光伏节能技术

太阳能发电在各领域已经得到了很好的应用，通过让太阳光照射在半导体媒介上，可以收集太阳能，经过能量转换，可以将光能转化为电能。在建筑行业，太阳能的利用可以改变高消耗的局面，将太阳能发电机组与幕墙安装施工相结合，可以为建筑物提供源源不断的能源，从而减少建筑物对不可再生能源的利用，降低建筑物的使用成本。其次可以使用太阳能玻璃幕墙，在玻璃幕墙安装时，可以填充太阳能电池，这些电池会接收太阳能、蓄积电能，同时还可作为围护结构的材料，发挥隔热隔音等作用。更重要的是太阳能发电技术在幕墙工程中的应用不会产生污染问题，作为一种清洁型能源，可以被安全高效地利用，与自然生态环境有很好的兼容性，非常值得扩大应用范围。

4.2 隔热保温节能技术

幕墙隔热保温效用的发挥和提升可以多种幕墙形式实现，如可选择开缝式石材幕墙。一方面是因为石材的特殊性能，另一方面是这种工艺方式能够实现外墙保温效用。为了在保障幕墙施工质量的同时，良好地体现幕墙隔热保暖性，需要根据建筑墙体设计规范铺设隔热保温材料。首先要合理选择材料，确保隔热保温材料的质量。同时要注意到外界环境对隔热保温材料的不利影响，防止隔热材料出现损坏。其次要按照石材接缝施工的质量要求，在有序铺设保温隔热材料的基础上，让石材紧密连接，防止墙体受潮和渗漏等问题的出现。

4.3 幕墙照明节能技术

高层建筑工程规模较大，能源消耗也巨大。而照明工程作为建筑功能设计中的一部分，其照明形式、亮度等与能耗有很大的关系。从节能角度来看，在幕墙工程应用节能照明技术时，不仅需要考虑建筑的整体规划，譬如室内结构布局、空间大小等，还需考虑幕墙工程特点，结合高层建筑高度、面积、形态等，幕墙结构形式、所选材料等，合理地进行照明组合。如采用智能控制的LED灯光照明设备，由于设备体积较小，可隐藏安装，并通过幕墙中储存的能量供电。这样幕墙作为外围结构具有更佳丰富的展示效果，装饰美观性大为提升，在节能的同时还具有观赏效果[3]。

4.4 幕墙遮阳节能技术

幕墙在高层建筑外立面中的占据面积较大，虽然幕墙可以提高室内照明效果，有助于保温隔热，但是过多光照容易产生炫光，刺激人眼，同时也会使室内温度一直居高，因此，在光照强烈时，幕墙还需具备遮阳作用，避免在高层建筑中受到太阳的强烈照射。而安装幕墙遮阳结构体系可以在保障幕墙美观性的同时取得较好的遮阳效果。主要是使用布篷、软百叶、竹帘、布帘、遮阳窗帘以及防晒板等等幕墙内置结构，对阳光进行遮挡。而这些遮阳装置可以进行固定式安装或临时安装，以满足建筑物不同季节的需要。同时为了满足使用者在不同时间对于通风性、光照效果的差异性需求，还可综合建筑物的总体设计，建筑标准、工程成本等，确定高层建筑幕墙的开启方式(开启方式和实例验证可参见下表2)，以便在遮阳的同时保障建筑物室内的采光和通风，促使幕墙体系结构的减排与节能实践效果达到最优。

表2 高层建筑幕墙开启方式对比

4.5 幕墙热通道的通风技术

建筑物的门窗一般是通风的主要渠道，但是现今的人们对于生活质量的要求较高，对于室内环境制定了更为严格的标准，为了满足这些要求，许多建筑物会增加新风系统，而此系统虽然能够洁净室内空气，使人感觉到舒适，但是能耗较高。而幕墙热通道可以提供持续性的建筑通风动力，对于高层建筑来说，如果能合理设计幕墙内部的空腔结构，或是加强幕墙的动态设计，在幕墙上合理设置动态开启的窗口，在热力管道的辅助作用下，完善建筑幕墙的热通道结构组成体系，能够有效保证热力作用直接进入建筑室内空间，这样可以加速热空气流动，提升室内的通风效果，空气流通性好，舒适度自然会提高[4]。

5 高层建筑幕墙工程中节能技术应用建议

5.1 合理选择幕墙节能材料

鉴于幕墙可供选择的材料类型较多，且同一类材料在规格、形式等方面又具有差异，本文主要以最为常见的玻璃幕墙来进行说明。通过介绍几种不同的玻璃幕墙，让人们意识到选择不同的材料可以带来不同的节能效果，同时应用成本和难度也大不相同。

1)低辐射镀膜玻璃(Low-E玻璃)：在低辐射玻璃的基础上，根据工程需要，镀上多层金属或其他化合物，以形成隔热性能更好的玻璃产品，同时选择不同的金属，镀膜的颜色会不同，使得玻璃具有艺术色彩，在幕墙工程中应用时，可增强其美观性。但是更重要，这种玻璃具有较高的可见光透射率，采光性能较好。同时，在防辐射方面具有良好的作用，透过玻璃的太阳热辐射多。还有极高的中远红外线反射率，可以有效的防止室内热量的流失，实现节能隔热的目的。

2)中空玻璃：这种玻璃幕墙至少具有两层，从而可以在玻璃之间形成空腔，空腔内可以填充干燥气体，以提升幕墙的隔热、隔音效果。这种玻璃幕墙在施工时，会利用高强度高气密性复合粘结剂将多种玻璃进行组合，同时利用密封条、胶带等提升玻璃片与铝合金框架组合体的密封性，使玻璃层间形成有干燥气体空间的玻璃制品。只要确保玻璃层内存在干燥气体，并控制好玻璃幕墙的面积，就可达到较好的节能效果。此外高性能中空玻璃可以拦截由太阳射到室内的相当的能量，防止因辐射热引起的不舒适感和减轻夕照阳光引起的目眩。因此，对于需要采暖、降噪、防止结露以及需要无直射阳光和特殊光的建筑都非常适用。

3)真空玻璃：这种玻璃与中空玻璃构造具有相似之处，也是将两片平板玻璃四周密闭起来，但是玻璃层之间的空腔内没有干燥气体，而是几乎保持真空状态，同时组合的玻璃至少有一片是低辐射玻璃。因为构造上的相似性，导致中空玻璃和真空玻璃性能也较为相似，但是真空玻璃不仅生产工艺更为复杂，同时隔热保温等功能效用和节能效果也更好。选用适当遮阳系数的真空玻璃，可以使建筑物室内在冬夏都具有舒适的温度，还可以有效地阻隔声音的传递，隔声降噪，保持室内的宁静，此外可以可以显著减少空调电耗及污染物和温室气体的排放[5]。

4)新型幕墙玻璃：主要是指一些兼具艺术特性、节能特性与功能效用的特殊玻璃，如含彩釉玻璃、印花玻璃与镀膜玻璃等，以及一些具备高新科技特点的玻璃，如光电幕墙玻璃。上文所述的金属化合物的薄膜玻璃幕墙是近些年各地高层建筑中较为常见的一种形式，不仅有效避免了光污染，还促使幕墙的隔热、保温与遮阳、通风效果大为提升。而光电幕墙就是依靠太阳能来在低能耗的基础上满足建筑物的照明需求，玻璃幕墙工程中加以应用时，通常会设计为全玻璃形式、点式结构、隐框或者半隐框，以确保玻璃幕墙具有良好的安全性。

5.2 合理选择幕墙形式

当前的建筑幕墙由于可选材料较多，安装工艺方式多样，形式愈加多变，各自具有不同的节能效果，因此，可结合建筑标准和工厂实际需要进行合理选择。

1)双层幕墙：对于被动式建筑来说，可以利用此种幕墙对自然资源进行高效利用，在保护环境的同时，降低建筑物能源消耗。双层幕墙即是由内外两层幕墙构成的，与呼吸式幕墙有一定的相似性，两者都具有良好的通风与隔热保温性能，也都是双层组合结合结构，但是，呼吸式幕墙是由内外双层玻璃幕墙组成的。

2)风动幕墙：其节能效用的发挥是根据气流，设置多个金属风能片，依靠自然风能推动幕墙发挥作用。虽然应用原理较为简单，但是需要使金属风能片合理串联并固定，利用不锈钢连接线将风动片按序一一连接，一端进行固定，形成一个整体的系统。通过对现阶段风动幕墙的研究，虽然其应用具有美观性和节能性的效果，但由于在高层建筑中不便于实施，投入大于回报，因此，在高层建筑中不太常见。相较而言，箱式风动幕墙更适用于高层建筑，增加了楼层水平隔板和窗户上的垂直竖板后，风动幕墙的隔音保温效果更佳，可显著降低建筑能源消耗量。

3)生态幕墙：生态幕墙主要是从其节能性方面的来定义的，它不限于哪一种幕墙结构形式，也不限于采用何种幕墙材料，主要是要与当前工程要求相一致，同时能发挥隔热保温效用，实时调整建筑室内的空间温度，阻隔灰尘进入室内；发挥降噪隔音效用，隔离外界噪声，降低建筑室内的噪声频率；发挥采光效用，降低投入紫外线的强度，调节室内采光强度。这种幕墙的显著实践优势就在于合理采用了现有的幕墙采光、降噪与隔音处理、保温以及隔热等技术，可以实现幕墙与周边生态环境的良好平衡，对建筑物室内空间环境也可进行改善，实现全面降低建筑幕墙能耗，保护建筑物周边生态环境的目标。

6 结语

随着建筑行业的发展，高层建筑中的幕墙应用愈发常见，不仅是因为幕墙工程在施工和能效等方面的突出优势，也是因为幕墙工程发展逐步成熟，同时也非常符合当下行业的绿色发展需求。而要想实现高层建筑幕墙的节能环保目的，不仅要加强对幕墙自身的了解，还要将各种节能技术合理融入幕墙设计和施工中，按照节能减排理念的要求，充分利用各种自然清洁型能源，降低建筑自身在隔热保温、采光照明等方面的能耗，在确保幕墙的美观性的同时提升其功能性。