1. 前言
節(jié)能已經(jīng)成為世界發(fā)展的一個重要課題，社會對建筑節(jié)能的意識也在逐漸增強。建筑節(jié)能相當部分是圍護結(jié)構(gòu)（詞條“圍護結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）的節(jié)能，而幕墻是現(xiàn)代建筑圍護結(jié)構(gòu)的一個重要組成部分，幕墻以其結(jié)構(gòu)新穎、美觀及多功能贏得大家的喜愛，但如果不能很好地解決幕墻的能耗問題，勢必會影響幕墻的使用發(fā)展。因此，我們著重探討幕墻的節(jié)能設計及新版《民用建筑熱工設計規(guī)范》在幕墻節(jié)能設計中的指導作用。
2. 幕墻的節(jié)能設計內(nèi)容
幕墻的節(jié)能設計，顧名思義，就是要減少幕墻的所帶來的建筑能耗。建筑通過外圍護結(jié)構(gòu)(包含幕墻)與外界聯(lián)系，因此，幕墻的傳熱和隔熱（詞條“隔熱”由行業(yè)大百科提供）效果對整體建筑的能耗有較大的影響作用。
幕墻的節(jié)能設計是通過分析熱原理的不同內(nèi)容對可能會導致幕墻能耗高的原因進行判定，并以這一結(jié)果為基礎來制定出有效的處理措施，最終能夠提高建筑整體設計的科學性與可靠性。
幕墻節(jié)能設計需要遵循熱耗能原理、熱傳遞原理、隔熱原理。
3. 《民用建筑熱工設計規(guī)范》在幕墻節(jié)能設計中的運用
3.1 保溫及隔熱性能設計
保溫隔熱性能是指幕墻兩側(cè)存在空氣溫差條件下，幕墻阻抗從高溫一側(cè)傳向低溫一側(cè)傳熱的能力，不包括從縫隙中滲透空氣的傳熱。
幕墻的保溫性能應通過控制總熱阻值和選取相應的材料來解決。為了減少熱損失，可以從以下三個方面進行改善：第一是改善采光窗玻璃的保溫隔熱性能，盡量選用中空玻璃，并減少開啟扇;第二是對非采光部分采用隔熱效果好的材料作后襯墻(如浮石、輕混凝土（詞條“混凝土”由行業(yè)大百科提供）)或設置保溫芯材;第三是做密閉處理和減少透風。
幕墻的隔熱性能則應通過減少傳進室內(nèi)的熱量和降低圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度來解決，因而要合理地選擇外圍護結(jié)構(gòu)的材料和構(gòu)造形式，選用遮陽型的透光材料和設置外遮陽是減少太陽輻射熱進入室內(nèi)的十分有效措施。
3.2 透明(玻璃)幕墻、采光頂的節(jié)能設計要點
3.2.1 保溫設計
根據(jù)《民用建筑熱工設計規(guī)范》GB 50176-2016 ,并按建筑所處的熱工分區(qū)選取傳熱系數(shù)。再依據(jù)熱工要求選用幕墻玻璃材料、幕墻龍骨及做好周邊縫隙密封。
考慮玻璃幕墻使用的適應性和最大限度地減少能耗，對于玻璃幕墻而言，由于玻璃的面積占外立面的85%以上，參加熱交換的面積很大，能耗相對也多，其玻璃材料是節(jié)省能源的關(guān)鍵。中空玻璃的保溫性能遠遠優(yōu)于單片玻璃，單片普通玻璃傳熱系數(shù)在5.5W / (m²·K)～ 5.8W/ (m²·K) ，單片LOW-E玻璃可達到 3.5W/ (m²·K) 左右， 以12mm氣體層為例，普通中空玻璃可以達到2.8W/ (m²·K) 左右，Low-E中空玻 璃可以達到1.8W / (m²·K) 左右，充氬氣的中空玻璃可以達到1.4W/ (m²·K) 左右，三 層雙中空的Low-E 中空玻璃可以達到1.0W/ (m²·K)～1.4W/ (m²·K)， 真空玻璃更是可以降低到0. 4W/ (m²·K)～O. 6W/ (m²·K)，對于保溫要求較高的建筑，所使用的門窗（詞條“門窗”由行業(yè)大百科提供）、玻璃幕墻、采光頂應當考慮氣候區(qū)、建筑熱工設計等綜合要求，選擇合適的玻璃系統(tǒng)，以提高整體的保溫性能。
玻璃板塊分格的縫隙對玻璃幕墻的保溫隔熱性能有很大影響，特別是明框幕墻（詞條“明框幕墻”由行業(yè)大百科提供）。傳統(tǒng)明框幕墻室內(nèi)外鋁型材之間沒有其它隔熱材料間隔，而隔熱斷橋鋁型材在室內(nèi)外鋁型材之間有—道隔熱保溫（詞條“隔熱保溫”由行業(yè)大百科提供）性能非常好的隔熱體，做了斷熱處理之后，框的傳熱系數(shù)基本可做到4.0W/(m²·K) 、5.0(m²·K) 。對于嚴寒地區(qū)應加強保溫， 幕墻應使用斷熱構(gòu)造或斷熱鋁合金型材（詞條“鋁合金型材”由行業(yè)大百科提供），進一步提高幕墻系統(tǒng)的保溫性能，同時減少型材處的結(jié)露問題。隱框幕墻對鋁型材沒有嚴格的保溫隔熱要求。
門窗、玻璃幕墻周邊與墻體或其他圍護結(jié)構(gòu)連接處，如果不做特殊處理，易形成熱橋， 對于嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、溫和地區(qū)來說，冬季就會造成結(jié)露，因此要求對這特殊部位采用保溫、密封構(gòu)造，特別是一定要采用防潮型保溫材料，如果是不防潮的保 溫材料在冬季就會吸收了凝結(jié)水變得潮濕，降低保溫效果。這些構(gòu)造的縫隙必須采用密封材 料或密封膠密封，杜絕外界的雨水、冷凝水等影響。
如工程項目A幕墻采用了6+1.52pvb+6(loe-E)+12A+6中空玻璃，并采用鋁合金斷熱型材，幕墻透明部分傳熱系數(shù)為2.016W/(m²·K);幕墻層間部位增加背襯保溫棉(與玻璃面板間隔大于50mm)，則層間非透明部分的傳熱系數(shù)為0.264W/(m²·K)，透明部分和非透明部分的面積比為2：1，則該幕墻的綜合傳熱系數(shù)為1.432W/(m²·K)，符合整體建筑熱工設計要求。
3.2.2 隔熱設計
建筑熱工設計主要任務之一，是要采取措施提高外圍護結(jié)構(gòu)防熱能力。對屋面、外墻(特別是西墻)要進行隔熱處理，應達到防熱所要求的熱工指標，減少傳進室內(nèi)的熱量和降低圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度，因而要合理地選擇外圍護結(jié)構(gòu)的材料和構(gòu)造形式。最理想的是白天隔熱好而夜間散熱又快的構(gòu)造形式。自然通風是排除房間余熱，改善室內(nèi)熱環(huán)境的主要途徑之一。要合理設計圍護結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)，要有利于房間的通風散熱。
根據(jù)《民用建筑熱工設計規(guī)范》GB 50176-2016 ,并按建筑所處的熱工分區(qū)選取得熱系數(shù)。合理地選擇外圍護結(jié)構(gòu)的材料(如玻璃的遮陽系數(shù))和構(gòu)造形式(設置遮陽裝置)是滿足相關(guān)得熱系數(shù)的主要措施。
在夏熱冬暖地區(qū)，隔熱是建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能的主要問題。玻璃幕墻的隔熱性能主要是針對輻射、傳導與對流。在談及反射玻璃（詞條“反射玻璃”由行業(yè)大百科提供）時，人們往往只強調(diào)它的輻射性能。固然，輻射是上面各種方式中最主要的部分，可占全部熱量的2/3左右，空調(diào)的主要負荷也來源于太陽輻射，因此，應有效阻擋太陽輻射。但在實際使用中，如幕墻在持久的曝曬下，反射玻璃由于散熱較其它玻璃慢，盡管它的反射能力大，但熱量的累積使它不可避免地成為一個新熱源，所以，玻璃幕墻對太陽能的透射能力是值得關(guān)注的問題。溫差傳熱、空氣流動熱交換也是夏季圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能應考慮的問題，這兩個方面的傳熱均是由室內(nèi)外溫差造成的，不同的是前者是通過傳熱，后者是通過室內(nèi)外空氣滲透。在進行幕墻熱工設計時，必須對其進行具體分析和研究，如：幕墻外表面與周圍空氣和外界環(huán)境間的對流換熱（詞條“對流換熱”由行業(yè)大百科提供）、幕墻內(nèi)表面與室內(nèi)空氣和室內(nèi)環(huán)境間的換熱、幕墻和金屬（詞條“金屬”由行業(yè)大百科提供）框格的傳熱、通過玻璃的鍍膜層減少的輻射換熱等。
保溫性能好的玻璃未必遮陽性能就優(yōu)良。比如普通的透光中空玻璃，其傳熱系數(shù)可以達到2.8W/(m²·K)左右，遮陽系數(shù)值也較高;單片綠色玻璃傳熱系數(shù)高達 5.7W/(m²·K)，但是其遮陽系數(shù)值較透明中空玻璃大幅降低 。 對于夏季，透光圍護結(jié)構(gòu)的隔熱以遮陽隔熱為主，因此從玻璃遮陽隔熱的角度來看，著色玻璃、遮陽型單片 Low-E玻璃、著色中空玻璃、熱反射中空玻璃、遮陽型Low-E中空玻璃更加合適，建議不要使用普通的透光中空玻璃。
建筑遮陽的目的在于防止直射陽光透過玻璃進人室內(nèi)，減少陽光過分照射加熱（詞條“加熱”由行業(yè)大百科提供）建筑室內(nèi)， 是門窗隔熱的主要措施由于太陽的高度角和方位角不同，投射到建筑物水平面（詞條“平面”由行業(yè)大百科提供）、西向、東向、 南向和北向立面的太陽輻射強度各不相同。夏季，太陽輻射強度隨朝向不同有較大差別一般 以水平面最高，東、西向次之，南向較低，北向最低但我國幅員遼闊，有部分地區(qū)處于北回 歸線以南，該部分地區(qū)夏季北向也會有較大的太陽輻射，也該予以一定的關(guān)注。為此，建筑遮陽設計、選擇的優(yōu)先順序應根據(jù)投射的太陽輻射強度確定，所以設計應進行夏季太陽直射軌跡分析。
窗戶是建筑圍護結(jié)構(gòu)中熱工性能最薄弱的構(gòu)件。透過窗戶進入室內(nèi)的太陽輻射熱，構(gòu)成夏季室內(nèi)空調(diào)的主要負荷。建筑各立面朝向中，東、西向易受太陽直射，因此東、西向建筑外墻和外窗(透光幕墻)設置外遮陽，是減少太陽輻射熱進入室內(nèi)的十分有效措施。外遮陽形式多種多樣，如結(jié)合建筑外廊、陽臺、挑檐遮陽，外窗設置固定遮陽或活動遮陽等。隨著建筑節(jié)能的發(fā)展，遮陽的形式和品種越來越多，各地可結(jié)合當?shù)貤l件加以靈活采用。遮陽不僅要考慮降低空調(diào)負荷，改善室內(nèi)的熱舒適性，減少太陽直射;同時也需要考慮非空調(diào)時間的采光以及冬季的陽光照射需求。
房間的天窗和采光頂位于太陽輻射最大的朝向，應采取活動式遮陽即滿足采光需要也防止室內(nèi)過熱，但即便是設置了遮陽的天窗或采光頂，在外側(cè)半球空間的散射輻射和內(nèi)側(cè)集聚的高溫空氣作用下，天窗或采光頂構(gòu)件的溫度高于室內(nèi)表面溫度對室內(nèi)產(chǎn)生熱輻射，所以應采取設置通風裝置或開設天窗等措施排除天窗頂部的熱空氣，設置淋水、噴霧裝置降低天窗和采光頂?shù)臏囟龋庖姁勰愀鞯靥齑盎虿晒忭敱砻鎸κ覂?nèi)環(huán)境的熱輻射作用。
工程項目B幕墻玻璃幕墻面板遮陽系數(shù)為0.3，增加了豎向懸挑線條(既作為遮陽構(gòu)件，同時豐富立面造型)后，遮陽系數(shù)降為0.27，滿足了建筑熱工設計要求。
3.3 非透明(鋁板、石材、人造板材)幕墻的節(jié)能設計要點
3.3.1 保溫設計
非透光部分的幕墻，在設計時是作為墻體來要求其熱工性能，因此使用高效保溫材料，技術(shù)易實現(xiàn)， 成本也低，并且能達到很好的保溫效果，提高建筑的整體熱工性能。幕墻與主體結(jié)構(gòu)之間的 連接部位、跨越室內(nèi)外的金屬構(gòu)件是幕墻傳熱的薄弱部位，應進行保溫處理，不要形成熱橋， 導致冬季結(jié)露。
幕墻行業(yè)常用的保溫隔熱材料有以下幾種：保溫巖棉、聚氨酯、纖維板、擠塑泡沫保溫隔熱材料等，其中擠塑泡沫保溫隔熱材料性能最佳，它的導熱系數(shù)（詞條“導熱系數(shù)”由行業(yè)大百科提供）僅為0.0289w/m2.k。
3.3.2 隔熱設計
在玻璃幕墻、石材幕墻、金屬板幕墻等各種幕墻構(gòu)造背后添加保溫材料之后，都屬于非透光幕墻，在計算時都是當做墻體進行熱工計算如果背后添加的保溫材料的熱阻不小于1.0(m²·K) ，再考慮幕墻本身的熱阻，也就是基本保證此非透光幕墻構(gòu)造的傳熱系數(shù)不大于0.7W/(m²·K), 基本能滿足隔熱要求。如果室內(nèi)側(cè)還有實體墻，隔熱效果就更好了。
4. 結(jié)束語
在建筑幕墻設計中，要做到靈活運用各種構(gòu)造處理，材料選用以符合《民用建筑熱工設計規(guī)范》的要求，適應各種熱工分區(qū)對建筑幕墻的不同系數(shù)選取，需要我們深刻體會規(guī)定的概念及原因，熟悉各種設計技巧，才能滿足建筑師對幕墻設計提出的日益豐富的要求。
參考文獻
[1] 民用建筑熱工設計規(guī)范 GB 50176-2016
[2] 公共建筑節(jié)能設計標準 GB 50189-2015
[3] 中國建筑遮陽技術(shù) 涂逢祥 段愷 北京中建建筑科學研究院有限公司
