公共建筑外窗幕墙的节能设计研究

2019-04-28胡毅广东建筑艺术设计院有限公司

节能与环保 2019年3期

文_胡毅广东建筑艺术设计院有限公司

0 引言

在建筑的维护结构当中，最重要的组成部分就是外窗，它要满足人们在视野、通风、采光等方面对需求，同时也是整个建筑物热传导、热交换较为敏感、活跃的区域。外窗的能耗大概是建筑物屋面的5倍、墙体的4倍、地面的20倍，在整个建筑维护结构的能耗中大概占据40%～50%，外窗也是建筑物在保温作用中的薄弱区域。广东地区是典型的夏热冬冷区域，文章就此分析了当地公共建筑在外窗幕墙中的节能设计。

1 玻璃选择原则

广东地区的公共建筑对于冬季的采暖需求并不是十分强烈。首先公共建筑区域的人员分布较为密集，人体散热量较大。其次公共建筑中的设备数量大，使用过程中会产生大量热能。再有公共建筑通常位于市中心，因此温度也要高于郊区。最后是气候方面的影响，我国平均气温在近50年内明显上升，逐渐呈现出夏季越加炎热，冬季越来越暖的趋势。

我国的公共建筑通常都是钢筋混凝土结构，能够满足基础的保温要求，同时因为广东地区在冬季对于采暖的需求较低，因此可以通过其它更加经济性的方法实现或是直接忽略。为此夏季制冷成为公共建筑在主要追求目标，在对当地公共建筑外窗幕墙进行设计的过程中应该遵循合理采光、遮阳为主的节能设计原则。

2 外窗玻璃选择

外窗玻璃大概能够占据整个公共建筑总面积的70%～90%，拥有最大的辐射面积和导热面积。在广东地区，选择适合的外窗玻璃对于公共建筑实现节能目标具有重要影响。具体可以通过两种参数来表示玻璃热工性能，第一种是传热系数K值，主要在室内外环境温度不同条件下进行表征，表示单位温差和单位面积条件下的玻璃传递热量。其次是遮阳系数，也是玻璃太阳能透过率总和与3毫米厚的透明无色玻璃透过太阳能率之间的比值，也就是玻璃遮阳系数，不同类型的玻璃拥有不同的热工性能，具体如表1所示，

表1 种类不同玻璃热工性能

在广东地区因为夏季的日照较强，建筑物在制冷过程中会消耗大量能耗，因此需要合理选择玻璃。普通白玻遮阳性能较差，但是保温性能优良。因为太阳能辐射是空调能耗的主要原因，玻璃的遮阳性也决定了建筑节能效用，而随着玻璃遮阳系数的提高，太阳投射能量也逐渐降低，可以促进建筑制冷节能，但是玻璃遮阳系数过低，就无法满足建筑采光需求。在这种情况下可以选择LOW-E玻璃，尤其是双银LOW-E玻璃，是使用不吸热、红外线反射率高的材料进行镀膜的，因此能够有效反射远红外线辐射和太阳能辐射，保温性能突出，同时还能够选择性投射热能较低的可见光，将大量热能有效隔离开来。这种玻璃的遮阳系数最低能够降到0.3～0.6，有效减少了太阳辐射，也是公共建筑进行外窗幕墙设计的不二选择。

3 窗墙比设计

窗墙比主要就是窗户面积和房间立面区域面积的比值，房间立面区域面积就是建筑物高度和开间定位线共同围成的区域。通过窗户，热量传递到室内空间，具体利用空气渗透、太阳辐射和窗材导热等渠道实现。上述渠道和窗户大小之间拥有直接联系，窗户的面积和空调负荷之间呈现出一种线性联系。为了促进窗户能耗的有效降低，各种节能窗户也相继诞生，但是却无法彻底改善因为大开窗所导致的能源浪费问题。经过相关实验发现，大部分人在20%的开窗率下就已经得到基本满足，在窗户敞开程度达到30%的时候，达到心理满足最高程度，在开窗幅度超出30%时，对于满足视觉要求不再具有任何影响。此外人类对于开窗面积最低要求是底板面积的6.15%，开窗率在20%～ 30%的条件下不会对通风效果产生任何影响。而目前有部分公共建筑的开窗率已经达到70%，不满足节能要求。

4 外窗方位设计

外窗方位的变化影响建筑内部所接收的太阳辐射热量。结合太阳运行规律来看，在冬季时，南向窗户太阳辐射热量较大，夏季则是西面或是东面的接收热量大。此外因为广东地区夏季以亚热带季风气候为主，在设计窗户方位的过程中也应该尽量按照北向、东南向和南向的方位设计，促进室内形成穿堂风。

水平屋顶这一方位的气候变化最为强烈，针对顶层居住环境和能源问题，可以进一步加强保温设计，尽量不要使用水平天窗方法进行设计。在广东地区的公共建筑设计中，为了提高屋顶采光效果，降低水平日照量，可以设计成变化形式的屋顶造型，结合垂直采光设计。结合季风影响和太阳辐射程度，促进房屋外墙面积的不断扩大，正对南方向设置多一点的开窗，对于东西方向的外墙则应该尽量避免开窗设计，朝北方向尽量少设计开窗。这也是当地的建筑外窗设计的理想方位朝向。

5 双玻幕墙设计

玻璃幕墙凭借其新颖美观的造型优势逐渐在建筑领域推广开来，关注逐渐增加。这是影响建筑能耗和室内热舒适度的重要因素之一。为了有效改善单一玻璃幕墙中能耗巨大的缺点，双层呼吸式幕墙诞生。这种新型的建筑节能技术在欧洲大部分国家中得到了广泛的应用和推广。双层幕墙其实就是包括内外两种玻璃幕墙，而在两层玻璃幕墙之间留有一个通道，外部幕墙中还设计有出风口与进风口，能够在炎热的夏季中形成对流排热，在双层幕墙中间位置还专门设置了活动遮阳。

大部分人持有这样一种观点，只要使用了良好的节能玻璃，比如双层玻璃幕墙，就可以满足节能发展要求，将双层节能幕墙的功用无限夸大。据相关统计证明和传统单层玻璃幕墙相比，双层玻璃幕墙冬季保温隔热效果确实更加突出，能够有效调节室内气候，降低空调应用时间，节约能源资源，玻璃的节能效果和遮阳性能完全赶不上外墙，浪费也无法通过科技水平来弥补。

6 外窗气密性设计

目前针对外窗气密性设计主要包括两种方法，选择拥有良好气密性的材料，设计合理的节能窗型。正常情况下，可以通过平开窗、固定窗和推拉窗等形式设计外窗幕墙，为此相关设计人员可以结合具体情况挑选能够适应当地环境的窗型种类。推拉窗会形成大面积气流空间，让空气形成一种环流状态，进而降低室内温度。平开窗利用橡胶封条密封窗框和窗扇之间区域，因此在窗户关闭的状态下，是无法形成室内环流的，但是并不代表窗户彻底密封，气流依然可以通过墙体和窗户连接位置流入室内。固定式外窗则是直接安装到门框当中，窗框设置在墙体内，窗框和玻璃之间通过密封胶进行处理，因此无法促进室内外空气流通，密封效果好，在一定程度上节省了能源。在选择密封材料的时候，针对双层玻璃周围可以选择密封胶进行处理，提高隔音和保温效果。