建筑幕墻超低能耗技術(shù)發(fā)展路線解析

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　　摘要：超低能耗建筑的推廣是推動國家節(jié)能減排落地的重要措施，幕墻作為建筑的表皮，對于超低能耗建筑的實現(xiàn)至關(guān)重要。通過提高外圍護性能、采光（詞條“采光”由行業(yè)大百科提供）、通風(fēng)等被動式技術(shù)和光伏建筑一體化等主動化技術(shù)，與建筑其它專業(yè)結(jié)合，能夠最終實現(xiàn)整體建筑超低能耗的目標(biāo)。

　　關(guān)鍵詞：超低能耗、被動式、光伏

　　1.什么是超低能耗建筑

　　建筑是人類為了適應(yīng)室外惡劣的生活環(huán)境，為自己創(chuàng)造的舒適空間。建筑從最早的穴居、巢居到后來的木骨泥墻建筑、干闌式建筑最終發(fā)展成為目前現(xiàn)代化的大樓大廈。人類對居住品質(zhì)的要求越來越高，例如近些年出現(xiàn)的恒溫、恒濕、恒氧的環(huán)境要求。為了實現(xiàn)更高的居住品質(zhì)，人類越來越依賴于空調(diào)、地暖等通過消耗能量來控制室內(nèi)環(huán)境的措施。

　　能源的消耗伴隨著環(huán)境的破壞、碳排放的增加，為了人類的可持續(xù)發(fā)展，降低建筑能耗是建筑技術(shù)發(fā)展的必然選擇。超低能耗建筑就是在這個基礎(chǔ)上被提出來的。超低能耗建筑是指新建建筑年能耗相比按照國家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)建造的建筑節(jié)能50%以上的建筑。

　　超低能耗建筑適應(yīng)建筑當(dāng)?shù)貧夂蛱卣骱蛨龅貤l件，通過被動式建筑設(shè)計最大幅度降低建筑供暖（詞條“供暖”由行業(yè)大百科提供）、空調(diào)、照明需求，通過主動技術(shù)措施最大幅度提高能源設(shè)備（詞條“設(shè)備”由行業(yè)大百科提供）與系統(tǒng)效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒適的室內(nèi)環(huán)境。

　　中國超低能耗建筑理念的提出是基于德國被動房的技術(shù)理念，從2010年開始進行逐步試點，最早是在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，后逐步擴展到全國。從2010年開始，是我國超低能耗試點、政策發(fā)布、規(guī)范完善的階段。在標(biāo)準(zhǔn)方面，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部分別在2015年和2020年發(fā)布《被動式超低能耗綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則》和《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。在政策措施方面，2017年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)了《建筑節(jié)能與綠色建筑“十三五”專項規(guī)劃》，將發(fā)展超低能耗建筑作為了重點工程，提出到2020年全國建設(shè)超低能耗、近零能耗建筑示范項目1000萬平方米以上。2022年3月11日，印發(fā)《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃的通知》，要求到2025年，建設(shè)超低能耗、近零能耗建筑0.5億平方米以上。

　　上海市政府在2022年7月8日，印發(fā)《上海市碳達峰實施方案》，明確提出到2030年，全市新建民用建筑全面執(zhí)行超低能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)。在政策實施方面，2019年3月12日，上海市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會印發(fā)由華東院參與主編的《上海市超低能耗建筑技術(shù)導(dǎo)則》。2022年11月9日，印發(fā)《關(guān)于加強超低能耗建筑項目管理的相關(guān)規(guī)定》，使上海在超低能耗方面走在了全國的前列。

　　2.幕墻與超低能耗建筑

　　幕墻是建筑的表皮，是建筑的衣服，合適的衣服能夠保證人體的舒適，合適的幕墻系統(tǒng)同樣能夠保證室內(nèi)環(huán)境的舒適。和衣服可以隨時更換不同，建筑的表皮需要適應(yīng)一年四季不同室外環(huán)境，需要根據(jù)所在地的氣候特點設(shè)計有針對性的幕墻表皮。

　　降低室內(nèi)和室外能量的傳遞，是實現(xiàn)超低能耗建筑的重要措施。

　　輻射、對流和傳導(dǎo)是能量傳遞的三種方式。對于透明幕墻部分，能量的傳遞包括以輻射形式傳遞的太陽能和因為室內(nèi)室外溫差而以對流和傳導(dǎo)方式傳遞的能量。非透明幕墻能量的傳遞是以對流和傳導(dǎo)的形式存在的。

　　同時合理的采光、通風(fēng)，對于提高建筑的舒適性，降低能耗，也具有重要的作用。

　　如果將以上措施比喻為節(jié)流，則開源對于超低能耗的時間也尤為重要，以光伏建筑一體化為代表的主動式措施也是重要的降低能耗的技術(shù)手段。

　　3.幕墻超低能耗系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)注點

　　幕墻超低能耗的實現(xiàn)遵循以被動式技術(shù)為主，主動式技術(shù)為輔的原則。

　　3.1 被動式幕墻技術(shù)

　　3.1.1減少太陽輻射的措施

　　(1)外立面遮陽

　　對于中國大部分地區(qū)，夏季隔熱都是需要主要考慮的因素。建筑本身通過不同朝向的立面自帶的遮陽系統(tǒng)，能夠有效減少太陽的輻射能量。

　　以佛山某項目為例，無遮陽和有遮陽情況下建筑受到的輻射量對比。

表1：建筑收到的太陽輻射量對比

　　目前成熟的建筑遮陽系統(tǒng)包括建筑外遮陽、建筑內(nèi)遮陽、中空玻璃遮陽等。其中建筑外遮陽效果優(yōu)于建筑內(nèi)遮陽。

　　同時外側(cè)的遮陽可以采用電動遮陽系統(tǒng)，配合傳感器等控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)電動遮陽百葉根據(jù)建筑物所在的地理位置、季節(jié)及當(dāng)前時間，結(jié)合感應(yīng)器采集的數(shù)據(jù)，通過智能分析，自動控制遮陽百葉的角度，保證最佳的遮陽效果。

　　同時目前也出現(xiàn)了智能調(diào)光玻璃（詞條“智能調(diào)光玻璃”由行業(yè)大百科提供），調(diào)光玻璃是通過在兩層玻璃之間設(shè)置一層液晶膜（PDLC，染料液晶，懸浮粒子，EC），通過通電和斷電及電壓的高低變化，控制液晶的排列，電壓越高，液晶排列月整齊，對應(yīng)的透光率越高。

　　(2)關(guān)于表皮材料吸熱的控制

　　深色材料相比淺色材料，吸熱會大大增加，在夏季比較長的地區(qū)，應(yīng)避免采用深色建筑墻面。同時可以考慮采用綠植屋面或墻面，在提高美觀性的同時，能夠大大減少太陽輻射。

　　3.1.2 外立面采光

　　在兼顧保溫（詞條“保溫”由行業(yè)大百科提供）隔熱的基礎(chǔ)上，增加透明部位的面積比例，如公共建筑單面采光時，窗墻比可提高到0.35.同時控制玻璃的參數(shù)，采用高透光的玻璃，保證建筑的采光效果，減少采光引起的能源消耗。

　　3.1.3 建筑的自然通風(fēng)

　　自然通風(fēng)是利用室外風(fēng)力造成的風(fēng)壓和室內(nèi)外空氣溫度差造成的熱壓，促使空氣流動，使得建筑室內(nèi)外空氣交換。自然通風(fēng)能夠通過空氣流動，帶走室內(nèi)的熱量和濕氣，提高室內(nèi)人員的舒適性。

　　自然通風(fēng)開啟扇應(yīng)爭取滿足穿堂風(fēng)形成的要求，盡可能增加開啟面積，加大室內(nèi)流速。進風(fēng)口應(yīng)該設(shè)置在當(dāng)?shù)叵募局鲗?dǎo)風(fēng)向一側(cè)，以便能夠最大限度、最長時間地使用自然通風(fēng)。排風(fēng)口應(yīng)盡量靠近有害物源或有害物濃度高的區(qū)域，能把有害物迅速地從室內(nèi)排除。

　　對于玻璃幕墻產(chǎn)品，上懸窗（詞條“上懸窗”由行業(yè)大百科提供）是目前的主流開啟方式，內(nèi)開窗因為外側(cè)大的邊框，在幕墻產(chǎn)品中應(yīng)用很少。外平開及平推窗等因為安全原因，在特定條件下和一些地方規(guī)范中被限制使用。同時通風(fēng)器和隱藏式開啟也越來越多的應(yīng)用在幕墻通風(fēng)中，對于保證建筑的立面效果的完整有很好的效果。

　　3.1.4 高性能外圍護結(jié)構(gòu)（詞條“圍護結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）

　　作為高性能外圍護結(jié)構(gòu)，需要能夠有效的隔絕熱量，其中保溫性能和氣密性能是能量隔絕過程中最重要的因素。

　　(1)非透明部位保溫性能保證措施

　　非透明幕墻的保溫相對比較簡單，基本是在實體墻上進行保溫材料的鋪設(shè)，保溫材料的設(shè)置需要考慮以下幾個因素。

　　①連續(xù)保溫線的設(shè)計理念

　　保溫材料與透明幕墻、女兒墻等交接部位是保溫的薄弱環(huán)節(jié)，要采用保溫線的設(shè)計理念，確保保溫材料的連續(xù)。宜采用單層保溫，鎖扣（詞條“鎖扣”由行業(yè)大百科提供）方式連接，采用雙層保溫時，應(yīng)采用錯縫粘接（詞條“粘接”由行業(yè)大百科提供）方式。墻角處宜采用成型保溫構(gòu)建。

　　②穿透保溫層的冷橋的處理

　　轉(zhuǎn)接件等穿過保溫棉的部位會形成冷橋，經(jīng)過熱工軟件建模分析，單個轉(zhuǎn)接件形成的冷橋相比沒有轉(zhuǎn)接件的部位，能量損失在10%以上。

　　避免冷橋有如下措施：

　　采用槽式埋件（詞條“埋件”由行業(yè)大百科提供），轉(zhuǎn)接件和埋件之間增加隔熱墊塊。

　　立柱和轉(zhuǎn)接件之間設(shè)置隔熱墊塊

　　采用保溫棉將轉(zhuǎn)接件外露部分進行包覆

　　最終節(jié)點樣式如下：

　　③保溫耐候性能的保證

　　避免保溫材料收潮濕引起的保溫效果的降低。幕墻在透明部位和非透明部位交接部位，需要進行完全的可靠的封閉，避免室內(nèi)水汽進入。

　　對于窗系統(tǒng)，窗四周應(yīng)在室內(nèi)和室外分別設(shè)置防水隔氣材料和防水透氣材料，避免窗框四周進水引起的保溫性能的降低。

　　(2)透明部位保溫性能保證措施

　　透明部位隔熱性能主要由以下因素控制

　　①玻璃分格的大小

　　正常情況下，玻璃的分格越大，整體幕墻的熱工性能越好，應(yīng)在條件允許的情況下，減少幕墻的分格。

　　②玻璃的配置

　　玻璃的熱工性能受很多因素隱形，中空層、鍍膜、間隔條等都會影響玻璃最終的熱工性能。要實現(xiàn)超低能耗，玻璃的配置需要考慮多中空、三銀LOW-E、充氬氣、暖邊間隔條、真空玻璃等多種措施的組合。目前已經(jīng)有成熟的玻璃產(chǎn)品，可以將玻璃的傳熱系數(shù)降低到0.42W/㎡.K。

　　③框的熱工性能

　　框是熱工的薄弱環(huán)節(jié)，框的整體熱工性能的提高需要系統(tǒng)性的設(shè)計。采用保溫線的設(shè)計理念，避免出現(xiàn)冷橋是設(shè)計的基本思路。目前常規(guī)的采用普通隔熱條的系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足超低能耗的要求，在幕墻構(gòu)造方面需要特殊考慮，如采用玻纖增強聚氨酯型材（詞條“型材”由行業(yè)大百科提供）等。

　　(3)氣密性能保證措施

　　氣密性能表示幕墻在關(guān)閉狀態(tài)下，建筑表皮的密封性能。密封性能好，能夠減少內(nèi)外空氣的流動，避免不必要的能量損耗。建筑的氣密性要求室內(nèi)外正負壓差50Pa的條件下，每小時換氣次數(shù)不超過1次。

　　提高幕墻的氣密性，有如下措施;

　　①密封材料的選擇

　　密封膠、膠條、毛條是幕墻中常見的密封材料，其中密封膠的密封效果最好，膠條的密封效果次之，毛條的密封效果最差。應(yīng)該避免使用采用毛條密封的系統(tǒng)，比如推拉窗（詞條“推拉窗”由行業(yè)大百科提供）系統(tǒng)等。

　　②多道密封措施的組合

　　單道膠條的密封效果不好，可以配合密封膠等措施提高密封性能，比如明框幕墻等。對于開啟扇部位，多道密封膠條能夠有效提高密封性能。

　　③合理的系統(tǒng)設(shè)計

　　以單元幕墻為例，正常會設(shè)置三道密封措施，形成塵密封、水密封、氣密封三道密封。氣密性主要依靠最內(nèi)側(cè)一道膠條進行密封。保證密封的連續(xù)，同時保證膠條適當(dāng)?shù)膲壕o，都能夠有效提高系統(tǒng)的密封性能。

　　3.2 主動式幕墻技術(shù)-光伏建筑一體化

　　光伏建筑一體化是將光伏板作為建筑材料，固定（詞條“固定”由行業(yè)大百科提供）在建筑表皮上，產(chǎn)生電能，用于本建筑自身的電力消耗的新技術(shù)。怎樣將光伏完美融入建筑，在保證建筑使用功能和美觀性的前提下最大限度的產(chǎn)生電能是目前光伏建筑一體化要努力的方向。

　　光伏建筑一體化不是簡單的將光伏板安裝到建筑立面，需要在以下方面進行重點考慮。

　　3.2.1 針對光伏的建筑方案設(shè)計

　　光伏對建筑的朝向，傾角等都有特殊的要求，比如上海地區(qū)最佳傾角為22°。在建筑方案階段就需要針對光伏系統(tǒng)的位置及建筑形體進行針對性的考慮。

　　3.2.2 光伏產(chǎn)品的選擇

　　光伏建筑一體化相比于設(shè)置在屋頂上的獨立的光伏板，其定制化屬性更強，光伏產(chǎn)品需要針對建筑的特點進行尺寸、形式等的定制。傳統(tǒng)的單晶硅產(chǎn)品已經(jīng)很難滿足建筑的需求，目前有越來越多的新型光伏產(chǎn)品出現(xiàn)，比如模擬磚墻、瓦的新型光伏產(chǎn)品、采用薄膜電池的光伏產(chǎn)品等。

　　還有一些產(chǎn)品和傳統(tǒng)的建筑材料進行了結(jié)合，比如光伏U玻等。

　　3.2.3 光伏與幕墻系統(tǒng)的融合

　　光伏面板可以采用和幕墻類似的連接方式。其加工組裝可以在幕墻單位的工廠內(nèi)完成。幕墻的立柱和橫梁需要為光伏系統(tǒng)預(yù)留用于光伏管線的空腔。

　　4.對未來超低能耗幕墻技術(shù)的展望

　　近些年，被動房、零能耗建筑等概念被提出，并在特定的建筑中得到了實現(xiàn)，相信隨著各項技術(shù)的成熟和大的市場的驅(qū)動，會使超低能耗技術(shù)得到長足的發(fā)展。

　　如果我們對未來進行展望，超低能耗幕墻技術(shù)會產(chǎn)生哪些突破呢?

　　4.1智慧化幕墻

　　幕墻是建筑的衣服，區(qū)別于人類的衣服可以根據(jù)外界環(huán)境來選擇不同的衣服，幕墻不具備隨意更換性。相信未來的幕墻將可根據(jù)建筑整體的需要調(diào)整自身的采光、通風(fēng)，調(diào)整窗墻比等因素，使幕墻最大程度的節(jié)能。

　　4.2光伏技術(shù)的突破

　　區(qū)別于目前光伏材料的局限性，未來光伏將滲透到幕墻的方方面面，光伏將有望實現(xiàn)對建筑的全包覆，最終作為建筑可發(fā)電的皮膚，成為智慧化建筑重要的組成部分。光伏和幕墻的結(jié)合將更加簡單和高效。

　　4.3替代玻璃的新型智能材料

　　很長時間以來，玻璃是透明部位的幾乎唯一選擇，因為玻璃的脆性特性及安裝固定的需要，玻璃一般和鋁型材（詞條“鋁型材”由行業(yè)大百科提供），膠條等材料組合使用，來構(gòu)成目前傳統(tǒng)的門窗幕墻系統(tǒng)。相信隨著科技的發(fā)展，會出現(xiàn)更加新型的透明建筑材料，有類似皮膚的屬性，可以自動調(diào)節(jié)室內(nèi)室外的空氣流通，不需要開窗。且該材料有幾乎絕熱的屬性，能夠有效的控制室內(nèi)室外的能量傳遞。

　　5.結(jié)語

　　人類的發(fā)展離不開能源，除了不斷尋求更加綠色的能源，降低不必要的能源消耗也是保證人類可持續(xù)發(fā)展的必要手段。建筑的能源消耗占據(jù)了人類能源消耗的一大半，綠色建筑的發(fā)展刻不容緩，這依賴于建筑行業(yè)所有同仁的共同努力。超低能耗是人類在節(jié)能減排方面的重要嘗試。作為幕墻設(shè)計師，我們要緊跟潮流，努力研發(fā)更加符合社會需求的綠色環(huán)保的幕墻產(chǎn)品，為人類的可持續(xù)發(fā)展做出自己的貢獻。

　　參考文獻：

　　【1】李殿起、魏夢舉 超低能耗建筑中的幕墻連接結(jié)構(gòu)傳熱分析及優(yōu)化探索《建設(shè)科技》,2021年.08期

作者單位：華東建筑設(shè)計研究院有限公司