建筑幕墻超低能耗技術發展路線解析

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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至關重要。通過提高外圍護性能、采光（詞條“采光”由行業大百科提供）、通風等被動式技術和光伏建筑一體化等主動化技術，與建筑其它專業結合，能夠最終實現整體建筑超低能耗的目標。

　　關鍵詞：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室外惡劣的生活環境，為自己創造的舒適空間。建筑從最早的穴居、巢居到后來的木骨泥墻建筑、干闌式建筑最終發展成為目前現代化的大樓大廈。人類對居住品質的要求越來越高，例如近些年出現的恒溫、恒濕、恒氧的環境要求。為了實現更高的居住品質，人類越來越依賴于空調、地暖等通過消耗能量來控制室內環境的措施。

　　能源的消耗伴隨著環境的破壞、碳排放的增加，為了人類的可持續發展，降低建筑能耗是建筑技術發展的必然選擇。超低能耗建筑就是在這個基礎上被提出來的。超低能耗建筑是指新建建筑年能耗相比按照國家節能標準建造的建筑節能50%以上的建筑。

　　超低能耗建筑適應建筑當地氣候特征和場地條件，通過被動式建筑設計最大幅度降低建筑供暖（詞條“供暖”由行業大百科提供）、空調、照明需求，通過主動技術措施最大幅度提高能源設備（詞條“設備”由行業大百科提供）與系統效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒適的室內環境。

　　中國超低能耗建筑理念的提出是基于德國被動房的技術理念，從2010年開始進行逐步試點，最早是在嚴寒和寒冷地區，后逐步擴展到全國。從2010年開始，是我國超低能耗試點、政策發布、規范完善的階段。在標準方面，住房和城鄉建設部分別在2015年和2020年發布《被動式超低能耗綠色建筑技術導則》和《近零能耗建筑技術標準》。在政策措施方面，2017年，住房和城鄉建設部印發了《建筑節能與綠色建筑“十三五”專項規劃》，將發展超低能耗建筑作為了重點工程，提出到2020年全國建設超低能耗、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《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃的通知》，要求到2025年，建設超低能耗、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《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行超低能耗建筑標準。在政策實施方面，2019年3月12日，上海市住房和城鄉建設管理委員會印發由華東院參與主編的《上海市超低能耗建筑技術導則》。2022年11月9日，印發《關于加強超低能耗建筑項目管理的相關規定》，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，合適的幕墻系統同樣能夠保證室內環境的舒適。和衣服可以隨時更換不同，建筑的表皮需要適應一年四季不同室外環境，需要根據所在地的氣候特點設計有針對性的幕墻表皮。

　　降低室內和室外能量的傳遞，是實現超低能耗建筑的重要措施。

　　輻射、對流和傳導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室外溫差而以對流和傳導方式傳遞的能量。非透明幕墻能量的傳遞是以對流和傳導的形式存在的。

　　同時合理的采光、通風，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手段。

　　3.幕墻超低能耗系統的設計關注點

　　幕墻超低能耗的實現遵循以被動式技術為主，主動式技術為輔的原則。

　　3.1 被動式幕墻技術

　　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，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，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包括建筑外遮陽、建筑內遮陽、中空玻璃遮陽等。其中建筑外遮陽效果優于建筑內遮陽。

　　同時外側的遮陽可以采用電動遮陽系統，配合傳感器等控制系統，可以實現電動遮陽百葉根據建筑物所在的地理位置、季節及當前時間，結合感應器采集的數據，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。

　　同時目前也出現了智能調光玻璃（詞條“智能調光玻璃”由行業大百科提供），調光玻璃是通過在兩層玻璃之間設置一層液晶膜（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，對應的透光率越高。

　　(2)關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，應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”由行業大百科提供）隔熱的基礎上，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，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

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

　　自然通風開啟扇應爭取滿足穿堂風形成的要求，盡可能增加開啟面積，加大室內流速。進風口應該設置在當地夏季主導風向一側，以便能夠最大限度、最長時間地使用自然通風。排風口應盡量靠近有害物源或有害物濃度高的區域，能把有害物迅速地從室內排除。

　　對于玻璃幕墻產品，上懸窗（詞條“上懸窗”由行業大百科提供）是目前的主流開啟方式，內開窗因為外側大的邊框，在幕墻產品中應用很少。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范中被限制使用。同時通風器和隱藏式開啟也越來越多的應用在幕墻通風中，對于保證建筑的立面效果的完整有很好的效果。

　　3.1.4 高性能外圍護結構（詞條“圍護結構”由行業大百科提供）

　　作為高性能外圍護結構，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，保溫材料的設置需要考慮以下幾個因素。

　　①連續保溫線的設計理念

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

　　②穿透保溫層的冷橋的處理

　　轉接件等穿過保溫棉的部位會形成冷橋，經過熱工軟件建模分析，單個轉接件形成的冷橋相比沒有轉接件的部位，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”由行業大百科提供），轉接件和埋件之間增加隔熱墊塊。

　　立柱和轉接件之間設置隔熱墊塊

　　采用保溫棉將轉接件外露部分進行包覆

　　最終節點樣式如下：

　　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，避免室內水汽進入。

　　對于窗系統，窗四周應在室內和室外分別設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。目前已經有成熟的玻璃產品，可以將玻璃的傳熱系數降低到0.42W/㎡.K。

　　③框的熱工性能

　　框是熱工的薄弱環節，框的整體熱工性能的提高需要系統性的設計。采用保溫線的設計理念，避免出現冷橋是設計的基本思路。目前常規的采用普通隔熱條的系統已經很難滿足超低能耗的要求，在幕墻構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閉狀態下，建筑表皮的密封性能。密封性能好，能夠減少內外空氣的流動，避免不必要的能量損耗。建筑的氣密性要求室內外正負壓差50Pa的條件下，每小時換氣次數不超過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。應該避免使用采用毛條密封的系統，比如推拉窗（詞條“推拉窗”由行業大百科提供）系統等。

　　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合理的系統設計

　　以單元幕墻為例，正常會設置三道密封措施，形成塵密封、水密封、氣密封三道密封。氣密性主要依靠最內側一道膠條進行密封。保證密封的連續，同時保證膠條適當的壓緊，都能夠有效提高系統的密封性能。

　　3.2 主動式幕墻技術-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”由行業大百科提供）在建筑表皮上，產生電能，用于本建筑自身的電力消耗的新技術。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，比如上海地區最佳傾角為22°。在建筑方案階段就需要針對光伏系統的位置及建筑形體進行針對性的考慮。

　　3.2.2 光伏產品的選擇

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

　　還有一些產品和傳統的建筑材料進行了結合，比如光伏U玻等。

　　3.2.3 光伏與幕墻系統的融合

　　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完成。幕墻的立柱和橫梁需要為光伏系統預留用于光伏管線的空腔。

　　4.對未來超低能耗幕墻技術的展望

　　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，相信隨著各項技術的成熟和大的市場的驅動，會使超低能耗技術得到長足的發展。

　　如果我們對未來進行展望，超低能耗幕墻技術會產生哪些突破呢?

　　4.1智慧化幕墻

　　幕墻是建筑的衣服，區別于人類的衣服可以根據外界環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建筑整體的需要調整自身的采光、通風，調整窗墻比等因素，使幕墻最大程度的節能。

　　4.2光伏技術的突破

　　區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，光伏將有望實現對建筑的全包覆，最終作為建筑可發電的皮膚，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”由行業大百科提供），膠條等材料組合使用，來構成目前傳統的門窗幕墻系統。相信隨著科技的發展，會出現更加新型的透明建筑材料，有類似皮膚的屬性，可以自動調節室內室外的空氣流通，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室外的能量傳遞。

　　5.結語

　　人類的發展離不開能源，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發展的必要手段。建筑的能源消耗占據了人類能源消耗的一大半，綠色建筑的發展刻不容緩，這依賴于建筑行業所有同仁的共同努力。超低能耗是人類在節能減排方面的重要嘗試。作為幕墻設計師，我們要緊跟潮流，努力研發更加符合社會需求的綠色環保的幕墻產品，為人類的可持續發展做出自己的貢獻。

　　參考文獻：

　　【1】李殿起、魏夢舉 超低能耗建筑中的幕墻連接結構傳熱分析及優化探索《建設科技》,2021年.08期

作者單位：華東建筑設計研究院有限公司