浅谈公共建筑外窗幕墙的节能设计

武正北

摘要：我国地域辽阔，部分地区四季温差较大，针对房屋建筑来讲，其日常运行过程中较大的能耗比例都來自于玻璃外窗和幕墙能耗损失方面，因此要想从根本上提升建筑工程本身的节能效果，就必须给予外窗幕墙节能设计以高度重视。鉴于此，本文从公共建筑外窗幕墙玻璃选择、窗墙比的确定、外窗方位及双玻幕墙等角度出发，详细探讨了公共建筑外窗幕墙的节能设计，以供参考。

关键词：公共建筑;外窗幕墙;节能设计

一、公共建筑外窗幕墙玻璃选择

（一）玻璃选择原则

突出玻璃遮阳功能、实现合理采光是公共建筑外窗幕墙玻璃选择过程中应遵循的主要原则。公共建筑是在人类社会和文明不断进步的背景下产生的，通常情况下其可以划分成包含金融建筑和商场在内的商业建筑、政府部门办公室以及写字楼等在内的办公建筑和娱乐场所以及旅馆饭店在内的旅游建筑组成的，同时还有部分建筑属于交通运输类建筑，如桥梁、车站建筑以及机场等。民用建筑通常包含两种类型，分别为居住建筑和公共建筑，而工业建筑和民用建筑统称为建筑[1]。

公共建筑内部功能相对完善，是我国现代化建设的重要组成部分，我国部分公共建筑在冬季运行过程中，对采暖拥有较高的要求，此类型公共建筑在运行过程中呈现出以下特点：首先，建筑使用者人数较多，呈现出人员密集的特点，会产生较大的人体散热量;其次，公共建筑功能相对完善，能够满足建筑使用者对办公设备的需求，同时具有较强的智能化特点，建筑运行中会产生较大的设备耗电量，因此也会产生较大的热能;再次，近年来，世界各地频繁出现城市热岛效应，因此同郊区公共建筑相比，城市中心公共建筑拥有更高的温度;最后，根据我国平均气温年度变化统计相关数据显示，近50年内我国每年平均气温都会升高1.1摄氏度左右，同北半球和全球升温幅度相比，我国每年平均气温上升幅度较高[2]。例如，我国杭州地区具有夏热冬冷的特点，近年来当地高温日不断增加。再加上全球气候急剧变暖的趋势，当地温度呈现出明显升高的现象。而现代钢筋混凝土结构是我国多数公共建筑的主要结构特点，钢筋混凝土材料在应用过程中具备了一定保温功能，再加上部分地区在冬季并没有采暖要求，因此在实际进行公共建筑建设的过程中，可以忽略其他保暖设计，而是将保温设计的重点放在外窗幕墙上即可，外窗幕墙应具备合理采光以及良好的遮阳效果，这应成为公共建筑外窗幕墙节能设计的重要原则之一[3]。

（二）外窗玻璃选择

针对公共建筑来讲，外窗玻璃面积占建筑总面积比例较大，因此公共建筑外窗幕墙能够拥有较大的辐射和导热面积。我国各地区在积极进行公共建筑建设的过程中，应注重对外窗幕墙玻璃的合理选择，只有这样才能够从整体上提升公共建筑的节能设计效果。

传热系数K值和遮阳系数是表示玻璃热工性能的两个重要参数，一方面，传热系数K值[4]，当公共建筑室内外温度形成较大差异，传热系数K值可以在单位时间内、单位温差条件下以及单位面积基础上实现有效的玻璃热量传递;另一方面，遮阳系数，即玻璃太阳能总透过率与3mm厚无色透明玻璃太阳能总透过率之间的比值。我国在积极进行公共建筑建设的过程中，需要考虑夏季强烈日照的客观条件，在这一过程中会产生较高的建筑物制冷能耗，因此应在坚持上述外窗幕墙玻璃选择原则的基础上来合理选择玻璃。

其中具有较高遮阳系数的普通白玻在应用过程中，由于公共建筑使用过程中，增加建筑空调能耗的主要因素是太阳辐射较大，缺乏良好遮阳性能的玻璃会极大增加空调能耗量[5]。拥有较低遮阳系数的玻璃在应用过程中，会对较少太阳能量进行传递，这样一来就能够为实现建筑物制冷节能奠定良好基础。但是，如果玻璃在使用过程中拥有较低的遮阳系数，那么就无法促使公共建筑在日间运行过程中实现有效自然采光。

而在对Low-E中空玻璃进行应用的过程中，其所采用的材料镀膜具有不吸热、红外线高反射的功能，尤其是双银Low-E中空玻璃近年来被广泛应用于我国各地区的公共建筑建设当中，其可以对远红外波段的热辐射以及太阳能波段的热辐射产生良好的反射效果。在对这一玻璃进行应用的过程中，其呈现出良好的保温性能，同时传热系数较低，并具有一定选择性，可以实现低热能可见光的通过，在这一过程中还可以将多数高热能的近红外光遮断，甚至可以产生0.30～0.60的遮阳系数，太阳辐射的有效降低，充分证明我国在积极进行公共建筑建设的过程中，针对外窗幕墙节能设计可以对Low-E中空玻璃进行充分应用[6]。

二、窗墙比的确定

公共建筑外窗幕墙设计过程中，应对窗墙比的重要性产生深刻认知，窗墙比的合理性对于公共建筑节能效果具有直接影响。窗户洞口面积与房间立面单元面积之间的比值即窗墙比，也就是建筑物高与开间定位线围成的面积之间的比值。由于窗户是室外热量向室内传递的主要媒介，在这一过程中主要涉及到的途径包括太阳辐射、窗材导热、空气渗透等。而窗子大小对这些热量传递途径具有直接影响，线性关系存在于空调负荷大小与窗子面积之间[7]。要想将窗户的能耗量降低，新时期世界各国在积极进行公共建筑建设的过程中，各种节能窗户不断产生，但是无论哪种类型的窗户在应用过程中，都只能够实现对部分能源的节约，事实上由于公共建筑外窗幕墙面积较大，在大开窗的情况下，空调能源浪费的现象是无法得到本质上的改变的。

从节能的角度来看，要想有效降低空调负荷，减小围护结构外窗面积值至关重要。公共建筑实现节能设计的首要环节是对开窗率进行有效限制，然而较小的窗墙比会严重影响公共建筑室内通风以及采光效果。

根据相关实验显示，多数建筑使用者都非常认可20%的开窗率;面对30%的开窗率，人们表示非常满意;而超过30%的开窗率不会给人们的心理以及视觉享受带来直接影响[8]。同时，在对最小开窗面积进行设计的过程中，应以楼地板面积为基础，其6.25%则为最小开窗面积，而针对通风效果来讲，20%～30%的开窗率已经可以满足通风要求。

三、外窗方位及双玻幕墙的节能设计

（一）外窗方位

不同的房屋外窗方位，会产生差异化太阳辐射接收热量。详细分析天空中太阳的运行规律，能够得到最大太阳辐射热量的为冬季南向墙面窗户和夏季东西两面墙面窗户。

详细分析日照方位分区图可以发现，终年没有日照的为从西偏北到东偏北方向;只有夏季才有日照的为东偏北和西偏北方向，在这些地区进行公共建筑外窗幕墙节能设计的过程中，最强的太阳辐射会在夏季产生;而常年有日照的区域进行公共建筑外窗幕墙设计的过程中，无法实现始终满足夏季阴凉冬季向阳的条件。我国多数地区都拥有夏热冬冷的特点，南向的玻璃窗在公共建筑当中，在夏季不仅需要承受强烈的太阳辐射，同时还必须承受来自其他墙体的反射。东、西向的玻璃窗在公共建筑当中，能够对夏季太阳辐射进行有效遮挡，尽管此时所产生的太阳辐射低于南向，但是在东、西向墙面的强烈热反射作用下，通过西向墙的热量是同面积下西向墙玻璃窗热量的8～15倍，在这一过程中应用科学的遮阳措施，会导致窗户的热作用被有效限制[9]。同时，我国南方地区在积极进行公共建筑建設的过程中，需要综合分析夏季风向特点，以东南风和南风为主，因此在实际进行窗户设计的过程中，应尽量选择利于室内形成穿堂风的方向，因此窗户布置应以北向、东南向、南向为主。

气候变化将对水平屋顶产生直接而严重的影响，会直接影响顶层居住环境以及空间能源，因此在实际展开设计的过程中，必须给予屋顶强化保温设计以高度重视，避免对水平天窗的设计的应用。夏季水平天窗设计所能够吸引的太阳辐射较多，但是在冬季，这一设计会产生较高的采暖能耗量，因此在实际进行公共建筑设计的过程中，尽量不要将天窗设置在屋顶，必要情况下，可以对垂直天窗进行设计。

我国多数地区具有冬冷夏热的特点，此类型地区在公共建筑建设中，应采取有效措施充分考虑屋顶自然采光和避开水平日射量的问题，因此屋顶造型应具备变化性特点，同时对垂直开窗采光设计进行综合应用。

在综合分析季风影响和太阳辐射等因素的背景下，在实际展开设计的过程中，应以正对南向方位开窗和扩大房屋外墙面积为主要设计目标，同时房屋外墙不开窗一面应设计在西向和东向方位，北向方位应尽量减少开窗，这样一来对于提升公共建筑外窗幕墙节能设计效果具有重要意义。

（二）双玻幕墙

近年来，我国在积极加强建筑节能设计研究的过程中，不断进行了技术和材料的创新，建筑墙体装饰方面的创新以玻璃幕墙为主，在对这一设计方式进行广泛应用的过程中，不仅能够产生艺术感较强的公共建筑外观，同时对于降低建筑能耗量、提升室内热舒适度都具有重要意义。

在对单一玻璃幕墙具有较大能耗量这一问题进行改变的过程中，可以对双层呼吸式幕墙进行充分应用。这一技术起源于欧洲，“双层皮”幕墙指的是在构建玻璃幕墙的过程中，采用内、外两层玻璃，中间包含一个通道，将进风口和出风口设置在外层幕墙中，在这种情况下，夏季高温环境中，“对流排热”就可以在空气中实现，而“中间活动遮阳”需要被设置在双玻幕墙的中间。

通常情况下，在实际进行公共建筑外窗幕墙节能设计的过程中，需要对节能玻璃进行充分应用，而双玻幕墙呈现出了较高的应用价值。根据相关调查显示，同“单层皮”玻璃幕墙相比，“双层皮”玻璃幕墙在应用过程中产生了更高的节能效果，节能比率增加了40%～60%。同“单层皮”玻璃幕墙相比，冬季和夏季“双层皮”玻璃幕墙在应用的过程中都能够形成更加良好的保温效果，对于室内气候的改善、空调使用时间的减少、降低能耗量等都具有重要意义。然而，现阶段我国对双层皮技术的研究和应用实践还相对较少，从长远的角度来看，我国在积极进行公共建筑外窗幕墙节能设计的过程中，必须对这一技术的重要性产生深刻认知，通过先进节能技术来弥补大面积玻璃能源浪费问题。

值得注意的是，在对玻璃幕墙进行应用的过程中，所形成的围护形式缺乏文化感，没有结合当地气候等因素展开设计，为了实现现代化建筑建设标准，一定程度上忽视了节能理念，因此尽管在对双玻幕墙进行应用的过程中能够产生一定良好的节能效果，但是其能耗量始终相对较高。

四、结语：

综上所述，近年来，世界各国在积极进行现代化建设的过程中，环境污染和生态破坏现象越来越严重，而能源节约问题也日益突出，在这种情况下，节能理念开始同各个领域进行紧密结合。随着公共建筑不断增加，要想提升公共建筑的节能效果，采取有效措施实施科学的外窗幕墙节能设计至关重要，这就要求我国相关领域工作人员结合建筑以及地区特点，不断提升设计的科学性，才能够推动我国建筑设计领域的全面发展。

参考文献：

[1]干学宏，江晨晖，张敏.夏热冬冷地区公共建筑外窗幕墙的节能研究[J].建筑节能，2018（2）：5-7.

[2]崔艳秋，李炳云，刘松.寒冷地区窗口百叶外遮阳节能改造设计策略探讨[J].建筑节能，2018（4）：127-129.

[3]冯雅.《公共建筑节能设计标准》中外窗及幕墙热工参数的确定[J].暖通空调，2017（8）：44-47，53.

[4]陈广龙，杨耀宾.水平预应力鱼腹索桁架在幕墙设计上的应用[J].门窗，2016（3）：15-18.

[5]孔泽民，熊英.绿色节能技术在公共建筑幕墙设计中的应用[J].建筑工程技术与设计，2017（15）：1070-1070.

[6]黄圻.我国建筑幕墙与铝合金门窗今后几年的发展[J].新型建筑材料，2017（5）：17-19.

[7]林晨.北方地区公共建筑节能与玻璃窗的选用[C].//第14次全国建筑技术学科学术研讨会会议论文集.山东工艺美术学院，2018：209-213.

[8]陈跃华.深圳机场T3航站楼幕墙屋面聚脲防水体系的实施[J].建筑施工，2017（4）：314-315，320.

[9]姜树新，苏兴全，杨先瑞.昆明公共建筑节能措施中外围护构造问题探讨[J].建筑创作，2016（10）：151-153.