基于绿色环保视角下高层建筑玻璃幕墙节能改造技术的应用

张兆鑫 二道河农场工程建设管理部

1 前言

建筑行业快速发展的同时，多种新型建筑技术及材料得到广泛应用，其中玻璃幕墙是应用较多的建筑形式，既能提高建筑美观度，也可增强建筑采光效果，可使建筑建造水平得以大幅提升。然而玻璃幕墙应用时的安全风险系数较高，并且能源消耗量较大，不利于建筑行业的低碳化与长效发展。为在建筑行业践行可持续发展理念，需要依托绿色节能环保技术改善玻璃幕墙高能源消耗的现状，通过新型玻璃幕墙、新型节能技术的有效应用对能耗高的高层建筑进行玻璃幕墙的节能改造，以进一步增强玻璃幕墙的节能性与环保性。

2 基于绿色环保视角的建筑玻璃幕墙绿色节能设计要点

2.1 保温隔热设计

建筑设计中应用玻璃幕墙之后建筑采光效果可得到改善，然而由于夏季时节较为炎热，安装了玻璃幕墙的建筑物内部空间温度升高速度较快，因而需应用空调设施调节室内温度，如此会增大电力能源的消耗量。同时，应用玻璃幕墙冬季会因室内空间温度较低而要开启加热装置。为保持室内温度的适宜性，节能设计时要将保温隔热设计作为重点，从而减少冬夏时节因利用空调或采暖措施调节室内温度所产生的能量损耗。

2.2 玻璃幕墙遮阳设计

玻璃幕墙遮阳设计是维持室内正常温度的重要手段，主要目的是防止阳光直射在幕墙之上，从而平衡室内温度。玻璃幕墙遮阳的方法主要有三种：一是利用遮阳性能较高的幕墙阻隔热量进入，以使室内空间的温度保持平衡；二是于建筑室内安装遮阳物，进而达到遮挡室外阳光进入的目的，此种遮阳方法应用时，需要结合建筑及室内空间的具体情况筛选最为适宜的遮阳物；三是将遮阳物安装于室外，以便实现建筑室内空间温度的有效保持。

2.3 自然通风

玻璃幕墙设计时需要将通风情况纳入考量。通常玻璃幕墙在写字楼等高层建筑装饰上较为常用，这种建筑往往内部人员众多，若是通风状况不佳会对室内人员身体健康产生不利影响，需要通过合理的通风设计规避这一问题，同时良好的通风设计也可有效降低室内通风系统的能源消耗量。通风设计时，主要是要控制好幕墙外窗的设置数量，若外窗数量不足会影响通风质量，而外窗数量设置过多则会使室内温度过度流失。为此，玻璃外窗数量的合理设置以及密闭性的有效保持是玻璃幕墙保持良好通风性、具备优良节能效果的关键所在。

3 玻璃幕墙设计中绿色节能技术的具体应用

3.1 双层玻璃幕墙的应用

双层玻璃幕墙是由两层玻璃组合而成的玻璃幕墙，两层玻璃的构造并不相同，外层与内层的玻璃幕墙通常分别应用的是点式或明框式。在建筑玻璃幕墙节能设计中，双层玻璃幕墙的应用率较高。设计时，需要注重玻璃幕墙材料的科学选用，并应合理设置通风口，通过这两个要点的合理把控可有效增强双层玻璃幕墙的节能性。同时，还需要整合分析建筑玻璃幕墙的绿色节能设计方案，并对其隔音效果展开探讨，而后合理设置玻璃幕墙通风层的宽度，并确保空气层厚度的科学设定。通常空气层厚度以不高于10cm为最佳。此外，由于外界环境因素会对双层玻璃幕墙的应用效果产生影响，因而要控制好参数。目前，建筑绿色节能改造常用的双层玻璃幕墙主要为箱式双层玻璃幕墙，此外，走廊式双层玻璃幕墙在高层建筑中应用率也相对较高。

3.2 节能型幕墙的应用

绿色环保视域下的建筑玻璃幕墙设计，需要有效彰显绿色低碳、能源节源等特点，因而需要结合建筑的实际情况选用适合的幕墙玻璃材料，以此增强玻璃幕墙设计的节能性。例如，建筑建设地点位于南方冬夏温差较小的区域，则可利用具备高吸热能力的玻璃材料制作玻璃幕墙，或是利用高反射能力的玻璃材料。若是在北方地区建设装有玻璃幕墙的建筑，由于夏季与冬节温度差异较大，最好选用中空玻璃并且筛选辐射相对较低的种类，以此降低光污染。现阶段，在高层建筑设计时中空玻璃幕墙较为常用，具体应用时可设置间隔框使中部玻璃架空，同时要做好中空玻璃幕墙的密封设计，可将惰性气体充入中空玻璃之内，再将干燥剂放入其中，以降低中空玻璃空气层的温度，进而提高建筑玻璃幕墙的保温性与隔热性。

3.3 新型节能技术的应用

3.3.1 基于光电技术的光电玻璃幕墙

光电玻璃幕墙是以光电技术为支撑，对光能、热能进行有效吸收并将之转化为新的能源，以此减少资源浪费、强化玻璃幕墙节能性的新型玻璃幕墙。光电玻璃幕墙主要利用的是太阳能，需要制作与应用太阳能电池组，并融合在玻璃幕墙上，用线路进行不同玻璃的连接，并使之构建成整体性的玻璃幕墙。光电玻璃幕墙的应用可有效降低玻璃幕墙的能源损耗，同时也可延长幕墙的应用年限，从而确保玻璃幕墙应用价值的最大化发挥。

3.3.2 基于智能控制技术的智能玻璃幕墙

智能玻璃幕墙是将计算机融入到玻璃幕墙之中，通过控制技术应用而实现玻璃幕墙温度自动化调控的新型玻璃幕墙。智能玻璃幕墙可结合气候变化情况自主进行温度的适度调节，以此提升室内环境的舒适性，此幕墙应用时所产生的能源损耗量较低。可在计算机上连接光电元件，如果建筑室内及室外温度出现较大偏差，则可在网络支持下通过计算机智能化调节室内的温度。建筑玻璃幕墙中应用智能控制技术的优势十分显著，相较于传统玻璃幕墙而言，智能玻璃幕墙节约的能源量约为30%。但智能控制幕墙应用的弊端是智能控制技术费用高昂，投资较大，但未来经过技术不断优化之后，此种新型玻璃幕墙的应用将会越来越广泛。

4 绿色环保视域下高层建筑节能改造技术应用实例分析

4.1 工程概况

某高层建筑共为36层（包含地下两层），建筑总高度为142m，幕墙制作材料是石材及玻璃，总面积为1.9万平方米，其中，石材幕墙总安装面积为1.43万平方米，而玻璃幕墙的面积为0.47万平方米。建筑南立面面积约4970m2，并且窗户总面积为1800m2，窗墙面积比为0.36。

4.2 玻璃幕墙应用现状分析

本建筑落成十几年，长时间应用下玻璃幕墙的性能有所下降，特别是热工性能低于如今新高层建筑玻璃幕墙的节能标准，为增强此建筑玻璃幕墙的节能效果，需要基于绿色节能理念的应用对其进行改造，改造前需了解玻璃幕墙现状，并对其热工性能进行详细分析。

4.2.1 热工性能

此高层建筑的玻璃幕墙以厚度为10mm的蓝色单片玻璃材料为主，因建筑建设时间较早，因而玻璃材料质保证书不齐全，评价玻璃幕墙中热工性能时发现，本工程的窗墙面积比为0.36，南立面玻璃传热系数为5.10W/(m2·K），并且玻璃遮阳系数仅为0.43。

4.2.2 节能隐患

按照国家传热系数标准，窗墙面积比介于0.3与0.4范围间的玻璃传热系数应为3.0W/(m2·K），且玻璃幕墙遮阳系数应不低于0.50，而本工程的传数系数比规定标准更高，遮阳系数却低于规定标准，说明此高层建筑玻璃幕墙的传热系数、遮阳系数均不达标。除了本工程玻璃幕墙热工性能相对较低以外，因玻璃幕墙应用时限较长，密封胶存在老化现象，玻璃贴膜的老化情况也较为严重，因而玻璃幕墙存在较高的节能隐患，必须加以改造。

4.3 玻璃幕墙节能改造具体方法

本高层建筑玻璃幕墙的节能改造应以幕墙热工性能分析结果作为依据，并需结合国家相关制度及标准，对玻璃幕墙节能改造的技术方法进行分析，而后得出以下几个改造建议。

4.3.1 选择适合的窗墙面积比

通常而言，建筑窗墙面积比与建筑玻璃幕墙的传热系数、遮阳系数之间是成反比关系的，也就是说，窗墙面积比越大的玻璃幕墙的传热系数越高，且遮阳系数也越低，因而其围护结构的性能也相对较低。然而本工程热工性能分析时发现，本工程总窗墙面积比为0.36，但局部区域达到了0.8以上，这是导致其传热系数、遮阳系数不达标的主要原因。因而本工程玻璃幕墙绿色节能改造时，首先要对窗墙面积比进行合理调整。窗墙面积比调节时有三种方式：一是横向组合，二是纵向组合，三是纵模向组合。调整过程中，应选用不具透光性的铝材或石材材料取代透光性玻璃面板，也可将之替换为透光性不佳的玻璃结合材料。调节窗墙面积比时，若选用铝板、石材等非玻璃材料，需要结合建筑围护结构外立面搭配效果进行分析，并应将材料应用后的建筑室内空间功能影响纳入分析，部分玻璃幕墙的热工性能要求较低时，传热系数、遮阳系数要求也应酌情降低。

4.3.2 科学选用玻璃材料

本高层建筑采用的是金属框、玻璃两种材料为主的玻璃幕墙，并且玻璃应用面积较大，因而应通过玻璃材料的合理选用对玻璃幕墙的得热与传热效果进行控制。同时，玻璃幕墙施工周期较长，存在一定的安全系数，因而还需要对玻璃幕墙的面板实施改造。本工程可通过贴膜的方法调节玻璃K值，也可降低玻璃幕墙的光学性能。针对存在严重老化问题的玻璃，则可利用低K值中空双层玻璃替换原有玻璃，这是由于双层玻璃幕墙之间存在封闭空间，幕墙下部进入的空气会经由上部排风口排出，因此建筑空间空气流通性良好，可增强幕墙通风性、改善热交换性能，可有效降低太阳能辐射对室内空间所产生的影响，同时也能够减少能源的损耗。双层玻璃幕墙的中空玻璃结构形式以5mm+6A+5mm为最佳，此种玻璃K值比原有玻璃K值更低，仅为2.079W/(m2·K）。幕墙玻璃材料节能改造完成后，还可利用有限元软件ANSYS验算分析内外片玻璃的强度以及挠度值，若玻璃强度不低为84MPa、允许挠度不超过21mm，则符合设计标准，说明此改造方案可有效提高本高层建筑玻璃幕墙的保温隔热效果。

4.3.3 优化幕墙传热性能

若部分区域的玻璃幕墙无需更换玻璃材料，则需重点优化玻璃材料的传热性能。改造过程中，应以窗墙面积比选择方案为基准，对幕墙组成材料的传热系数进行降低，因此，可利用隔热断桥铝材对原有玻璃材料进行替换，从而使玻璃幕墙的热阻效果得到相应程度的提升。隔热断桥铝型材可通过隔热条对铝合金型材进行分隔，使之成为两部分结构，并且热桥所应用的材料是传热系数为0.3W/(m2·K）的聚酚胺尼龙66，此种材料的力学性能接近铝合金，因此，在无需更换玻璃的幕墙改造中，应当选用隔热断桥铝型材，可使玻璃幕墙的传热系数得到有效优化。

4.3.4 改善玻璃幕墙遮阳效果

不更换玻璃幕墙的建筑工程中，还需要对幕墙的遮阳效果进行改良。由于本高层建筑工程具备较大范围的幕墙透明区，因而夏季时节室内空间的温度较高，为降低室内温度需要应用空调，从而会产生大量电能损耗。为此，遮阳效果改善时应选用综合遮阳改造法，即同时针对屋面、墙面、窗口进行遮阳处理并应用绿化遮阳方式。窗口遮阳改造时要确保窗口通风、采光以及采暖等功能的正常发挥，同时还要注重于强化遮阳效果的持久性发挥。通过此种方法进行遮阳改造之后，本高层建筑在太阳辐射强度不变的条件下，遮阳效果可下降60%左右。

4.3.5 调节幕墙的气密性

幕墙气密性也是高层建筑节能改造的重点，本工程正是由于玻璃幕墙气密性效果不佳而导致空气流动速度过快，使热能产生了较为快速的消耗。为此，本工程节能改造过程中，应以国家规定玻璃幕墙气密性等级标准为依据，通过幕墙开启缝宽度、长度的有效降低增强幕墙的气密性效果。气密性调节过程中，可在玻璃幕墙左侧、右侧以及下部区域增加衬垫材料或密封条，并利用密封材料填充缝隙以增强玻璃幕墙的气密性效果。同时，还应对玻璃幕墙之上安装的五金件进行检查，及时更换老化部件，以此增强玻璃幕墙的压实强度。

5 结束语

高层建筑应用玻璃幕墙可有效提升建筑的美观性，但是产生的高能源损耗不容忽视。因而玻璃幕墙设计及改造中可引入绿色节能技术，从而打造出更加安全可靠、能源损耗更小、低碳环保的建筑工程。高层建筑玻璃幕墙节能效果的高低主要体现于遮阳系数、传热系数两个方面，因此，基于绿色节能环保视角的玻璃幕墙节能改造需要选择适合的窗墙面积比、科学选用玻璃材料，同时还要优化幕墙传热性能、改善玻璃幕墙遮阳效果、调节幕墙的气密性。实践应用中，由于不同建筑玻璃幕墙因改造条件并不相同、改造要求存在差异，因而节能改造方法应用时还应根据工程实际情况适度调整，从而保障高层建筑玻璃幕墙的节能改造效果。