绿色建筑外立面节能技术的实际应用

刘静

摘 要：建筑外立面是建筑的直接可接触的外在空间的界面，建筑外立面的节能设计的主要方式是将建筑外围护结构的热工性能以直接或者间接的形式进行改变，减少室外环境因素对外围护结构和室内环境的影响，提高建筑舒适性、节约能源、增长建筑使用寿命的目的。

关键词：绿色建筑；外立面；节能技术；循环利用

1 前言

不同建筑的外立面有着不同的设计方法、构造形式与美学特征。人们往往通过外立面的构图、比例、尺度、材料、颜色、肌理、构造等元素评判建筑的技术和美学价值。因此，世界各地的建筑师们都十分重视对建筑外立面的处理方式。在传统建筑中，建筑师多使用韵律、跳跃、对比等修辞手法或使用绘画、雕刻等装饰物展现建筑的艺术美。但是，自工业革命以后，钢材、混凝土等更加坚固耐久的材料被广泛应用于建筑中，造成了“方盒子”式的千篇一律的建筑形象，使人们对城市建筑逐渐产生了审美疲劳。随着可持续建筑思想的发展，当今社会不仅要求建筑满足实用功能和经济需求，更需要追求其多元化的发展，既要体现其个性化的形态，又要满足生态节能的时代要求。

2 建筑外立面理论概述

建筑外立面是建筑与外部直接接触的界面，也是建筑的外在表现形式和构成方式。同时，建筑外立面也可以理解为内空间和外空间交界面的构件。在通常的定义下，建筑外立面的包含范围是指，建筑外围护部分中除屋顶外的所有可见空间。在实际的情况下，也存在一些难以区分的情景，比如特定几何形体建筑的屋顶与墙体，这两者会以连续的方式展示出来。为此，在现代建筑中，屋顶被称为建筑的“第五立面”。作为建筑外立面的重要组成部分之一，屋顶的形式也直接影响着建筑的美观和节能。

3建筑外立面节能设计原理

3.1建筑围护结构与扰量

建筑外围护结构和建筑内热湿环境的扰量有许多，主要归类为室外气象扰量、室内热湿扰量等外扰和内扰两大类，建筑外立面通过改变外扰对建筑的影响达到节能的目的。

外扰因素主要包括：室外温度、室外湿度，室外风速、风向，太阳辐射强度，以及相邻建筑的空气温湿度等。它们通过热交换和空气交换影响室内热湿环境，从而影响建筑能耗。由于建筑的外墙和屋顶等外层结构具有一定的蓄热特性，在外绕因素的影响下中，室外空气和温湿度一般要经过一个总换热热阻后才能真正意义上的施加到外立面，太阳辐射一般也要经外立面的吸收后，才能真正意义上的施加到面壁温度的热流。

建筑围护结构的热容、热阻延缓了外绕的影响速度，然而建筑室内各表面，包括地面、墙面、屋顶等可能会受到通过玻璃窗等透明外立面直接照射在该表面上的太阳辐射的影响；值得注意的是，建筑外立面的外门、外窗等虽然也具有少量的热阻，但由于本身材质很薄，蓄热性一般也不高，实际中可以近似认为它没有热容。因此，外扰可以通过门窗立刻影响到室内。通过分析可以得出结论，在影响建筑热环境的各种环境因素中，有两种形式，一种是能即刻影响到室内环境的辐射换热，另一种是缓慢影响到室内环境的对流形式的换热，这两种方式都要先经过建筑外立面才能逐渐通过对流或辐射的形式影响到室内。

3.2建筑热工设计分区

我国领土面积纬度跨度大，南北跨越多个气候带，地势高差的也各不相同，这使得同日全国各地太阳辐射量很不相同，气候相差十分悬殊，采暖与制冷需求各有不同，不同地区悬殊的气候因素对建筑外立面和建筑节能的要求差异巨大，因此，必须根据各地的气候特点划分适宜的热工气候分区，以便因地制宜地选择建筑节能技术。

《中国民用建筑热工设计规范》（编号GB 50176-93），是目前我国建筑设计者考虑建筑地区划与热工设计的主要遵循规范。该规范从建筑热工设计角度出发，根据全国各地区气候特点，将建筑保温和建筑防热的设计要求和设计规范整理成册。该规范指标的采集依据是累计每年1月和7月的平均温度作为主要指标，辅以累计日均气温小于5摄氏度的天数和大于25摄氏度的天数，将我国划分为五个气候区划：夏热冬冷气候区、夏热冬暖气候区、严寒气候区、寒冷气候区和温和气候区。

4绿色建筑外立面设计影响因素

4.1气候因素

自诞生之日起，建筑的首要功能就是为人类提供庇护空间，以使人类能够在不同的气候条件下生存。为适应不同的气候，世界各地的建筑立面形式有着巨大的差异。但是，由于现今科学技术的发展，建筑外立面对温度、湿度的调节功能逐渐被淡化了，人们更普遍地依靠暖气、空调等调节手段来营造建筑内部恒定、舒适的温度、湿度环境。显然，这种无视气候因素对建筑能耗影响的设计方法、造成了建筑与环境的不协调以及能源的浪费。所以在当今能源危机日益严峻的时代，真正设计出适应气候的建筑立面，对于资源、能源的节约和室内外环境的調节具有十分重要的意义。

古代的能工巧匠们以及近代的建筑设计师们，总能因地制宜地设计建筑，以适应当地气候条件。我看到很多非洲当地人的茅屋（图2），那里并没有专业的建筑师，但是那些茅屋的形式那样的好用，使我非常震撼，人类竟然能够如此聪明地解决烈日和风雨带来的困扰。”所以，我们今天所使用的一些绿色建筑的设计手法，其实早在原始时期就被祖先运用于房屋的建造了。深远的挑檐和花格窗就是几千年来中国传统建筑（图3）的典型特征。室外挑檐可以起到良好的遮阴避雨功能，室内挑檐则具有组织通风、调节室温的功效；花格窗和玻璃纸既防止阳光直射又有着良好的透光率，将室外太阳光线均匀漫射到室内深处，营造舒适光环境。这些没有机械设备的帮助且行之有效的外立面形式对低能耗建筑设计具有重要的指导意义。

4.2基地因素

一个建筑的基地环境，直接影响到建筑的布局、节能技术的选择以及外立面的形式。建筑与环境场所的相互渗透，赋予了建筑特殊的生命力。从绿色建筑思想的角度上讲，不同基地环境（地形、地貌、形状、朝向、功能、周边建筑性质等）的两个建筑不可能完全相同。因此，在进行绿色建筑的外立面设计时，不能用其它建筑的立面不加分析地生搬硬套，这不仅带来资源和能源的浪费，而且会造成建筑的形象的“千篇一律”。

中国的传统建筑物或依山傍水，或临水而建，其对自然环境的精巧运用，是当代建筑界可以借鉴和借鉴的。比如，在传统的村庄中，为了减少土石量和节省建材，大量的利用自然地形地貌。中国陕西和甘肃一带的山地农夫大多生活在土坑里。这个窑洞结构（见图4）最突出的特点是利用自然地貌作为外部外观的一部分，并将其与周边的生态系统结合起来。黄土高原的地形不但可以抵挡建筑物的风沙，而且厚厚的土墙也可以让房屋在冬天保持凉爽。云南傣族的竹屋（见图5）采用了本地出产的竹子，竹子是以本地出产的竹子为原料，屋顶是用本地的稻草编织而成。竹子屋不但经济、实用，施工简便，还非常适合本地的气候，可以防蚊虫、防潮湿、防野兽。基于上述基础要素的考虑，使建筑物受益良多。因此，要想真正的创造出一个出色的绿色建筑，就必须要考虑到其本身的自然环境，并且要根据其本身的特点来进行合理的改造。

4.3经济因素

人的一切行为都需要价值观的指导，建筑立面形式的选择也体现着一定的价值观。传统建筑只是片面地追求物质的享受和经济的制约，这样的建筑价值观不仅只能获得短期的效益，还造成了现代建筑大同小异的外形，以及建筑和自然環境的对立关系。因此要建造可持续的绿色建筑，就必须以长远的眼光看问题，改变传统的建筑价值观。

在建筑中采取适当的绿色节能技术，才能使环境和经济的效益最大化。但是，现今还有很多绿色建筑受到人们的质疑，人们错误地把高技术建筑与绿色建筑混为一谈，武断地认为所有绿色建筑的成本都很高，其实，我们可以利用很多低成本高效率的措施和办法，比如利用天窗采光（如图6）、遮阳百叶或地源热泵（如图7）供暖和供冷等，只要简单地改变一下设计，少许增加一点前期费用，在后期就可以大大降低能耗，带来更持续的经济效益。如果我们以发展的眼光看待建筑的经济问题，就能发现绿色建筑中新材料和新技术的利用改良了传统的建造和运营模式，对资源能源的节约和可再生能源的利用具有重要的推动作用。尽管绿色建筑外立面的初始造价的较高，但是综合考虑其建造和使用的成本以及运营中所减少的能源消耗，就会发现新的建造方式的总体投入比传统建筑少得多。

5绿色建筑外立面设计的应用

5.1建筑入口

建筑入口及入口处的界面是建筑外立面设计的重要元素，它不仅承担着交通组织、空间过渡和标识识别的功能，而且由于建筑入口是外部气候对建筑内部产生影响的最直接部位，因此绿色建筑入口的节能设计必不可少。

一般在寒冷地区，建筑入口多设置于背风一侧，并采用双层门斗或旋转门，在双层门之间形成气候缓冲区，对于教学楼等人流较大的建筑，还应在双层门之间增加热风幕（图 8），以阻隔室外气候对室内的直接影响。公共建筑的入口界面多为通透的玻璃材质，但由于玻璃的热阻较小，大面积使用会增加太阳辐射热的传入，造成室内过热。所以，玻璃入口应结合内凹的建筑体型或雨篷（图8）、木格栅等节能技术措施综合设计。

雨篷是为建筑入口遮阳、挡雨的建筑构件，出挑较多的雨篷外沿可设柱子形成门廊，底层退进的骑楼（图8）设计也可起到雨篷的作用。这一室内外过渡空间在入口处形成稳定的气候区，减小了室内外温差，利于保温、隔热。雨篷材料以轻质为宜，除传统的混凝土、金属、木材外，一些新型的合成材料、玻璃等材料制成的遮阳构件不仅能够遮阳、降温，而且不影响室内采光。 此外，在建筑入口界面设置挡风墙、种植灌木、竹子等植物也是减缓室外空气渗透、节约建筑能耗的有效方法。

5.2立面门窗

立面门窗往往是建筑立面节能设计的薄弱环节，保温隔热性能较差，其热损失是墙体热损失的 5～6 倍。据估算，夏季，由玻璃窗射入的阳光以及交换空气热量，使制冷负荷增加两成到三成；冬季，单层玻璃造成的室内空气热量热损失使采暖负荷增加了三成到五成。在设计中，门窗的开启方向、构造方式、材料构成等因素都直接影响建筑的能耗。

要减少门窗的热损失，最直接的方法是控制建筑的“窗墙比”。居住建筑的南立面“窗墙比”以控制在 0.50 左右为宜，东西向“窗墙比”不应大于 0.35、北立面“窗墙比”不应大于 0.30。其次，增加门窗的气密性，在外立面门窗与墙体连接处应采用玻璃棉、气凝胶、发泡聚氨酯等高效保温材料填堵，也可以有效防止室外空气的渗透。改变玻璃本身的结构，采用节能玻璃是从根本上解决门窗节能问题的方法。在双层玻璃中间填充气凝胶等透明保温材料，或在玻璃中添加铁、钴、镍等元素制成特种玻璃，都能使其隔热性能优于普通单层玻璃。新近研制的可调节玻璃还可使玻璃的光学性能随太阳入射能量不同而变化，并分为光敏、电敏、热敏三种，分别对外界光、电、热三种条件的变化做出反应，通过对玻璃颜色和透光性的改变平衡建筑的采光和隔热。另外，在聚酯薄膜上采用真空蒸镀法镀上一层铝膜，然后涂上结合剂贴在玻璃外表面，可形成一种热反射性的半透明玻璃，（图9）有效阻隔太阳辐射热。

在夏季温度较高的地区，在窗口增加适当的遮阳措施能够减少太阳直射热进入室内。实验证明，适当的遮阳设施可使由玻璃进入室内的热量减少 70%，使夏季节能 50%以上。现今，热反射织物（图9）是光反射性能最好的建筑的遮阳材料，其热透过率只有 1%左右，能起到极佳的隔热效果。复合遮阳材料，则将织物的隔热特性和金属的反光特性，良好地结合在一起，进一步提高窗户绝热特性作用。铝合金百叶（图 4-9）窗帘因其材质光洁，隔热的同时还对阳光有很好的反射作用。因此，立面遮阳能够有效调节建筑的采光和隔热，从而实现节能的目的。

5.3外部墙体

墙体是建筑外立面的重要组成部分，分为实墙墙体与幕墙两种，它是建筑外立面形象的决定性因素，也直接影响着建筑能耗。因此，绿色建筑的外立面设计除了考虑结构、形式和材料等因素，还须将其节能性能纳入设计的范围。

在夏季炎热地区，外立面设计还需考虑建筑隔热和通风的需求，通过采用特殊的幕墙形式、种植垂直绿化（图4-10）、设置遮阳百叶和拔风烟囱等措施能够有效提高外立面的隔热和通风性能。新型的双层呼吸式玻璃幕墙具有厚度达几十厘米甚至一米的夹层，可以起到调节气候的作用。在夹层中设置遮阳设施，并增加进、排风装置，既可调节采光和通风，又可避免室内风速过大。将双层呼吸式幕墙与新型玻璃材料结合使用，节能效果更好。同时，光电一体化幕墙（图10）、护栏太阳能热水器等新能源在建筑外立面的利用措施能够作为建筑能源的补充，提高建筑的节能效果。

5.4 建筑屋顶

屋顶除了具有遮风挡雨、保温隔热等功能，也逐渐成为建筑立面形象的重要部分，被称之为建筑的“第五立面”。在屋顶设计中，保温、隔热性能的设计仍然是建筑立面节能设计的关键因素。在寒冷地区，屋顶需要设置保温层，增加建筑的保温性，而在夏季炎热地区需要考虑屋顶的隔热设计，通过设置通风层、蓄水层或在屋顶种植绿化，隔绝室外热量通过与屋顶热交换传入室内。

绿色建筑的设计中，在建筑屋顶适当设置新能源的利用设施，能够减少常规能源的使用。在建筑屋顶利用太阳能光电板、光电玻璃、光电薄膜发电可以为建筑运行提供能源，既无污染，又无噪声。随着科技的进步，太阳能光电设施逐渐与建筑立面设计合为一体，成为建筑整体的一部分，太阳能幕墙和太阳能薄膜围护结构不仅可以获得更多的阳光，产生更多的能量，还为建筑外立面设计提供了新的方法了思路。（图11）太阳能光伏发电设备在使用后还可以回收，其中的钢材、玻璃、晶体硅等材料经过处理后，是可以循环利用的。建筑屋顶的“拔风风帽”、光导纤维、风力发电等节能构件也有利于建筑通风、采光和能源的补充，是建筑屋顶节能设计的有效手段。

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