低碳节能理念下建筑幕墙优化设计—— 以北京市某国际大厦为例

王天宇

2021 年7 月印发的《关于推动城乡建设绿色发展的意见》提出，要推动高质量绿色建筑规模化发展，大力推广超低能耗、近零能耗建筑，发展零碳建筑[1]。根据《中国建筑能耗与碳排放研究报告（2022 年）》的相关数据显示，2020 年全国建筑全过程能耗总量和碳排放总量分别为22.7 亿tce和50.8 亿t CO2，能耗总量占全国能源消费总量的45.5%，碳排放总量占全国碳排放的50.9%，其中，建材生产阶段、建筑施工阶段、建筑运行阶段的碳排放量分别占28.2%、1.0%、21.7%[2]。由此可见，建筑行业实施低碳建造，对于实现“双碳”目标、提升建筑能效水平具有重要的意义。

建筑幕墙作为不承担主体结构荷载与作用的建筑外围护结构，被广泛地应用于现代建筑工程中，在改善和美化建筑外形的同时，也会对室内和室外的热量交换产生一定的影响，是建筑节能减排的实践终端和关键环节。随着生态环境不断恶化，建筑幕墙低碳节能的优化设计显得愈发重要，可以避免过多热量被转移到室外，使室内的热环境维持在一个较为舒适的状态，从而大幅降低冬季、夏季热环境下的设备运行的能耗以及建筑整体碳排放。在节能标准不断提高和高质量发展的背景下，建筑外围护结构建造技术亟需在建造质量和低碳节能方面进一步优化和升级，将绿色环保、节能低碳融入建筑幕墙建设的全过程，运用多项绿色建筑技术、低碳节能技术，提升建造效率和品质，以此实现建筑的节能减排。

1 建筑幕墙的类型

建筑幕墙是不承担主体结构荷载与作用的建筑外围护结构体系，由金属龙骨与各种板材面层构成，相对主体结构有一定位移能力或自身有一定变形能力[3]。根据表面材料的不同，建筑幕墙可以分为玻璃幕墙、石材幕墙、金属幕墙3 类；根据安装支撑形式及加工方式的不同，建筑幕墙可以分为构件式幕墙、单元式幕墙、半单元式幕墙、点支式幕墙和全玻式幕墙；以新技术和新工艺为依据，可将其划分为节能型、复合型等多种形式，如建筑生态幕墙、建筑光电幕墙、建筑双层动态的节能幕墙等。

2 影响建筑幕墙热耗的2 个主要因素

2.1 建筑幕墙的气密性

建筑幕墙的气密性主要是指幕墙拼接完成后本身对气流的阻隔能力，会对建筑的热损失和幕墙的保温效果产生直接的影响[4]。在建筑幕墙设计和安装工作中，一旦没有按照有关的标准和要求进行合理操作，很可能会出现拼接缝隙较大的问题，从而使内外部气体可以通过缝隙流过，导致热量散失。特别是在严寒地区，如果气密性较差，会对玻璃幕墙的隔热效果和保温性能产生严重影响。因此，为避免建筑室内热量散失，在设计玻璃幕墙时，不仅需要保证幕墙的结构合理，还需要严格按照相关标准和要求进行气密性实验，保证气密效果。

2.2 建筑幕墙层间传热系数

在设计建筑幕墙时，部分设计者会选择具有整体美观效果的玻璃幕墙。虽然玻璃具有较高的传热系数，但是如果不能有效地处理建筑幕墙的室内热量传递，会造成能源浪费，导致整个建筑的热能损耗增加。建筑幕墙层间传热系数会受幕墙的透射率和反射率影响。建筑幕墙的透射率和反射率的测量对象都是可见光，在太阳光中，大约有50%是可见光，43%是红外线，7%是紫外线，太阳光的热量很大一部分集中在红外波段。

建筑幕墙的透射率是指光线穿过幕墙的比率，数值越大，说明光线透过玻璃窗的比率越大，反射率与透射率成反比，透射率数值越小，则反射率数值越大，幕墙的遮蔽效果也就越好。通常情况下，透射率越大，传热系数越高，其所能造成的实际热损失也越大，影响建筑的保温效果。

以普通的6 mm单片白玻璃为例，其透射率约为85%，反射率约为7%，另外分别约有6%和2%的光线和热能会通过幕墙，向外或向内进行二次辐射和对流，其遮阳系数约为0.99，在ASHERA 标准条件下其传热系数分别为5.74（夏）和6.17（冬），保温隔热性能较差，会造成较大的热损失。由此可见，对于建筑幕墙而言，其材质会影响建筑的传热系数。例如，选择中空玻璃（厚度以12 mm 或以上为宜）可以有效提高玻璃型建筑幕墙热阻，减少室内外的热交换，从而降低空调能耗。

3 基于低碳节能理念的建筑幕墙的优化设计

本文以北京市某国际大厦（以下简称A 大厦）为例，结合北京市实行75%建筑节能标准的具体要求，从材料和技术2 方面，探究低碳节能理念下建筑幕墙优化设计，为该大厦的节能改造奠定基础[5]。

3.1 合理选择节能材料

3.1.1 合理选择绿色环保的节能玻璃材料

首先，选择新型特性的幕墙玻璃。随着建筑领域节能降碳要求以及建筑节能设计标准的提升，对具有绿色节能特性的建筑幕墙材料的需求愈发迫切，新型幕墙玻璃逐渐流入市场。因此，A 大厦在节能改造过程中，可以选择新型特性的幕墙玻璃，如新型聚光玻璃，利用聚甲基丙烯酸甲酯代替玻璃幕墙中的玻璃成分，集中大量的光和热，达到聚光效果，有效控制玻璃幕墙的传热系数，在解决玻璃幕墙能量损失的同时，提高太阳能利用率[6]。该玻璃幕墙既能满足日常的室内照明要求，又能将过剩的光和热收集起来用作其他用途，如紧急情况下的供电。

其次，选择中空节能的幕墙玻璃。中空玻璃的基本原理是利用玻璃的两层间隙，采用人工粘接的组合方式，将两层或三层玻璃粘到铝合金框架上，再抽出玻璃空隙内的空气，并在玻璃的中空结构中添加干燥剂或填充惰性气体，使玻璃幕墙具有高热工、高隔音的特性，可以显著改善幕墙结构的隔噪性能。在A 大厦节能改造过程中，工程设计人员可以根据公共建筑节能设计标准以及大厦的节能需求，选择不同厚度、不同层数、不同透射度、不同热工系数的玻璃幕墙，并适当改进建筑玻璃幕墙的热工系数、玻璃层次厚度、幕墙透射度、幕墙总层数等各项技术指标，从而有效提升幕墙使用过程中的灵活程度和稳定性。

最后，选择光电与镀膜的幕墙玻璃。光电与镀膜的幕墙玻璃通过收集自然光的光电效应而产生能量，可有效阻挡强光的直接照射，且不会对建筑内部的通风遮阳、保温隔热等效果造成直接影响，有效减少了建筑物的整体光污染强度。同时，可以增加建筑的艺术性，最大限度地提高了幕墙结构的美观度，兼具美感效应和绿色节能效应。

3.1.2 合理选择幕墙型材

低碳节能理念下，在建筑幕墙设计过程中，合理选择建筑幕墙框架材料是提高建筑绿色节能效果的重要手段。随着建材和科技的持续发展和创新，越来越多的新型节能环保材料被应用到建筑幕墙中，其中，就包括断热材料。因为断热材料具有密封性好、重量轻、蓄热性能、抗风性能好等特点，将断热材料应用于建筑幕墙中，能够有效地降低建筑的热能消耗。

为了使建筑幕墙达到更好的节能效果，在选择幕墙框架材料时，应根据当地的气候条件，综合考虑美观性、实用性、耐用性，使其在满足其硬度（承载力）、强度、稳定性等机械性能要求的前提下，还可以满足其美学和耐久性的需求。例如，选择铝合金绝热型材，拥有优良的机械性能和结构支撑能力，不仅能有效地抵御强风和幕墙自重，还可以阻挡热传递，减少能量的转换，从而满足了建筑幕墙的节能需要。

3.2 运用绿色节能技术

建筑幕墙设计中合理运用绿色节能技术，是践行低碳节能理念、保证施工材料和建筑物节能效果的基础。

3.2.1 通风技术

通风是影响幕墙建筑绿色特征的关键因素之一，它对建筑使用环境的健康、建筑能耗有重要影响。自然通风作为较传统的建筑节能方式，是实现零能耗零排放、减少热效应最有效的手段，也是提高建筑物内部空气质量的最根本途径。A 大厦在节能改造过程中，为了节省建筑能耗，设计人员需要将自然通风技术纳入考量，采用自然通风幕墙技术对建筑幕墙进行节能改造。以大厦所处的地理位置和气候条件为依据，并与风向特征相结合，运用科学合理的布局、排列、高低长短搭配，通过设置天井、导流板、天窗、捕风器、百叶玻璃幕墙及双层玻璃幕墙等，更好地利用自然风，达到自然通风的目的，从而获得最佳的节能效果。

3.2.2 幕墙采光节能技术

幕墙采光节能技术是指利用太阳能为建筑内部提供光线，使自然光线得到充分利用。传统幕墙结构设计中，设计人员往往会在幕墙上安装灯光，实现建筑采光照明，但是这种人工采光系统会产生大量的建筑冷负荷和建筑排放废热，与低碳环保的建筑幕墙设计思想相悖。因此，在A 大厦节能改造过程中，设计人员可以利用人工智能技术和自然采光技术设计智能幕墙采光系统，实现日照调节、取暖加热、智慧灯光等功能的集中控制[7]。

3.2.3 幕墙遮阳技术

遮阳技术是指利用合理的遮挡部件，如帆布篷、软百叶、竹帘、布帘、遮阳窗帘及防晒板等幕墙内置结构，防止太阳光直接照射到室内，从而降低日照辐射，使建筑室内维持在较为舒适的状态。对于A 大厦而言，建筑物有大面积透明幕墙，应用遮阳技术可以使幕墙的表面温度处于较低的状态，防止因日光直接照射而引起室内过热和二次光污染，实现建筑节能的要求。因此，可以应用遮阳节能幕墙技术，设计智慧遮阳节能幕墙系统，利用光照传感器感应外界光线强度，通过控制器控制电机启动，电机转动会带动太阳能电池板以及加强板组件转动，使其覆盖在幕墙本体的内部，实现遮阳功能。

3.3 优化幕墙构造方式

在建筑幕墙设计和施工过程中，绿色节能技术和材料的应用，优化了建筑幕墙的构造方式。太阳能光电幕墙、生态幕墙、双层动态的节能幕墙等已广泛应用于建筑幕墙设计中，有效降低了能量消耗，提高了建筑幕墙的节能效益。

3.3.1 太阳能光电幕墙

太阳能光电幕墙属于一种新型节能产品，集发电、隔音、安全、隔热以及装饰功能于一体，在保证外界新鲜空气不断流入的同时，实现对建筑内部有害气体的实时排放，且不会产生有害气体和噪音[8]。在A 大厦节能改造过程中，设计人员必须高度重视光电幕墙的应用，并与建筑设计的实际情况相结合，合理应用光电幕墙，大幅度降低建筑光照能耗，发挥光电幕墙的节能效果。为防止太阳能光电幕墙存在挠度强、控制难度大等问题，需要在规划设计时，参照边界支撑条件，借助专业软件进行精确计算，以保证太阳能光电幕墙设计的合理性。同时，如果想应用太阳能光电幕墙，需设计人员使用密封胶对幕墙的连接处适当处理，确保幕墙的密封性。

3.3.2 生态幕墙

一方面，将建筑物与植物相结合，进行建筑幕墙设计，不仅可以满足人们对建筑的使用需求，还有助于实现人与自然之间的和谐共处，提升建筑幕墙的生态节能效果，有效推动区域内生态环境的可持续发展。在此过程中，设计人员需要对建筑幕墙周围的生态环境形成全面的认识，从而科学合理地选择建材和植物，合理布局建筑幕墙空间结构，使之与周边的生态环境相匹配，在减少建筑能耗的前提下，还能保护生态环境的良性发展。

另一方面，用绿色环保技术构建交互式的幕墙结构体系，平衡建筑幕墙与周围生态环境，实现建筑幕墙的主动式节能减排。在此基础上，A 大厦在节能改造过程中，可用仿生技术，如参照深圳市大浪时尚创意城的幕墙造型设计，用钢框架玻璃幕墙、点式拉索玻璃幕墙、全玻璃幕墙、玻璃采光顶、异形窗花格栅及玻璃楼梯等多样化幕墙系统，将绿色植物的色彩、形态、结构融入生态幕墙设计中，对自然生命形态和物质形式进行仿生学再创造，构造仿生生态建筑幕墙，探索适宜工作和生活的可持续环境。

3.3.3 双层动态节能幕墙

工程设计人员在设计和构造双层动态节能幕墙的过程中，需要借助智能化建造技术，在两层幕墙的间隔夹层中填充惰性气体，并安装温度变化与光线变化的自动探测装置。一方面，使其可以在酷暑天气，利用热风管的物理作用，将室外热风及时排出，达到室内降温的目的；另一方面，当外部温度降低时，幕墙内表层结构将起到保温供热的作用，从而降低建筑物空调等常规采暖装置的能耗。

在设计双层动态的节能幕墙时，可以根据建筑物周围的建筑风格，适当地选用平面光滑、外观形态完整的石材幕墙，更能烘托出建筑整体的外观结构美感。同时，石材幕墙具有结构性能优良、体积大等特点，在绿色节能方面具有明显的优势，可有效缩短建筑用石的施工周期，并带来良好的视觉体验。但是，在设计和构造双层动态节能石材幕墙过程中，需要对幕墙石材的采购进行严格的全面质量检测，防止买到不合格的幕墙石料。同时，还需要检验胶体材料的可靠性和安全性，保证其具有良好的密封性能和防火性能。

4 结语

在“双碳”背景下，加强建筑幕墙的优化与创新，可以提高建筑的视觉表现力，同时也是降低建筑能耗的重要因素。如何在建筑幕墙设计中传递绿色意识、践行低碳节能理念，是当前建筑幕墙设计工作的重要方向。设计人员应结合建筑幕墙设计实践和影响建筑幕墙热耗的主要因素，从技术、材料、构造方式等方面出发，通过合理选择节能材料、积极运用绿色节能技术、不断优化幕墙构造方式，达到提升建筑能效水平的目的。