1、我國能源及建筑能耗現(xiàn)狀
能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，關(guān)系到社會正常運(yùn)行和發(fā)展。我國目前處于城市建設(shè)高峰期，促使了建筑業(yè)的飛速發(fā)展，由此也造成了大量的能源消耗。北方城鎮(zhèn)建筑的單位面積采暖平均能耗，約為北歐同緯度條件下建筑采暖能耗的3倍。而且我國節(jié)能建筑少，缺乏建筑節(jié)能意識，已建成的既有建筑中95%以上屬于高能耗建筑，普遍存在著圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能差，采暖系統(tǒng)熱效率差等問題，建筑節(jié)能勢在必行[1]。
現(xiàn)如今，越來越多的城市建筑都采用玻璃幕墻作為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，它帶來通透明亮、立面美觀的視覺效果的同時，也帶來了高能耗、光污染以及隔熱性差等問題。尤其玻璃作為透明材料，有很強(qiáng)的熱傳導(dǎo)性，其能耗占建筑總能耗的比例較大。因此，設(shè)計(jì)出更加節(jié)能的玻璃幕墻，是解決圍護(hù)結(jié)構(gòu)高能耗問題的一條重要途徑。
2、嚴(yán)寒地區(qū)節(jié)能設(shè)計(jì)要求
我國嚴(yán)寒地區(qū)主要指東北、內(nèi)蒙古和西部部分地區(qū)(最冷月平均溫度≤-10℃，日平均氣溫≤5℃的天數(shù)不少于145天)。由于該類地區(qū)采暖期室內(nèi)外溫差傳熱的熱量損失占主導(dǎo)地位，因此必須滿足冬季保溫要求，一般可不考慮夏季防熱[2]。建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的好壞，直接影響到室內(nèi)環(huán)境及建筑能耗，為實(shí)現(xiàn)建筑采暖能耗降低65%的節(jié)能目標(biāo)，所有建筑設(shè)計(jì)必須按此標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，并且實(shí)際運(yùn)維期也要滿足此能耗要求[3]。
國家標(biāo)準(zhǔn)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015(以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)在嚴(yán)寒地區(qū)給出了更加深入合理的設(shè)計(jì)要求：首先，《標(biāo)準(zhǔn)》中對嚴(yán)寒地區(qū)甲類公共建筑各單一立面窗（詞條“窗”由行業(yè)大百科提供）墻面積比(包括透光幕墻)提出了要求，要求各立面均不宜大于0.60，嚴(yán)于其他類地區(qū)的0.70;對于外門（詞條“門”由行業(yè)大百科提供）門斗，《標(biāo)準(zhǔn)》中要求嚴(yán)寒地區(qū)全部設(shè)置，而其他類地區(qū)可部分設(shè)置或采取其他方式代替;此外，《標(biāo)準(zhǔn)》對嚴(yán)寒A、B區(qū)和C區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)（詞條“傳熱系數(shù)”由行業(yè)大百科提供）也按部位分別制定了限值，詳見表1和表2[4]：
表1嚴(yán)寒A、B 區(qū)公共建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能限值
表2 嚴(yán)寒C 區(qū)公共建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能限值
3、影響嚴(yán)寒地區(qū)玻璃幕墻保溫性能的主要因素
3.1玻璃面板造成的熱損耗
現(xiàn)代建筑中，大面積的采光玻璃應(yīng)用十分廣泛，但建筑用玻璃的傳熱系數(shù)比磚體結(jié)構(gòu)墻壁要高很多，冬季室內(nèi)的熱量在玻璃上通過熱傳導(dǎo)、對流和輻射傳到室外，從而導(dǎo)致建筑物的熱損耗增加。圖1是利用紅外熱像儀觀測到的某座建筑的紅外熱分布圖，從圖中可以看出采光玻璃處是熱損耗的主要部位。
玻璃的節(jié)能主要是通過熱工性能、玻璃層數(shù)、中空玻璃的隔離層、中空層的介質(zhì)、中空層間隔框的材質(zhì)、中空層間隔框的密封等因素來實(shí)現(xiàn)阻隔冷熱空氣的熱傳導(dǎo)或熱對流。目前已應(yīng)用到生產(chǎn)、生活中的中空玻璃是對其熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對流三種方式的能量傳遞過程進(jìn)行控制，有一定的節(jié)能保溫作用。而低輻射玻璃(Low-E玻璃)具有較大的日光透過率和很小的紅外反射系數(shù)（詞條“反射系數(shù)”由行業(yè)大百科提供），可以有效阻止熱量通過玻璃散失，并且不影響玻璃的采光性能、無光污染[5]。
3.2 鋁合金邊框材料造成的熱損耗
幕墻的鋁合金（詞條“合金”由行業(yè)大百科提供）邊框一般占圍護(hù)結(jié)構(gòu)總面積的10%-25%，它對熱量的傳導(dǎo)同樣對建筑物的保溫性能起重要作用，一旦處理不當(dāng)，形成“冷橋”，造成的熱損耗更大，甚至?xí)霈F(xiàn)結(jié)露（詞條“結(jié)露”由行業(yè)大百科提供）、結(jié)冰現(xiàn)象。邊框的節(jié)能主要由框的材料、導(dǎo)熱系數(shù)、框的腔體構(gòu)成、斷熱設(shè)計(jì)等因素決定。
3.3幕墻板塊間及周邊縫隙形成空氣滲透進(jìn)行的熱交換
室內(nèi)外溫差和壓差的存在，導(dǎo)致空氣通過板塊間及周邊縫隙進(jìn)行滲透，同時進(jìn)行熱交換。雖然在幕墻設(shè)計(jì)階段，這些縫隙都會用三元乙丙膠條、硅酮密封膠等材料進(jìn)行密封，但施工階段很難做到萬無一失，而且建筑物使用階段的溫度變形、沉降變形等因素還可能會加大此縫隙的滲透影響。
3.4 門、窗開啟部位的氣密性能
門、窗開啟部位的重要功能是通風(fēng)換氣，這就要求既要保證其開啟靈活，又要保證關(guān)閉后密閉無滲漏。而在嚴(yán)寒地區(qū)，影響門、窗保溫性能主要取決于傳熱系數(shù)K值和氣密性能等級。開啟部位的氣密性則是影響整體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性能關(guān)鍵部位，既要保證開啟部位與邊框配合結(jié)構(gòu)的合理性，還要保證其密封的有效性。圖2是利用紅外熱像儀檢測門的氣密性能。
4、圣彼得堡某幕墻工程節(jié)能設(shè)計(jì)
現(xiàn)階段我國提高玻璃幕墻節(jié)能的主要措施尚停留在消極設(shè)防的階段，主要是采用鍍膜玻璃、Low-E玻璃、熱反射玻璃、中空玻璃及隔熱斷橋鋁型材（詞條“型材”由行業(yè)大百科提供）降低結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、消除結(jié)構(gòu)體系熱橋、降低空氣滲透熱損失、減少開啟窗扇面積、提高其密封性等。顯然，對于嚴(yán)寒地區(qū)，僅僅依靠以上傳統(tǒng)方法很難達(dá)到外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能要求。因此，本文對俄羅斯圣彼得堡事某幕墻工程的保溫節(jié)能做法進(jìn)行剖析，挑出其設(shè)計(jì)亮點(diǎn)，供廣大幕墻愛好者參考。
4.1玻璃的選取
圣彼得堡是俄羅斯第二大城市，冬季最冷五天的平均溫度達(dá)到-26℃，室內(nèi)外溫差在50℃以上。該幕墻工程為單元式，建筑高度83.4m，幕墻面積15300m2，詳見圖3。考慮到圣彼得堡市特殊的氣候因素，該項(xiàng)目選取自AGC的遮陽型低輻射三玻雙腔中空玻璃(自室外向室內(nèi)：10mm厚LOW-E鋼化玻璃（詞條“鋼化玻璃”由行業(yè)大百科提供）+12mm氬氣層+6mm半鋼化玻璃+12mm氬氣層+8mm半鋼化玻璃，詳見圖4)。此三玻兩腔中空玻璃主要在以下幾方面實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果：
4.11 玻璃厚度
基片玻璃是組成中空玻璃的主要材料，玻璃厚度與玻璃熱阻的乘積和中空玻璃的傳熱系數(shù)有著直接的聯(lián)系，當(dāng)玻璃厚度增加時，必然會增大該片玻璃對熱量傳遞的阻擋能力，從而降低整個中空玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)。三片基片玻璃的組合可以近似看成是厚度的累加，即總厚度共計(jì)24mm。
4.12 氣體空腔厚度
通過氣體空腔厚度的控制，使中空玻璃內(nèi)部形成紊態(tài)氣流的傳熱，使其上升與下降的氣流互相干擾來控制產(chǎn)生對流傳熱。氣體空腔厚度與傳熱系數(shù)的大小有直接關(guān)系，在相同條件下，氣體層越大，傳熱阻越大。需要注意的是，氣體層的厚度達(dá)到一定程度后(19mm左右)，傳熱阻的增長率就很小了，因?yàn)榇藭r氣體在玻璃之間溫差的作用下會產(chǎn)生一定的對流過程，從而減低了氣體層增厚的作用。因此，雙重考慮下，確定了12mm厚的氣體腔。
4.13 中空腔充入氬氣并保證充氣量(填充量≥90%)
由于充入中空腔的氬氣屬于惰性氣體，導(dǎo)熱系數(shù)低(空氣0.024W/m2·K，氬氣0.016W/m2·K)，可以提高玻璃的隔熱、隔聲性能。
4.14 遮陽型低輻射玻璃
低輻射膜具有較大的日光透過率和很小的紅外反射系數(shù)，可讓80%可見光通過玻璃進(jìn)入室內(nèi)，又能將90%以上的太陽光中或室內(nèi)物體輻射的紅外線反射掉，有效阻止熱量通過玻璃散失，節(jié)能效果達(dá)75%以上，并且不影響玻璃的采光性能、無光污染。而遮陽型低輻射玻璃采用獨(dú)特的熱噴射鍍膜技術(shù)制作而成，除本身具有低輻射性能外，它還具有控制陽光的性能，節(jié)能效果更佳。
4.2 邊框的設(shè)計(jì)
鋁合金邊框雖然不是主要的傳熱途徑，但一旦處理不好而出現(xiàn)“冷橋”，將會有大量的熱損失，并且一定會在室內(nèi)結(jié)露，形成冷凝水。該項(xiàng)目選取自國內(nèi)某知名廠家的6063A-T5/T6鋁型材。斷熱處理是邊框設(shè)計(jì)的重中之重，如圖5設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)所示：采用了穿條式的大截面斷熱條(雙道)，即保證了斷熱功能，又滿足了強(qiáng)度要求。除此之外，公框與母框插接部位采用多道EPDM膠條，形成多個等壓腔，解決水密問題。在玻璃和鋁型材邊框的聯(lián)合作用下，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能得以滿足，且不會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，見圖6模擬的熱工性能。
4.3板塊密封處理
該工程的單元式幕墻（詞條“單元式幕墻”由行業(yè)大百科提供）作為一種面板式結(jié)構(gòu)，上、下、左、右四個邊框分別與鄰近板塊的對應(yīng)邊框之間采用插接結(jié)構(gòu)，在外加荷載（詞條“荷載”由行業(yè)大百科提供）時能同時變形、協(xié)同受力，插接面同時設(shè)計(jì)有三道密封膠條來確保相鄰兩個板塊之間的密封。三道膠條形成三道密封線，即塵密線、水密線、氣密線。塵密線用來阻擋灰塵及大部分的雨水;水密線和等壓腔聯(lián)合作用，起到阻水、排水的作用;氣密線用來阻止空氣的滲透。三道密封線依靠三元乙丙膠條自身的彈性，均能起到阻止空氣滲漏的功能，確保室內(nèi)、室外空氣隔絕，阻止了熱交換。
4.4門、窗保溫的處理
門窗邊框和扇框采用常規(guī)的斷熱處理外，在兩條斷熱條內(nèi)填充聚氨酯發(fā)泡劑，它是一種將聚氨酯預(yù)聚物﹑發(fā)泡劑（詞條“發(fā)泡劑”由行業(yè)大百科提供）﹑催化劑等組分裝填于耐壓氣霧罐中的特殊聚氨酯產(chǎn)品。當(dāng)物料從氣霧罐中噴出時，沫狀的聚氨酯物料會迅速膨脹并與空氣或接觸到的基體（詞條“基體”由行業(yè)大百科提供）中的水分發(fā)生固化反應(yīng)形成泡沫。具有填縫﹑粘結(jié)﹑密封﹑隔熱﹑吸音等多種效果，是一種環(huán)保節(jié)能﹑使用方便的建筑材料。用在此處，可提高鋁合金框的隔熱性能，從而提高整扇門、窗的隔熱性能。此外，在邊框、扇框型材的空腔內(nèi)，塞入保溫巖棉，也同樣起到了隔熱、吸音的作用。
5、結(jié)語
現(xiàn)在很多人認(rèn)為使用玻璃幕墻的建筑就是高耗能建筑，這樣的結(jié)論是毫無根據(jù)的，國家也從未叫停玻璃幕墻。在幕墻設(shè)計(jì)階段，只要合理進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用合適的玻璃和構(gòu)造，嚴(yán)格遵照節(jié)能設(shè)計(jì)要求，建筑的熱工性能完全可以達(dá)到《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。本文針對圣彼得堡某幕墻工程對保溫節(jié)能的做法進(jìn)行了剖析，對我國嚴(yán)寒地區(qū)幕墻設(shè)計(jì)有一定參考價值。
雖然玻璃幕墻的很多方面都會受到經(jīng)濟(jì)條件的制約，業(yè)主的選擇通常起著決定性作用。但即便如此，幕墻設(shè)計(jì)師（詞條“幕墻設(shè)計(jì)師”由行業(yè)大百科提供）也要從專業(yè)角度提出合理的建議，以使幕墻在外視效果和功能性等方面都達(dá)到最佳。此外，幕墻設(shè)計(jì)師還應(yīng)該轉(zhuǎn)變原有的設(shè)計(jì)理念：變被動為主動，首先進(jìn)行玻璃幕墻的熱工設(shè)計(jì)，追求設(shè)計(jì)功能的主動性和積極性，變被動設(shè)防為主動利用能源的設(shè)計(jì)思想。
參考文獻(xiàn)：
[1] 熊建明.玻璃幕墻建筑節(jié)能技術(shù)分析及其經(jīng)濟(jì)評價[J].新型建筑材料.2000(9):15～17
[2] GB 50176-2016,民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國建筑工業(yè)出版社,北京.2016
[3] 趙長春.幕墻保溫與節(jié)能淺析[J].房材與應(yīng)用.2005(2).32
[4] GB 50189-2015, 公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].中國建筑工業(yè)出版社,北京.2015
[5] 張雄, 張永娟等.現(xiàn)代建筑功能材料[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.160～170
