建筑幕墙超低能耗技术发展路线解析

　　本篇文章内容由[中国幕墙网ALwindoor.com]编辑部整理发布：

　　摘要：超低能耗建筑的推广是推动国家节能减排落地的重要措施，幕墙作为建筑的表皮，对于超低能耗建筑的实现至关重要。通过提高外围护性能、采光（词条“采光”由行业大百科提供）、通风等被动式技术和光伏建筑一体化等主动化技术，与建筑其它专业结合，能够最终实现整体建筑超低能耗的目标。

　　关键词：超低能耗、被动式、光伏

　　1.什么是超低能耗建筑

　　建筑是人类为了适应室外恶劣的生活环境，为自己创造的舒适空间。建筑从最早的穴居、巢居到后来的木骨泥墙建筑、干阑式建筑最终发展成为目前现代化的大楼大厦。人类对居住品质的要求越来越高，例如近些年出现的恒温、恒湿、恒氧的环境要求。为了实现更高的居住品质，人类越来越依赖于空调、地暖等通过消耗能量来控制室内环境的措施。

　　能源的消耗伴随着环境的破坏、碳排放的增加，为了人类的可持续发展，降低建筑能耗是建筑技术发展的必然选择。超低能耗建筑就是在这个基础上被提出来的。超低能耗建筑是指新建建筑年能耗相比按照国家节能标准建造的建筑节能50%以上的建筑。

　　超低能耗建筑适应建筑当地气候特征和场地条件，通过被动式建筑设计最大幅度降低建筑供暖（词条“供暖”由行业大百科提供）、空调、照明需求，通过主动技术措施最大幅度提高能源设备（词条“设备”由行业大百科提供）与系统效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒适的室内环境。

　　中国超低能耗建筑理念的提出是基于德国被动房的技术理念，从2010年开始进行逐步试点，最早是在严寒和寒冷地区，后逐步扩展到全国。从2010年开始，是我国超低能耗试点、政策发布、规范完善的阶段。在标准方面，住房和城乡建设部分别在2015年和2020年发布《被动式超低能耗绿色建筑技术导则》和《近零能耗建筑技术标准》。在政策措施方面，2017年，住房和城乡建设部印发了《建筑节能与绿色建筑“十三五”专项规划》，将发展超低能耗建筑作为了重点工程，提出到2020年全国建设超低能耗、近零能耗建筑示范项目1000万平方米以上。2022年3月11日，印发《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划的通知》，要求到2025年，建设超低能耗、近零能耗建筑0.5亿平方米以上。

　　上海市政府在2022年7月8日，印发《上海市碳达峰实施方案》，明确提出到2030年，全市新建民用建筑全面执行超低能耗建筑标准。在政策实施方面，2019年3月12日，上海市住房和城乡建设管理委员会印发由华东院参与主编的《上海市超低能耗建筑技术导则》。2022年11月9日，印发《关于加强超低能耗建筑项目管理的相关规定》，使上海在超低能耗方面走在了全国的前列。

　　2.幕墙与超低能耗建筑

　　幕墙是建筑的表皮，是建筑的衣服，合适的衣服能够保证人体的舒适，合适的幕墙系统同样能够保证室内环境的舒适。和衣服可以随时更换不同，建筑的表皮需要适应一年四季不同室外环境，需要根据所在地的气候特点设计有针对性的幕墙表皮。

　　降低室内和室外能量的传递，是实现超低能耗建筑的重要措施。

　　辐射、对流和传导是能量传递的三种方式。对于透明幕墙部分，能量的传递包括以辐射形式传递的太阳能和因为室内室外温差而以对流和传导方式传递的能量。非透明幕墙能量的传递是以对流和传导的形式存在的。

　　同时合理的采光、通风，对于提高建筑的舒适性，降低能耗，也具有重要的作用。

　　如果将以上措施比喻为节流，则开源对于超低能耗的时间也尤为重要，以光伏建筑一体化为代表的主动式措施也是重要的降低能耗的技术手段。

　　3.幕墙超低能耗系统的设计关注点

　　幕墙超低能耗的实现遵循以被动式技术为主，主动式技术为辅的原则。

　　3.1 被动式幕墙技术

　　3.1.1减少太阳辐射的措施

　　(1)外立面遮阳

　　对于中国大部分地区，夏季隔热都是需要主要考虑的因素。建筑本身通过不同朝向的立面自带的遮阳系统，能够有效减少太阳的辐射能量。

　　以佛山某项目为例，无遮阳和有遮阳情况下建筑受到的辐射量对比。

表1：建筑收到的太阳辐射量对比

　　目前成熟的建筑遮阳系统包括建筑外遮阳、建筑内遮阳、中空玻璃遮阳等。其中建筑外遮阳效果优于建筑内遮阳。

　　同时外侧的遮阳可以采用电动遮阳系统，配合传感器等控制系统，可以实现电动遮阳百叶根据建筑物所在的地理位置、季节及当前时间，结合感应器采集的数据，通过智能分析，自动控制遮阳百叶的角度，保证最佳的遮阳效果。

　　同时目前也出现了智能调光玻璃（词条“智能调光玻璃”由行业大百科提供），调光玻璃是通过在两层玻璃之间设置一层液晶膜（PDLC，染料液晶，悬浮粒子，EC），通过通电和断电及电压的高低变化，控制液晶的排列，电压越高，液晶排列月整齐，对应的透光率越高。

　　(2)关于表皮材料吸热的控制

　　深色材料相比浅色材料，吸热会大大增加，在夏季比较长的地区，应避免采用深色建筑墙面。同时可以考虑采用绿植屋面或墙面，在提高美观性的同时，能够大大减少太阳辐射。

　　3.1.2 外立面采光

　　在兼顾保温（词条“保温”由行业大百科提供）隔热的基础上，增加透明部位的面积比例，如公共建筑单面采光时，窗墙比可提高到0.35.同时控制玻璃的参数，采用高透光的玻璃，保证建筑的采光效果，减少采光引起的能源消耗。

　　3.1.3 建筑的自然通风

　　自然通风是利用室外风力造成的风压和室内外空气温度差造成的热压，促使空气流动，使得建筑室内外空气交换。自然通风能够通过空气流动，带走室内的热量和湿气，提高室内人员的舒适性。

　　自然通风开启扇应争取满足穿堂风形成的要求，尽可能增加开启面积，加大室内流速。进风口应该设置在当地夏季主导风向一侧，以便能够最大限度、最长时间地使用自然通风。排风口应尽量靠近有害物源或有害物浓度高的区域，能把有害物迅速地从室内排除。

　　对于玻璃幕墙产品，上悬窗（词条“上悬窗”由行业大百科提供）是目前的主流开启方式，内开窗因为外侧大的边框，在幕墙产品中应用很少。外平开及平推窗等因为安全原因，在特定条件下和一些地方规范中被限制使用。同时通风器和隐藏式开启也越来越多的应用在幕墙通风中，对于保证建筑的立面效果的完整有很好的效果。

　　3.1.4 高性能外围护结构（词条“围护结构”由行业大百科提供）

　　作为高性能外围护结构，需要能够有效的隔绝热量，其中保温性能和气密性能是能量隔绝过程中最重要的因素。

　　(1)非透明部位保温性能保证措施

　　非透明幕墙的保温相对比较简单，基本是在实体墙上进行保温材料的铺设，保温材料的设置需要考虑以下几个因素。

　　①连续保温线的设计理念

　　保温材料与透明幕墙、女儿墙等交接部位是保温的薄弱环节，要采用保温线的设计理念，确保保温材料的连续。宜采用单层保温，锁扣（词条“锁扣”由行业大百科提供）方式连接，采用双层保温时，应采用错缝粘接（词条“粘接”由行业大百科提供）方式。墙角处宜采用成型保温构建。

　　②穿透保温层的冷桥的处理

　　转接件等穿过保温棉的部位会形成冷桥，经过热工软件建模分析，单个转接件形成的冷桥相比没有转接件的部位，能量损失在10%以上。

　　避免冷桥有如下措施：

　　采用槽式埋件（词条“埋件”由行业大百科提供），转接件和埋件之间增加隔热垫块。

　　立柱和转接件之间设置隔热垫块

　　采用保温棉将转接件外露部分进行包覆

　　最终节点样式如下：

　　③保温耐候性能的保证

　　避免保温材料收潮湿引起的保温效果的降低。幕墙在透明部位和非透明部位交接部位，需要进行完全的可靠的封闭，避免室内水汽进入。

　　对于窗系统，窗四周应在室内和室外分别设置防水隔气材料和防水透气材料，避免窗框四周进水引起的保温性能的降低。

　　(2)透明部位保温性能保证措施

　　透明部位隔热性能主要由以下因素控制

　　①玻璃分格的大小

　　正常情况下，玻璃的分格越大，整体幕墙的热工性能越好，应在条件允许的情况下，减少幕墙的分格。

　　②玻璃的配置

　　玻璃的热工性能受很多因素隐形，中空层、镀膜、间隔条等都会影响玻璃最终的热工性能。要实现超低能耗，玻璃的配置需要考虑多中空、三银LOW-E、充氩气、暖边间隔条、真空玻璃等多种措施的组合。目前已经有成熟的玻璃产品，可以将玻璃的传热系数降低到0.42W/㎡.K。

　　③框的热工性能

　　框是热工的薄弱环节，框的整体热工性能的提高需要系统性的设计。采用保温线的设计理念，避免出现冷桥是设计的基本思路。目前常规的采用普通隔热条的系统已经很难满足超低能耗的要求，在幕墙构造方面需要特殊考虑，如采用玻纤增强聚氨酯型材（词条“型材”由行业大百科提供）等。

　　(3)气密性能保证措施

　　气密性能表示幕墙在关闭状态下，建筑表皮的密封性能。密封性能好，能够减少内外空气的流动，避免不必要的能量损耗。建筑的气密性要求室内外正负压差50Pa的条件下，每小时换气次数不超过1次。

　　提高幕墙的气密性，有如下措施;

　　①密封材料的选择

　　密封胶、胶条、毛条是幕墙中常见的密封材料，其中密封胶的密封效果最好，胶条的密封效果次之，毛条的密封效果最差。应该避免使用采用毛条密封的系统，比如推拉窗（词条“推拉窗”由行业大百科提供）系统等。

　　②多道密封措施的组合

　　单道胶条的密封效果不好，可以配合密封胶等措施提高密封性能，比如明框幕墙等。对于开启扇部位，多道密封胶条能够有效提高密封性能。

　　③合理的系统设计

　　以单元幕墙为例，正常会设置三道密封措施，形成尘密封、水密封、气密封三道密封。气密性主要依靠最内侧一道胶条进行密封。保证密封的连续，同时保证胶条适当的压紧，都能够有效提高系统的密封性能。

　　3.2 主动式幕墙技术-光伏建筑一体化

　　光伏建筑一体化是将光伏板作为建筑材料，固定（词条“固定”由行业大百科提供）在建筑表皮上，产生电能，用于本建筑自身的电力消耗的新技术。怎样将光伏完美融入建筑，在保证建筑使用功能和美观性的前提下最大限度的产生电能是目前光伏建筑一体化要努力的方向。

　　光伏建筑一体化不是简单的将光伏板安装到建筑立面，需要在以下方面进行重点考虑。

　　3.2.1 针对光伏的建筑方案设计

　　光伏对建筑的朝向，倾角等都有特殊的要求，比如上海地区最佳倾角为22°。在建筑方案阶段就需要针对光伏系统的位置及建筑形体进行针对性的考虑。

　　3.2.2 光伏产品的选择

　　光伏建筑一体化相比于设置在屋顶上的独立的光伏板，其定制化属性更强，光伏产品需要针对建筑的特点进行尺寸、形式等的定制。传统的单晶硅产品已经很难满足建筑的需求，目前有越来越多的新型光伏产品出现，比如模拟砖墙、瓦的新型光伏产品、采用薄膜电池的光伏产品等。

　　还有一些产品和传统的建筑材料进行了结合，比如光伏U玻等。

　　3.2.3 光伏与幕墙系统的融合

　　光伏面板可以采用和幕墙类似的连接方式。其加工组装可以在幕墙单位的工厂内完成。幕墙的立柱和横梁需要为光伏系统预留用于光伏管线的空腔。

　　4.对未来超低能耗幕墙技术的展望

　　近些年，被动房、零能耗建筑等概念被提出，并在特定的建筑中得到了实现，相信随着各项技术的成熟和大的市场的驱动，会使超低能耗技术得到长足的发展。

　　如果我们对未来进行展望，超低能耗幕墙技术会产生哪些突破呢?

　　4.1智慧化幕墙

　　幕墙是建筑的衣服，区别于人类的衣服可以根据外界环境来选择不同的衣服，幕墙不具备随意更换性。相信未来的幕墙将可根据建筑整体的需要调整自身的采光、通风，调整窗墙比等因素，使幕墙最大程度的节能。

　　4.2光伏技术的突破

　　区别于目前光伏材料的局限性，未来光伏将渗透到幕墙的方方面面，光伏将有望实现对建筑的全包覆，最终作为建筑可发电的皮肤，成为智慧化建筑重要的组成部分。光伏和幕墙的结合将更加简单和高效。

　　4.3替代玻璃的新型智能材料

　　很长时间以来，玻璃是透明部位的几乎唯一选择，因为玻璃的脆性特性及安装固定的需要，玻璃一般和铝型材（词条“铝型材”由行业大百科提供），胶条等材料组合使用，来构成目前传统的门窗幕墙系统。相信随着科技的发展，会出现更加新型的透明建筑材料，有类似皮肤的属性，可以自动调节室内室外的空气流通，不需要开窗。且该材料有几乎绝热的属性，能够有效的控制室内室外的能量传递。

　　5.结语

　　人类的发展离不开能源，除了不断寻求更加绿色的能源，降低不必要的能源消耗也是保证人类可持续发展的必要手段。建筑的能源消耗占据了人类能源消耗的一大半，绿色建筑的发展刻不容缓，这依赖于建筑行业所有同仁的共同努力。超低能耗是人类在节能减排方面的重要尝试。作为幕墙设计师，我们要紧跟潮流，努力研发更加符合社会需求的绿色环保的幕墙产品，为人类的可持续发展做出自己的贡献。

　　参考文献：

　　【1】李殿起、魏梦举 超低能耗建筑中的幕墙连接结构传热分析及优化探索《建设科技》,2021年.08期

作者单位：华东建筑设计研究院有限公司