清华大学超低能耗示范楼建筑幕墙技术

　　摘 要：2005年3月22日，我国首座超低能耗示范楼在清华大学落成，该项目集多种建筑新技术新材料于一体。仅建筑外围护结构的门窗幕墙系统中就采用了双层幕墙系统、遮阳百叶系统、光电幕墙系统、高保温性能铝合金门窗系统、真空玻璃、双中空双Low-E等新技术新材料。文章对该项目建筑幕墙系统进行了介绍，可供大家对低能耗示范楼有所了解，同时供相关技术人员在进行建筑幕墙的设计时参考。

　　一、前言

　　由中国工程院院士、清华大学江亿教授主持设计的我国首座超低能耗示范楼于去年三月在北京清华大学落成，作为2008年奥运建筑的“前期示范工程”，它集中体现了“科技奥运、绿色奥运”的理念。示范楼内集中展示了近百项国内外最先进的建筑节能技术产品，是我国第一个集示范、展示、试验等功能于一体的绿色建筑，这座超低能耗示范楼采用多种性能优异的幕墙系统和能源空调系统，冬季可基本实现零采暖能耗，夏季空调耗能量仅为常规建筑的10%。

　　二、超低能耗示范楼综合介绍

　　超低能耗建筑是指在围护结构、能源和设备系统、照明、智能控制、可再生能源利用等方面综合选用各项节能技术，能耗水平远低于常规建筑的建筑物。清华大学超低能耗示范楼主要运用了如下建筑节能新技术：

　　1、智能围护结构

　　超低能耗楼的外围护结构体系主要是针对可调控的智能型外围护结构进行研究，使其能够自动适应气候条件的变化和室内环境控制要求的变化。从采光、保温、隔热、通风、太阳能利用等进行综合分析，给出不同环境条件下的推荐形式。

　　示范楼选用了近十种不同的外围护结构做法，基本的热工性能要求为：透光体系部分(玻璃幕墙、保温门窗、采光顶)综合传热系数K<1W/(m².k)，太阳得热系数SHGC<0.5，非透光体系部分(保温墙体、屋面)传热系数K<0.3W/(m².k)。在设计阶段利用相关软件计算结果为冬季建筑物的平均热负荷仅为0.7W/m，最冷月的平均热负荷只有2.3W/m，如果考虑室内人员、灯光和设备等的发热量，基本可实行冬季零采暖能耗。夏季最热月整个围护结构的平均得热为5.2W/m。综合能耗相当于常规建筑的10%。

　　2、相变蓄热活动地板

　　冬季白天可蓄热存由玻璃幕墙和窗户进入室内的太阳辐射热，晚上材料相变向室内放出蓄存热量。

　　3、自然通风利用

　　利用热压通风和风压通风的结合。在楼梯间和走道设置通风井，负责热压通风。在幕墙上设开启扇，使室外空气在风压下流过建筑。

　　4、可再生能源系统

　　光电幕墙、太阳能空气集热器、太阳光采光技术。

　　5、景观型湿地技术

　　收集屋顶雨水，做到雨水资源化利用。

　　6、种植屋面技术

　　种植与北京气候相宜的植物，做到三季有花，四季有景。

　　三、建筑幕墙设计介绍

　　清华大学超低能耗示范楼外装饰工程主要采用了窄通道内循环双层玻璃幕墙、窄通道外循环双层玻璃幕墙、宽通道外循环双层玻璃幕墙、横向及竖向外遮阳铝合金百叶系统、真空玻璃幕墙、光电幕墙、复合铝板幕墙等节能及智能幕墙技术。

　　1、双层幕墙

　　目前，国内的通风式双层幕墙类型较多，但归纳起来主要可分为两类：一是按通风道宽度不同分为宽通道式和窄通道式。一般我们将通风道宽度可供人进入进行维护和保养的归为宽通道式，将通风道宽度设计不供人进入的归为窄通道式。二是按通风道内空气的循环方式分为外循环式、内循环式和混合循环式。外循环式是指外层幕墙设进、出通风口，通过外层幕墙完成通风、换气，内层幕墙实现保温隔热功能；内循环式是指外层幕墙实现保温隔热功能，内层幕墙设进、出风口，完成通风、换气；混合循环式是通过内外层幕墙上的进、出风口的不同开闭形式，实现在不同季节下的最优组合。

　　为了测试不同的双层幕墙系统的保温隔热性能，在清华大学超低能耗示范楼幕墙工程中，在不同的立面、不同的楼层采用了不同形式的通风式双层幕墙。

　　(1)窄通道内循环双层玻璃幕墙

　　示范楼南立面1～2轴的一、二层采用的是窄通道内循环双层玻璃幕墙。外层采用的是8+12A+10中空玻璃，内层为下悬开启的8mm厚单层玻璃，通道内设置50mm宽电动遮阳百叶。工作时，通过安装在通道顶部的排风管与室内空调系统相连接，在夏季开启空调时，利用室内的低温空气来冷却由于太阳辐射而造成过热的空气夹层。

　　参数：通道宽200mm；外层玻璃：8Low-E+12A+10mm钢化白玻；内层玻璃：8mm钢化白玻。夹层通风方式：机械通风；夹层设计通风量：20～60m³/(h.m立面宽)。

　　幕墙外侧设置有太阳辐射传感器以及照度传感器，通过实际的测量数据来控制通道内百叶的升降与旋转角度，同时通过通道内的温度传感器来控制通道的进风量，从而保证通道温度的范围。

　　(2)窄通道外循环双层玻璃幕墙

　　试验楼南立面1～2轴三、四层采用的是窄通道外循环双层玻璃幕墙。外层采用8mm单层玻璃，内层选用中空玻璃。外层上下横料设置通风口，通道内设置电动遮阳百叶，为加大通风量，在通道顶部设置机械通风器。为便于百叶的清洁在内层设置内开窗。在窗间墙的位置，外层采用的是光电幕墙。光电幕墙的发电直接给通道顶部的机械通风器供电。室外辐射越强，通道温度越高，与此同时光伏发电量也增加，风机的排风量也增加，从而降低通道内的温。

　　参数：通道宽110mm，外层玻璃：8mm钢化白玻；内层玻璃：8Low-E+18A+4+0.76pvb+4；电动百叶宽：25mm；通风方式：机械通风。夹层设计通风量：40m³/(h.m立面宽)

　　(3)宽通道外循环双层玻璃幕墙

　　示范楼东立面B～F轴采用了宽通道外循环双层幕墙，通风道宽度600mm。外层幕墙采用6mm厚透明钢化玻璃，设置进、出风口，进、出风口高度均为600mm高，采用电动开启，内层幕墙局部设置铝合金断热内平开窗，在双层幕墙间设置了50mm宽可调电动百叶，可上、下及旋转运动。在距进风口下每隔300mm设置两个200mm宽镜面不锈钢反光板，以弥补在内置遮阳百叶关闭的情况下可能对室内采光的不足了50mm宽可调电动百叶，可上、下及旋转运动。在距进风口下每隔300mm设置两个200mm宽镜面不锈钢反光板，以弥补在内置遮阳百叶关闭的情况下可能对室内采光的不足；内层幕墙采用4+9A+5+9A+4mm厚中空双Low-E玻璃，以保证整个幕墙的保温隔热要求。另外，为检测不同的通风高度对保温性能的影响，将B～C轴双层幕墙一至三层的通风道连通，结合每层进出风口开闭，实现不同通风高度的情况下对双层幕墙保温性能的影响。

　　参数：通道宽度600mm；外层玻璃：6mm厚钢化玻璃；内层玻璃：4+9A+5+9A+4mm双中空双Low-E玻璃；电动百叶打开方式：由下往上升并可调节角度；通风方式：自然通风。

　　2、高性能断热铝合金平开窗

　　断热铝合金门窗在国内特别是北方地区的建筑中已越来越普及，产品的保温性能也得到了很大的提高，传热系数K值已由几年前普通单层玻璃铝合金门窗的5.0～6.7W/m².K提高到现在的2.2～3.0W/m².K。但为满足示范楼工程超低能耗的要求，设计在传统断热铝合金窗的截面形式上做了较大的改进，将断热条的宽度增大到20mm，开启扇玻璃选用了5+6A+4+V+4+6A+5双中空加真空Low-E玻璃，充分利用双中空双Low-E与真空玻璃的保温特性，同时将玻璃与扇料的固定方式由明框改为隐框，减小窗框比，极大地提高了断热铝合金窗的美观性和整体保温性，经检测，传热系数达到1.6W/m².K，节能效果显著。

　　另外，玻璃与框的连接固定采用硅酮结构胶粘接，提高了窗扇的整体刚性，克服了开启扇由于双中空玻璃自重过大而可能引起的下坠现象。

　　3、外遮阳百叶系统

　　外遮阳百叶系统是近年来公共建筑为减少太阳辐射得热采用的一种新型外遮阳形式，在超低能耗示范楼的两个立面上均选用了外遮阳系统。

　　示范楼工程中所采用的外遮阳电动铝合金百叶系统，铝合金截面宽600mm，东立面采用了水平遮阳百叶和垂直遮阳百叶，南立面只采用了水平遮阳百叶，通过电动开窗机完成铝合金遮阳板的开启、关闭以及调节其开启角度。

　　水平遮阳百叶参数：长度5000mm，3000mm，(两种)；宽度600mm,间距590mm；百叶控制方式：每两层水平百叶由一个电动执行器控制开启，最大张角达135°。

　　垂直遮阳百叶参数：高度3700mm，宽度600mm，间距590mm；百叶控制方式：每两个柱间的百叶由一个电动执行器控制转角，最大转动角度为135°。

　　4、复合保温铝板幕墙

　　由于本工程要求非透明幕墙的传热系数K<0.3W/(m².k)，故北立面采用了复合保温铝板幕墙。复合保温铝板幕墙的面板采用3mm厚单层铝板内部填充50mm厚低导热率、高保温性能的硬质聚氨酯材料，铝板背面加装100mm厚玻璃保温棉层，同时，在面板与保温棉层间设有140mm宽的空气层，通过多种保温措施，极大地提高了铝板幕墙的整体保温性能，达到了技术要求。

　　四、建筑幕墙新技术及新材料的应用

　　1、双层幕墙与采光及温控的智能结合技术

　　双层幕墙在国内已有相当的应用，但大多只是停留在提高适内舒适度和建筑幕墙的保温性能上。清华大学示范楼的宽通道双层幕墙设计将采光板与室内遮阳有机地进行结合，从一定程度上解决了室内采光上的能源消耗，使建筑的用能向低能耗方向上迈进了一步。

　　宽通道幕墙的进出风口配置有开启电机和温控开关，可根据通道内的温度来调控进出风口的开启大小。

　　2、双层幕墙与光电幕墙的智能结合技术

　　光电幕墙的应用在示范楼中既作为窗间墙的外装饰，又作为窄通道幕墙小功率机械通风设备的电能来源。机械通风量的大小完全通过光电玻璃的瞬时转换电能的效率确定，得热多时也是光电玻璃转换电能大的时候，机械排风量也大。巧妙的设计，使双层幕墙的得热与散热（排风）得以和谐统一。

　　3、遮阳与采光的智能结合技术

　　建筑外遮阳系统的应用我们并不陌生，示范楼的百叶设置很好地将遮阳隔热、采光视野进行了结合。

　　水平遮阳的选择：在不同的太阳方位角与高度角状况下，遮阳构件产生的阴影区是不同的。通常水平遮阳构件适宜遮挡从上面射来的太阳光，因此，在低纬度地区或夏季，太阳的高度角很大，水平遮阳的效果比较好。示范楼的南立面与东南角选用了水平遮阳百叶系统。

　　垂直遮阳的选择：垂直遮阳的效果决定于太阳的方位角，它较适宜遮挡从侧面来的阳光，一般会影响视野，适合用于东西方向和北向。示范楼的东立面选用了部分的垂直遮阳百叶系统。

　　水平遮阳系统在冬季时，百叶打开(与玻璃面垂直)让尽可能多的太阳辐射进入室内，夏季通过控制不同位置百叶的张角，在满足室内采光的前提下，尽可能多地遮挡太阳辐射。垂直百叶冬季时，转动百叶使其与太阳光线平行，室内尽可能多地获得太阳光，夏季时，控制百叶尽可能遮挡太阳光的同时，利用光线的反射与散射供室内采光。

　　夏季时，晚上将百叶打开，利于室内散热；冬季时，晚上将百叶关上(与玻璃面平行)，利于室内的蓄热。

　　4、断热铝合金窗与隐框幕墙结合技术

　　为满足东立面室内自然通风的需要，在宽通道双层幕墙的内侧与垂直外遮阳百叶的内侧设计了铝合金内平开窗。为使东立面幕墙系统的传热系数K值控制在1.0 W/(m².K)，设计将隐框玻璃技术与断热窗技术进行了结合，取得了很好的视觉与很好的性能，本工程同类型窗经检测的K值达1.6W/m².K，较传统断热铝合金窗的保温性能有了较大的提高。

　　5、真空玻璃的应用技术

　　清华大学示范楼的幕墙工程中应用材料新技术是真空玻璃。

　　真空玻璃是将两片平板玻璃四周密闭起来，将其间隙抽成真空并密封排气孔，两片玻璃之问的间隙为0.1-0.2mm，真空玻璃的两片一般至少有一片是低辐射玻璃，这样就将通过真玻璃的传导、对流和辐射方式散失的热降到最低，其工作原理与玻璃保温瓶的保温隔热原理相同。据国家建筑工程质量监督检测中心提供的数据显示：真空玻璃的保温性能是中空玻璃的2倍，是单片玻璃的4倍。

　　真空玻璃良好的保温性能，在示范楼的幕墙工程设计中被提到日程上来。为克服目前4mm+真空+4mm厚真空玻璃的较低承受风荷载的能力，设计采用双中空玻璃的工艺，将真空玻璃放在双中空的中间，由与室内外空气接触的两片玻璃采用钢化玻璃承受正负风荷载。示范楼工程所用5mm钢化+6mm空气+4mmLow-E+V+4mm浮法+6mm空气+5mm钢化的双中空玻璃，其传热系数经计算为0.93W/(m².K)。

　　6、双中空双Low-E玻璃的应用

　　在示范楼的东立面窄通道双层幕墙中应用的另一种高保温性能玻璃为双中空双Low-E玻璃。其构造如图16。内外片玻璃为4mm厚在线钢化Low-E玻璃，中间片为5mm厚浮法玻璃，两个9mm中空层充氩气。

　　经计算，该类型的双中空玻璃的传热系数值为1.04W/(m².K)。

　　五、结束语

　　清华大学超低能耗示范楼的落成，意味着承载数十项建筑节能新技术新材料的应用进入试用阶段，将为我国建筑节能新技术的应用与推广起到积极的推动作用。作为该项目建筑幕墙的总设计总承包单位，方大公司从设计、施工到后期的试验检测都给予了很大的关注和支持。

　　相信经过我们不懈的努力，本工程所使用的多种建筑新技术、新材料不仅会为2008年北京“绿色”奥运会提供有力的技术保障，而且也将为我国开展的建筑节能工作提供很好的借鉴，同时也将为推动我国建筑幕墙技术发展做出巨大的贡献。