适应“双碳”目标de门窗幕墙技术发展路线

适应“双碳”目标de门窗幕墙技术发展路线

文章来源：中国幕墙网 

　　摘要：为实现碳达标和碳中和的双碳目标，我国各行各业都在扎实的做好碳达峰和碳中和的各项工作，努力探讨和建立实现双碳目标的可行路径和技术发展方向。建筑门窗幕墙是建筑外围护结构，它的使用能耗占建筑围护结构能耗的50%，占建筑总能耗的25%。降低建筑门窗幕墙在材料、建造和使用过程中的能耗，是促进建筑行业尽早达到双碳目标的重要路径之一，也是建筑门窗幕墙高质量发展的必经之路。本文对影响建筑门窗幕墙能耗的建筑材料、构造设计、装配式生产及施工、既有建筑门窗幕墙寿命和改造等环节的现状和未来发展进行了研究，提出建筑门窗幕墙行业为助力我国早日实现双碳目标的可行技术发展路线，供行业进行深入的探讨。

关键词：双碳目标，绿色建筑，节能，低碳。

1. 引言

        为努力达成我国在2020年第七十五届联合国大会上向世界郑重承诺力争在2030年前实现碳达峰，努力争取在2060年前实现碳中和的双碳目标，在2021年全国两会的政府工作报告中，国家明确提出了全国各行各业要认真、扎实做好碳达峰和碳中和的各项工作。这各项工作的开展，最主要的就是要大力发展新型可再生清洁能源的开发和应用，减少高碳化能源的使用和能耗水平，坚持走绿色低碳、可持续发展的转型道路。建筑行业历来是

我国能耗的大户，建筑碳排放量占国家总排放量51%(数据来源：《中国建筑能耗研究报告(2020)》)。据权威部门测算，我国建筑行业的碳达峰需要到2035年方可实现，这将整整拖慢我国2030碳达峰承诺5年的时间，也意味着要实现双碳目标，建筑行业将成为未来10年碳减排的重中之重。建筑门窗幕墙是建筑外围护结构，是建筑的重要组成部分，也是建筑节能的关键部位，它的使用能耗占建筑围护结构能耗的50%，占建筑总能耗的25%。可见，采取一切必要的措施和有效的技术发展路线，大大降低建筑门窗幕墙在材料、建造和使用过程中的能耗，是促进建筑行业尽早达到双碳目标的重要路径之一，也是建筑门窗幕墙高质量发展的必经之路。建筑门窗幕墙是依照建筑设计的要求，采用不同的建筑材料，依照不同的使用性能进行产品设计、生产制造和工程安装等程序建造出来的。研究并合理选用新型建筑材料，正确进行产品性能和构造设计，采用装配式生产及工程安装对建筑门窗幕墙在建造过程和长期使用过程中的节能有着重大的影响，是建筑门窗幕墙适应双碳目标的关键技术发展路线。

2. 绿色建材的推广应用

　　现有的建筑门窗幕墙材料，大部分以金属、玻璃和天然石材为主。这些材料的生产存在能耗高，破坏自然环境和过度消耗天然资源等诸多方面的不利影响，是阻碍双碳达标的因素之一。随着科学技术的发展，利废、低耗、轻质、高强的人工复合新型建材正在不断的产生，在双碳达标的进程中，我们应该加以研究并探讨应用的技术方案。

2.1仿真利废再生材料

　　天然石材是我国建筑室内外装修的主要材料，是建筑幕墙离不开的外墙材料之一，国内石材每年消费量近10亿平方米。石材作为一种不可再生的天然资源，其大规模的开发，已给我国自然环境的保护造成了重大的影响，许多地方绿水青山已不见。同时，石材开发的成品利用率平均约为30%，每年会存留超大量的石材边角废料，其生产过程中产生的粉尘给周边环境带来严重的污染。目前，石材的开采正受到各级政府的严格管控，采用新技术利用石材废弃物制造高仿真板材来替代天然石材的产品正在不断的出现。发泡人造石(图1)是其中的一种新型绿色环保建材，每平方米板材添加了40～50%的石材废料，经采用特殊的发泡生产工艺等技术，使板材具有轻质高强高仿真的良好性能。其体积密度1.90g/cm3， 约为天然石材的80%，大大减少了建筑结构的荷载和施工人员的劳动强度;弯曲强度平均值达到28Mpa以上，为花岗岩的两倍以上，大大提高了板材承载能力和幕墙结构的安全;板材可制成通体的花岗岩、大理石、石灰石、洞石、砂岩、纯色板等系列产品，装饰效果自然流畅逼真，是替代天然石材的不二最佳产品。除此以外，利用氧化铝生产中产生的大量污染性 图1 图2

　　工业废渣赤泥所生产的装饰板也在研制中(图2)，它同样可替代石材、陶板、瓷板等传统板材，克服它们在使用中的一些缺陷，为建筑幕墙在实现双碳目标增添更多的绿色环保元素。这些产品在建筑外立面的使用，可无间隙对接现行的国家建筑门窗幕墙相关技术标准，性能安全可靠。唯一的问题是以天然石材为上的传统老套的观念阻碍了它们的应用，在实现双碳目标的大前提下应给予全面的纠正。

2.2免烧制品

　　免烧制品是在常温非烧结条件下，通过添加无机凝胶和其它增强材料，经压制或自然条件下养护成型的各类建筑材料，如超高性能混凝土板或构件(简称UHPC)，纤维水泥板或构件(简称GRC)。免烧制品的最大特点在于生产过程的低能耗，且没有烧制产品在烧制过程排放的废气严重污染环境，是节能减排、助力双碳达标的绿色产品。为了丰富免烧制品的表面装饰效果，我们可以在免烧制品表面施加由无机粉末和表面活性剂经化学反应固化形成且具有不同釉面装饰效果的免烧釉面，以满足建筑设计的不同表面的装饰效果，图3为涂覆于玻璃板上的免烧釉面效果。免烧制品的材料力学性能通常低于烧制产品的力学性能，所以在设计使用免烧制品时，应采取适当的增强措施来提高产品的承载能力，如加大产品主要受力部位的厚度，采用轻钢复合装配式构件等。

2.3复合材料

　　复合材料是通过性能和构造设计，将不同种类的材料，如金属、无机非金属或有机高分子材料等通过不同复合工艺混合或组合而成，既具有原材料的特性，又在原材料性能上有所大幅提高的新型材料。复合材料按其组成分为金属与非金属复合材料、金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又可分为纤维增强复合材料和夹层复合材料两大类。这两种复合材料在建筑门窗幕墙中均有应用，如纤维增强水泥外墙板、铝塑复合板、铝蜂窝板、石材铝蜂窝复合板、金属保温复合板、铝木型材、塑钢型材、铝塑共挤型材、聚氨酯复合型材等等。这些复合材料不仅在装饰外表面保持了原有材料的特点，同时能大幅度提高材料的保温和力学性能，降低材料用材和节约成本，适合于低能耗建筑门窗幕墙的选用并可节省或替代天然材料的使用。图4为采用传热系数为0.689 W/(㎡•k)双中空玻璃的木塑门窗，整窗传热系数为0.96 W/(㎡•k)，可满足超低能耗建筑对门窗节能性能的要求。同时人造木塑型材与铝合金型材复合而成的新型完全替代天然原木的性能和装饰效果，减少了对原木的需求，是一款低碳、环保、节能的绿色建筑材料。

3. 建筑门窗幕墙系统节能开源技术的研发

　　建造超低能耗建筑是促进我国建筑行业尽早达到双碳目标的重要路径，目前从中央到各地方政府都在制定实施超低能耗建筑的政策、方案和指标。为落实这些政策，需根据不同的地域、不同的气候条件，不同的建筑设计，依照低能耗、可再生能源利用和满足室内舒适环境等原则对未来适应超低能耗建筑要求的建筑门窗幕墙系统技术的发展加以研发和应用。

3.1 保温及隔热

　　北方地区超低能耗建筑的建筑门窗幕墙设计是以保温隔热作为节能的主要技术措施。目前高保温性能的门窗在我国已有较多的成熟产品，传热系数可达到1.0W/(㎡•k)左右，为超低能耗或被动式建筑提供了必要的条件，而幕墙方面的保温隔热性能尚有较大的差距，通常在2.0W/(㎡•k)左右。门窗幕墙的保温性能，除了采用低传热系数的材料，如各种复合型材和隔热材料，尚需要不断研发新的有良好高气密性和保温隔热性构造系统的门窗幕墙，图5为采用隔热铝型材的半隐框玻璃幕墙，可有效提高幕墙的节能性能。在设计高保温能门窗幕墙时，减低门窗幕墙的框窗(窗墙)比是一个值得关注的技术措施。如节能门窗所用的双中空玻璃，其传热系数通常小于0.8W/(㎡•k)，若将双中空玻璃配以真空玻璃，其传热系数更可以小于0.5W/(㎡•k)，远小于门窗幕墙支承骨架的传热系数，因此门窗幕墙的框窗比越小其节能效果越好。但在考虑减小窗框比的同时，也要注意玻璃面积过大给门窗幕墙未来全寿命使用过程中带来的安全问题。如何更好地提高玻璃幕墙的节能性能，除了减低减低门窗幕墙的框窗(窗墙)比，在玻璃方面可选择隔热效果更好的真空玻璃外，在北方地区，尚可推广双层幕墙系统的应用，以满足幕墙节能和室内环境舒适性的要求。

3.2 遮阳与通风

　　与北方地区不同，南方地区低能耗门窗幕墙系统技术除了要有保温隔热的性能外，要实现低能耗建筑则更应该注重建筑遮阳和通风技术的研发。目前，南方地区住宅门窗系统已开始逐步采用隔热铝合金门窗，门窗玻璃已基本都采用中空玻璃，门窗的传热系数正逐步朝向小于或更小于2.0W/(㎡•k)的下降趋势发展。但玻璃幕墙由于受到南方沿海地区强台风荷载的影响，目前极少采用隔热铝型材等隔热材料作为玻璃幕墙的支承系统，保温性能主要依靠选择低传热系数的反射中空玻璃来实现，因而玻璃幕墙的传热系数一般都比较高，通常在3.0W/(㎡•k)左右。为此开展具有高抗风能力、低传热系数的玻璃幕墙系统技术的研发，将玻璃幕墙的传热系数降至低能耗建筑和近零能耗建筑的要求2.0W/(㎡•k)以下，是目前南方地区玻璃幕墙节能的一个难点和重点。南方地区玻璃幕墙节能的另一个重要环节是根据建筑立面的不同方位，设置室外水平或垂直的有效的连接可靠的遮阳构造，努力降低幕墙太阳得热系数(SHGC)来达到节能效果(图6)。同时合理选配玻璃的遮阳系数或选用可致变调光玻璃(电或热致变)以及设置室内遮阳帘等措施，均可有效降低建筑室内的空调能耗。

       玻璃幕墙开启窗自然通风设计对南方地区室内温度、湿度和空气质量的调节有重要作用，能大大降低能够耗，是被动式节能的有效措施。由于玻璃幕墙开启扇对建筑立面的外观效果会有一定的影响，所以玻璃幕墙通风开启面积的比例、开启形式和开启扇外形尺寸在幕墙设计中经常会有很多的争议，有些项目通过减少开窗比例或设计与幕墙分格尺寸一致的超大面积开启扇来达到立面效果，使幕墙的通风量达不到绿色和节能标准的要求，同时也给幕墙带来安全隐患。近年来，侧面开窗(图7)的通风技术在玻璃幕墙上有较多的应用，能够比较好地协调开启通风与立面效果的矛盾，同时大通风量通风器也在不断的研发中，为玻璃幕墙自然通风技术带来新的发展方向。南方地区在研发玻璃幕墙开启扇自然通风技术的过程中，要同时注重开启部位的抗风、气密和水密性能，外开窗尚应严格控制开启扇的面积和防坠落构造的设置，确保幕墙全寿命周期的安全性能。

3.3 绿色清洁能源

　　上世纪九十年代初光伏幕墙就已经开始进入我国，但由于当时太阳能电池技术和产品相对单一，造价高昂等原因导致太阳能应用未能在建筑幕墙上得以推广和应用。近年来，随着薄膜太阳能电池技术的发展，光电转换效率的迅速提高，部分薄膜太阳能电池，如碲化镉薄膜太阳电池、铜铟镓硒薄膜太阳电池在实验室的光电转换效率已经逼近甚至部分超过传统的晶体硅太阳能电池。同时，薄膜太阳能电池制造工艺相对简单，能耗小，用料少，成本低，可透视，多颜色等因素，使其在不同种类的建筑幕墙，如玻璃幕墙、金属板幕墙、石材幕墙上都有可以应用的可行性，为光伏幕墙(图8)作为未来建筑开源自给清洁能源的主要来源创造了条件。除了光伏幕墙，利用太阳辐射热能设计光热幕墙(图9)，通过建筑内的能源输送和交换系统为建筑内部提供热水或循环可用的热气也可降低碳类能源的消耗。

　　目前，光伏幕墙和光热幕墙在我国的应用仍然处于起步阶段，工程应用较少。我国每年幕墙建造面积约在600万平方米左右，仅玻璃幕墙应有360万平方米，在实现双碳目标政策的推动下，光伏幕墙和光热幕墙市场前景极大。我们应加深加快研发不同太阳能电池在建筑幕墙上应用的技术，开发出具有高效光电转换效率又能满足建筑功能和外立面效果要求的各类新型光伏幕墙，推动光伏建筑一体化的发展。

3.4智能与绿植生态

　　智能建筑在建筑节能和实现双碳目标中有着重大的作用，应用智能建筑系统对建筑主体内外环境进行监测和信息采集，包括建筑物室内外空气质量、温度、湿度、照度、风力、太阳入射角等，以智能自动控制的方式对建筑门窗幕墙中可调节的部位，如可启闭的窗扇、通风口、遮阳构件和可调光的玻璃等进行适时的调节，来达到改善室内环境和减少能耗的效果。同时，我们应加强建筑门窗幕墙可调节部位性能和新型构造的研究和开发，如通道幕墙中气流流动方向和流动速度的设计和控制、可换气中空玻璃系统、多维可调遮阳系统等，使得门窗幕墙自身具有更多能够满足智能建筑实现建筑节能需要的功能。

此外，还可在门窗幕墙自身的敏感部位设置不同的传感器，将采集到的信息用自动控制的方式改变门窗幕墙的启闭状态、开口度和遮阳构件角度，实现智能门窗和智能幕墙的功能。

　　用绿色植物根植于建筑立面或预留的空间，以达到改善建筑环境、提高建筑节能、节地和美化建筑效果的绿植生态技术(图10)，在建筑设计上已得到初步的应用。实测数据表明，具有爬墙植物的墙面，夏季其外表面昼夜平均温度由35.1℃降到30.7℃，相差4.4℃，墙的内表面温度相应由30.0℃降到29.1℃，相差0.9℃。由于建筑周围的叶面蒸发作用而带来的降温效应，还会使墙面温度略低于气温(约1.6℃)。由此可见，绿植生态技术是未来建筑节能减碳设计的主要技术之一。在建筑幕墙上引入生态绿植技术，用绿植板块替代现有幕墙面板，将绿植构件连接在幕墙的支撑结构上，形成具有生态环境的新型绿植幕墙，将可极大的提高幕墙的热工性能，改变建筑周边环境的的空气质量，为建筑带来四季变幻的清新的视觉享受。随着双碳目标发展的进程，绿植生态技术在建筑幕墙上的应用是必然的趋势，但尚有待于绿植板块技术以及其在幕墙上的连接等技术的进一步发展。

4. 建筑门窗幕墙装配化技术的深化

　　单元式幕墙和门窗系统化是建筑行业中最先迈进建筑装配化门槛的产品和技术。建筑门窗幕墙装配化包括了建筑门窗幕墙的设计、制造和现场装配式施工等主要环节，在实现双碳目标的进程中，我们尚需在原有的基础上，对各个环节进行优化和深化，使之更加节省人力资源的消耗，提高产品质量和施工效率。单元式幕墙的标准化设计是节省设计人力资源的重要部分，单元式幕墙板块与主体结构的连接构造、板块间的相互插接构造、外遮阳或装饰构件与板块的连接构造、幕墙的收边及密封处理和幕墙的排水系统等，均可依据基本的建筑构造和环境作出标准化的模块设计，从而实现装配化设计，达到省时省力高效准确的效果。门窗幕墙加工制造方面，采用参数化设计将经装配化设计的门窗幕墙大样图直接转换成零件加工图，并与加工设备直接连接，大大提高加工效率，减少了大量零件加工图的制作。

　　在现场施工方面，孪生智能测量管理系统正在工程施工中逐步形成和应用(图11)，它基于空间点云智能分析技术、大数据处理技术和云计算技术的自动化、数字化测量管理系统，运用高精度的三维扫描技术、结合人工智能、软件算法、BIM技术，逆向形成工程现场的数字模型和数字化预拼装效果，呈现虚拟的真实工程现场与设计模型的实际误差，为门窗幕墙的深化设计，特别是多维复杂曲面幕墙的精准下料、拼装和安装提供可靠的数据依据，为整个施工流程进行数字化管理，有效实现设计施工过程中的纠偏，更好的实现BIM技术在设计和施工阶段的有效应用，提高工程质量和管理效率，减少材料浪费， 降低成本，缩短工期。

　　目前，门窗幕墙施工人工操作和非标设备的使用比例很大，对施工质量和进度影响较大，为助力双碳目标的实现，施工设备的机械化、标准化、智能化尚有待进一步的提高和完善。

5. 既有建筑门窗幕墙安全维护及节能改造技术

　　我国建筑门窗幕墙行业从上世纪八十年代初开始起步，历经40年来的发展，现已积累了大量的既有建筑门窗幕墙。由于早期建筑门窗幕墙所采用的材料、设计和节能理念落后和缺失，且现存的具有建筑门窗幕墙有相当大的一部分已达到或超过了建筑设计使用年限的范围，导致既有建筑门窗幕墙中存在诸多的安全和节能问题。通过对既有建筑门窗幕墙实施全面的强化的安全检查和维护维修来延长门窗幕墙的有效工作年限，采用新的节能材料和改造技术来减少既有建筑门窗幕墙的能耗，改善室内宜居环境，是助力既有建筑朝着双碳目标发展的主要技术途径。

　　延长门窗幕墙的有效工作年限首先要制度化的标准化实施既有建筑门窗幕墙的日常安全检查和维护维修(图12)，确保门窗幕墙保持正常使用功能和安全性，对于主要受力构件和连接部位应定期检查，出现问题应及时维修和加固，对于易损或老化构配件应及时更换;其二，开发更多适用于既有建筑门窗幕墙安全性能现场无损检查、检测的技术和试验方法，如隐蔽部位的连接构造、防火构造，结构性装配的硅酮建筑结构密封胶老化，面板材料及支承构件的连接和超高层建筑外立面门窗幕墙状态等的检查检测;第三，打造“共建共治共享”的既有建筑门窗幕墙管理数字化管理平台，采用现代化的管理方法来规范化既有建筑幕墙的安全检查维修，确保对既有建筑门窗幕墙的安全状况做到可知、可控、可查、可预测，为实现既有建筑门窗幕墙安全管理规范化开辟新的科学途径和社会治理模式。

　　我国早期的既有建筑门窗幕墙大多是单层热反射玻璃幕墙，基本上只起到一个隔离室内外空间的围护效果，节能效果甚差，对其进行节能改造是实现双碳目标迫在眉睫的工作。既有建筑门窗幕墙的节能改造，在不改变既有门窗幕墙结构的条件下，常见的有粘贴玻璃隔热膜、涂覆玻璃隔热涂料、玻璃微中空改造和内通风双层幕墙等技术方法。粘贴玻璃隔热膜和涂覆玻璃隔热是比较简便的施工方法，但其节能效果和老化性能存在较多的问题，在应用中存在一定的局限性。玻璃微中空改造(图13)是在既有建筑门窗幕墙的玻璃上，使用干燥和密封技术，用一片低辐射玻璃与原有的玻璃一起在幕墙室内侧组合成中空玻璃的节能改造方法，可以大大提高原有门窗幕墙的节能性能和室内环境的舒适度。对于室内侧具有较大空间的玻璃幕墙，我们还可以应用内通风双层幕墙的系统原理，在单层玻璃幕墙的室内侧附加一层玻璃来提高幕墙的保温隔热功能，将两层玻璃中间形成的空气通道与室内空调抽风系统连接并形成有序的空气调节循环系统，通过智能控制来调节室内温度和CO2的含量，形成有效的节能和室内环境改善的效果。

6. 结语

　　我国现代建筑门窗幕墙行业起于上世纪七十年代末，经过四十年的发展，目前已是世界当之无愧的门窗幕墙大国，具备了一定的技术水平和建造能力。但是在精细化设计和施工，特别是在节能和环保技术方面，我们与国外发达国家的先进技术还是有一定的距离。为了早日实现我国双碳目标的誓言，建筑门窗幕墙行业必须在现有的技术上，不断挖潜和开拓创新，坚持走绿色低碳可持续发展的转型道路。在新材应用、节能开源、增效降耗、智能建造、安全维护和既有改造等多方面寻找实现低碳、降碳的新技术，开发更多的节能绿色产品，为建造超低能耗和近零能耗建筑创造有力的支持，在实现双碳目标的道路上不断的探索和发展。

文章来源：中国幕墙网

作者单位：深圳市新山幕墙技术咨询有限公司

作者：包毅 窦铁波 杜继予

来源：2021-2022分析报告