1、我国能源及建筑能耗现状
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，关系到社会正常运行和发展。我国目前处于城市建设高峰期，促使了建筑业的飞速发展，由此也造成了大量的能源消耗。北方城镇建筑的单位面积采暖平均能耗，约为北欧同纬度条件下建筑采暖能耗的3倍。而且我国节能建筑少，缺乏建筑节能意识，已建成的既有建筑中95%以上属于高能耗建筑，普遍存在着围护结构保温隔热性能差，采暖系统热效率差等问题，建筑节能势在必行[1]。
现如今，越来越多的城市建筑都采用玻璃幕墙作为外围护结构，它带来通透明亮、立面美观的视觉效果的同时，也带来了高能耗、光污染以及隔热性差等问题。尤其玻璃作为透明材料，有很强的热传导性，其能耗占建筑总能耗的比例较大。因此，设计出更加节能的玻璃幕墙，是解决围护结构高能耗问题的一条重要途径。
2、严寒地区节能设计要求
我国严寒地区主要指东北、内蒙古和西部部分地区(最冷月平均温度≤-10℃，日平均气温≤5℃的天数不少于145天)。由于该类地区采暖期室内外温差传热的热量损失占主导地位，因此必须满足冬季保温要求，一般可不考虑夏季防热[2]。建筑外围护结构热工性能的好坏，直接影响到室内环境及建筑能耗，为实现建筑采暖能耗降低65%的节能目标，所有建筑设计必须按此标准执行，并且实际运维期也要满足此能耗要求[3]。
国家标准《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015(以下简称《标准》)对围护结构在严寒地区给出了更加深入合理的设计要求：首先，《标准》中对严寒地区甲类公共建筑各单一立面窗（词条“窗”由行业大百科提供）墙面积比(包括透光幕墙)提出了要求，要求各立面均不宜大于0.60，严于其他类地区的0.70;对于外门（词条“门”由行业大百科提供）门斗，《标准》中要求严寒地区全部设置，而其他类地区可部分设置或采取其他方式代替;此外，《标准》对严寒A、B区和C区围护结构的传热系数（词条“传热系数”由行业大百科提供）也按部位分别制定了限值，详见表1和表2[4]：
表1严寒A、B 区公共建筑围护结构热工性能限值
表2 严寒C 区公共建筑围护结构热工性能限值
3、影响严寒地区玻璃幕墙保温性能的主要因素
3.1玻璃面板造成的热损耗
现代建筑中，大面积的采光玻璃应用十分广泛，但建筑用玻璃的传热系数比砖体结构墙壁要高很多，冬季室内的热量在玻璃上通过热传导、对流和辐射传到室外，从而导致建筑物的热损耗增加。图1是利用红外热像仪观测到的某座建筑的红外热分布图，从图中可以看出采光玻璃处是热损耗的主要部位。
玻璃的节能主要是通过热工性能、玻璃层数、中空玻璃的隔离层、中空层的介质、中空层间隔框的材质、中空层间隔框的密封等因素来实现阻隔冷热空气的热传导或热对流。目前已应用到生产、生活中的中空玻璃是对其热辐射、热传导、热对流三种方式的能量传递过程进行控制，有一定的节能保温作用。而低辐射玻璃(Low-E玻璃)具有较大的日光透过率和很小的红外反射系数（词条“反射系数”由行业大百科提供），可以有效阻止热量通过玻璃散失，并且不影响玻璃的采光性能、无光污染[5]。
3.2 铝合金边框材料造成的热损耗
幕墙的铝合金（词条“合金”由行业大百科提供）边框一般占围护结构总面积的10%-25%，它对热量的传导同样对建筑物的保温性能起重要作用，一旦处理不当，形成“冷桥”，造成的热损耗更大，甚至会出现结露（词条“结露”由行业大百科提供）、结冰现象。边框的节能主要由框的材料、导热系数、框的腔体构成、断热设计等因素决定。
3.3幕墙板块间及周边缝隙形成空气渗透进行的热交换
室内外温差和压差的存在，导致空气通过板块间及周边缝隙进行渗透，同时进行热交换。虽然在幕墙设计阶段，这些缝隙都会用三元乙丙胶条、硅酮密封胶等材料进行密封，但施工阶段很难做到万无一失，而且建筑物使用阶段的温度变形、沉降变形等因素还可能会加大此缝隙的渗透影响。
3.4 门、窗开启部位的气密性能
门、窗开启部位的重要功能是通风换气，这就要求既要保证其开启灵活，又要保证关闭后密闭无渗漏。而在严寒地区，影响门、窗保温性能主要取决于传热系数K值和气密性能等级。开启部位的气密性则是影响整体围护结构的气密性能关键部位，既要保证开启部位与边框配合结构的合理性，还要保证其密封的有效性。图2是利用红外热像仪检测门的气密性能。
4、圣彼得堡某幕墙工程节能设计
现阶段我国提高玻璃幕墙节能的主要措施尚停留在消极设防的阶段，主要是采用镀膜玻璃、Low-E玻璃、热反射玻璃、中空玻璃及隔热断桥铝型材（词条“型材”由行业大百科提供）降低结构传热系数、消除结构体系热桥、降低空气渗透热损失、减少开启窗扇面积、提高其密封性等。显然，对于严寒地区，仅仅依靠以上传统方法很难达到外围护结构的节能要求。因此，本文对俄罗斯圣彼得堡事某幕墙工程的保温节能做法进行剖析，挑出其设计亮点，供广大幕墙爱好者参考。
4.1玻璃的选取
圣彼得堡是俄罗斯第二大城市，冬季最冷五天的平均温度达到-26℃，室内外温差在50℃以上。该幕墙工程为单元式，建筑高度83.4m，幕墙面积15300m2，详见图3。考虑到圣彼得堡市特殊的气候因素，该项目选取自AGC的遮阳型低辐射三玻双腔中空玻璃(自室外向室内：10mm厚LOW-E钢化玻璃（词条“钢化玻璃”由行业大百科提供）+12mm氩气层+6mm半钢化玻璃+12mm氩气层+8mm半钢化玻璃，详见图4)。此三玻两腔中空玻璃主要在以下几方面实现节能效果：
4.11 玻璃厚度
基片玻璃是组成中空玻璃的主要材料，玻璃厚度与玻璃热阻的乘积和中空玻璃的传热系数有着直接的联系，当玻璃厚度增加时，必然会增大该片玻璃对热量传递的阻挡能力，从而降低整个中空玻璃系统的传热系数。三片基片玻璃的组合可以近似看成是厚度的累加，即总厚度共计24mm。
4.12 气体空腔厚度
通过气体空腔厚度的控制，使中空玻璃内部形成紊态气流的传热，使其上升与下降的气流互相干扰来控制产生对流传热。气体空腔厚度与传热系数的大小有直接关系，在相同条件下，气体层越大，传热阻越大。需要注意的是，气体层的厚度达到一定程度后(19mm左右)，传热阻的增长率就很小了，因为此时气体在玻璃之间温差的作用下会产生一定的对流过程，从而减低了气体层增厚的作用。因此，双重考虑下，确定了12mm厚的气体腔。
4.13 中空腔充入氩气并保证充气量(填充量≥90%)
由于充入中空腔的氩气属于惰性气体，导热系数低(空气0.024W/m2·K，氩气0.016W/m2·K)，可以提高玻璃的隔热、隔声性能。
4.14 遮阳型低辐射玻璃
低辐射膜具有较大的日光透过率和很小的红外反射系数，可让80%可见光通过玻璃进入室内，又能将90%以上的太阳光中或室内物体辐射的红外线反射掉，有效阻止热量通过玻璃散失，节能效果达75%以上，并且不影响玻璃的采光性能、无光污染。而遮阳型低辐射玻璃采用独特的热喷射镀膜技术制作而成，除本身具有低辐射性能外，它还具有控制阳光的性能，节能效果更佳。
4.2 边框的设计
铝合金边框虽然不是主要的传热途径，但一旦处理不好而出现“冷桥”，将会有大量的热损失，并且一定会在室内结露，形成冷凝水。该项目选取自国内某知名厂家的6063A-T5/T6铝型材。断热处理是边框设计的重中之重，如图5设计节点所示：采用了穿条式的大截面断热条(双道)，即保证了断热功能，又满足了强度要求。除此之外，公框与母框插接部位采用多道EPDM胶条，形成多个等压腔，解决水密问题。在玻璃和铝型材边框的联合作用下，外围护结构的保温隔热性能得以满足，且不会出现结露现象，见图6模拟的热工性能。
4.3板块密封处理
该工程的单元式幕墙（词条“单元式幕墙”由行业大百科提供）作为一种面板式结构，上、下、左、右四个边框分别与邻近板块的对应边框之间采用插接结构，在外加荷载（词条“荷载”由行业大百科提供）时能同时变形、协同受力，插接面同时设计有三道密封胶条来确保相邻两个板块之间的密封。三道胶条形成三道密封线，即尘密线、水密线、气密线。尘密线用来阻挡灰尘及大部分的雨水;水密线和等压腔联合作用，起到阻水、排水的作用;气密线用来阻止空气的渗透。三道密封线依靠三元乙丙胶条自身的弹性，均能起到阻止空气渗漏的功能，确保室内、室外空气隔绝，阻止了热交换。
4.4门、窗保温的处理
门窗边框和扇框采用常规的断热处理外，在两条断热条内填充聚氨酯发泡剂，它是一种将聚氨酯预聚物﹑发泡剂（词条“发泡剂”由行业大百科提供）﹑催化剂等组分装填于耐压气雾罐中的特殊聚氨酯产品。当物料从气雾罐中喷出时，沫状的聚氨酯物料会迅速膨胀并与空气或接触到的基体（词条“基体”由行业大百科提供）中的水分发生固化反应形成泡沫。具有填缝﹑粘结﹑密封﹑隔热﹑吸音等多种效果，是一种环保节能﹑使用方便的建筑材料。用在此处，可提高铝合金框的隔热性能，从而提高整扇门、窗的隔热性能。此外，在边框、扇框型材的空腔内，塞入保温岩棉，也同样起到了隔热、吸音的作用。
5、结语
现在很多人认为使用玻璃幕墙的建筑就是高耗能建筑，这样的结论是毫无根据的，国家也从未叫停玻璃幕墙。在幕墙设计阶段，只要合理进行设计，选用合适的玻璃和构造，严格遵照节能设计要求，建筑的热工性能完全可以达到《公共建筑节能设计标准》的要求。本文针对圣彼得堡某幕墙工程对保温节能的做法进行了剖析，对我国严寒地区幕墙设计有一定参考价值。
虽然玻璃幕墙的很多方面都会受到经济条件的制约，业主的选择通常起着决定性作用。但即便如此，幕墙设计师（词条“幕墙设计师”由行业大百科提供）也要从专业角度提出合理的建议，以使幕墙在外视效果和功能性等方面都达到最佳。此外，幕墙设计师还应该转变原有的设计理念：变被动为主动，首先进行玻璃幕墙的热工设计，追求设计功能的主动性和积极性，变被动设防为主动利用能源的设计思想。
参考文献：
[1] 熊建明.玻璃幕墙建筑节能技术分析及其经济评价[J].新型建筑材料.2000(9):15～17
[2] GB 50176-2016,民用建筑热工设计规范[S].中国建筑工业出版社,北京.2016
[3] 赵长春.幕墙保温与节能浅析[J].房材与应用.2005(2).32
[4] GB 50189-2015, 公共建筑节能设计标准[S].中国建筑工业出版社,北京.2015
[5] 张雄, 张永娟等.现代建筑功能材料[M].北京:化学工业出版社,2009.160～170
