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摘要：為實現碳達標和碳中和的雙碳目標，我國各行各業都在扎實的做好碳達峰和碳中和的各項工作，努力探討和建立實現雙碳目標的可行路徑和技術發展方向。建筑門窗幕墻是建筑外圍護結構（詞條“圍護結構”由行業大百科提供），它的使用能耗占建筑圍護結構能耗的50%，占建筑總能耗的25%。降低建筑門窗幕墻在材料、建造和使用過程中的能耗，是促進建筑行業盡早達到雙碳目標的重要路徑之一，也是建筑門窗幕墻高質量發展的必經之路。本文對影響建筑門窗幕墻能耗的建筑材料、構造設計、裝配式生產及施工、既有建筑門窗幕墻壽命和改造等環節的現狀和未來發展進行了研究，提出建筑門窗幕墻行業為助力我國早日實現雙碳目標的可行技術發展路線，供行業進行深入的探討。
關鍵詞：雙碳目標，綠色建筑，節能，低碳。
1. 引言
為努力達成我國在2020年第七十五屆聯合國大會上向世界鄭重承諾力爭在2030年前實現碳達峰，努力爭取在2060年前實現碳中和的雙碳目標，在2021年全國兩會的政府工作報告中，國家明確提出了全國各行各業要認真、扎實做好碳達峰和碳中和的各項工作。這各項工作的開展，最主要的就是要大力發展新型可再生清潔能源的開發和應用，減少高碳化能源的使用和能耗水平，堅持走綠色低碳、可持續發展的轉型道路。建筑行業歷來是我國能耗的大戶，建筑碳排放量占國家總排放量51%(數據來源：《中國建筑能耗研究報告(2020)》)。據權威部門測算，我國建筑行業的碳達峰需要到2035年方可實現，這將整整拖慢我國2030碳達峰承諾5年的時間，也意味著要實現雙碳目標，建筑行業將成為未來10年碳減排的重中之重。建筑門窗幕墻是建筑外圍護結構，是建筑的重要組成部分，也是建筑節能的關鍵部位，它的使用能耗占建筑圍護結構能耗的50%，占建筑總能耗的25%。可見，采取一切必要的措施和有效的技術發展路線，大大降低建筑門窗幕墻在材料、建造和使用過程中的能耗，是促進建筑行業盡早達到雙碳目標的重要路徑之一，也是建筑門窗幕墻高質量發展的必經之路。建筑門窗幕墻是依照建筑設計的要求，采用不同的建筑材料，依照不同的使用性能進行產品設計、生產制造和工程安裝等程序建造出來的。研究并合理選用新型建筑材料，正確進行產品性能和構造設計，采用裝配式生產及工程安裝對建筑門窗幕墻在建造過程和長期使用過程中的節能有著重大的影響，是建筑門窗幕墻適應雙碳目標的關鍵技術發展路線。
2. 綠色建材的推廣應用
現有的建筑門窗幕墻材料，大部分以金屬、玻璃和天然石材為主。這些材料的生產存在能耗高，破壞自然環境和過度消耗天然資源等諸多方面的不利影響，是阻礙雙碳達標的因素之一。隨著科學技術的發展，利廢、低耗、輕質、高強的人工復合新型建材正在不斷的產生，在雙碳達標的進程中，我們應該加以研究并探討應用的技術方案。
2.1仿真利廢再生材料
天然石材是我國建筑室內外裝修的主要材料，是建筑幕墻離不開的外墻材料之一，國內石材每年消費量近10億平方米。石材作為一種不可再生的天然資源，其大規模的開發，已給我國自然環境的保護造成了重大的影響，許多地方綠水青山已不見。同時，石材開發的成品利用率平均約為30%，每年會存留超大量的石材邊角廢料，其生產過程中產生的粉塵給周邊環境帶來嚴重的污染。目前，石材的開采正受到各級政府的嚴格管控，采用新技術利用石材廢棄物制造高仿真板材來替代天然石材的產品正在不斷的出現。發泡（詞條“發泡”由行業大百科提供）人造石(圖1)是其中的一種新型綠色環保建材，每平方米板材添加了40～50%的石材廢料，經采用特殊的發泡生產工藝等技術，使板材具有輕質高強高仿真的良好性能。其體積密度1.90g/cm3， 約為天然石材的80%，大大減少了建筑結構的荷載和施工人員的勞動強度;彎曲強度平均值達到28Mpa以上，為花崗巖的兩倍以上，大大提高了板材承載能力和幕墻結構的安全;板材可制成通體的花崗巖、大理石、石灰石、洞石、砂巖、純色板等系列產品，裝飾效果自然流暢逼真，是替代天然石材的不二最佳產品。除此以外，利用氧化鋁生產中產生的大量污染性 圖1 圖2
工業廢渣赤泥所生產的裝飾板也在研制中(圖2)，它同樣可替代石材、陶板、瓷板等傳統板材，克服它們在使用中的一些缺陷，為建筑幕墻在實現雙碳目標增添更多的綠色環保元素。這些產品在建筑外立面的使用，可無間隙對接現行的國家建筑門窗幕墻相關技術標準，性能安全可靠。唯一的問題是以天然石材為上的傳統老套的觀念阻礙了它們的應用，在實現雙碳目標的大前提下應給予全面的糾正。
2.2免燒制品
免燒制品是在常溫非燒結（詞條“燒結”由行業大百科提供）條件下，通過添加無機凝膠和其它增強材料，經壓制或自然條件下養護成型的各類建筑材料，如超高性能混凝土板或構件(簡稱UHPC)，纖維水泥板或構件(簡稱GRC)。免燒制品的最大特點在于生產過程的低能耗，且沒有燒制產品在燒制過程排放的廢氣嚴重污染環境，是節能減排、助力雙碳達標的綠色產品。為了豐富免燒制品的表面裝飾效果，我們可以在免燒制品表面施加由無機粉末和表面活性劑經化學反應固化形成且具有不同釉面裝飾效果的免燒釉面，以滿足建筑設計的不同表面的裝飾效果，圖3為涂覆于玻璃板上的免燒釉面效果。免燒制品的材料力學性能通常低于燒制產品的力學性能（詞條“力學性能”由行業大百科提供），所以在設計使用免燒制品時，應采取適當的增強措施來提高產品的承載能力，如加大產品主要受力部位的厚度，采用輕鋼復合裝配式構件等。
2.3復合材料
復合材料是通過性能和構造設計，將不同種類的材料，如金屬、無機非金屬或有機高分子材料等通過不同復合工藝混合或組合而成，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。復合材料按其組成分為金屬與非金屬復合材料、金屬與金屬復合材料、非金屬與非金屬復合材料。按其結構特點又可分為纖維增強復合材料和夾層復合材料兩大類。這兩種復合材料在建筑門窗幕墻中均有應用，如纖維增強水泥外墻板、鋁塑復合板、鋁蜂窩板、石材鋁蜂窩復合板、金屬保溫復合板（詞條“復合板”由行業大百科提供）、鋁木型材、塑鋼型材、鋁塑共擠型材、聚氨酯復合型材等等。這些復合材料不僅在裝飾外表面保持了原有材料的特點，同時能大幅度提高材料的保溫和力學性能，降低材料用材和節約成本，適合于低能耗建筑門窗幕墻的選用并可節省或替代天然材料的使用。圖4為采用傳熱系數為0.689 W/(㎡•k)雙中空玻璃的木塑門窗，整窗傳熱系數為0.96 W/(㎡•k)，可滿足超低能耗建筑對門窗節能性能的要求。同時人造木塑型材與鋁合金型材復合而成的新型完全替代天然原木的性能和裝飾效果，減少了對原木的需求，是一款低碳、環保、節能的綠色建筑材料。
3. 建筑門窗幕墻系統節能開源技術的研發
建造超低能耗建筑是促進我國建筑行業盡早達到雙碳目標的重要路徑，目前從中央到各地方政府都在制定實施超低能耗建筑的政策、方案和指標。為落實這些政策，需根據不同的地域、不同的氣候條件，不同的建筑設計，依照低能耗、可再生能源（詞條“可再生能源”由行業大百科提供）利用和滿足室內舒適環境等原則對未來適應超低能耗建筑要求的建筑門窗幕墻系統技術的發展加以研發和應用。
3.1 保溫及隔熱
北方地區超低能耗建筑的建筑門窗幕墻設計是以保溫隔熱作為節能的主要技術措施。目前高保溫性能的門窗在我國已有較多的成熟產品，傳熱系數可達到1.0W/(㎡•k)左右，為超低能耗或被動式建筑（詞條“被動式建筑”由行業大百科提供）提供了必要的條件，而幕墻方面的保溫隔熱性能尚有較大的差距，通常在2.0W/(㎡•k)左右。門窗幕墻的保溫性能，除了采用低傳熱系數的材料，如各種復合型材和隔熱材料，尚需要不斷研發新的有良好高氣密性和保溫隔熱性構造系統的門窗幕墻，圖5為采用隔熱鋁型材的半隱框玻璃幕墻，可有效提高幕墻的節能性能。在設計高保溫能門窗幕墻時，減低門窗幕墻的框窗(窗墻)比是一個值得關注的技術措施。如節能門窗所用的雙中空玻璃，其傳熱系數通常小于0.8W/(㎡•k)，若將雙中空玻璃配以真空玻璃，其傳熱系數更可以小于0.5W/(㎡•k)，遠小于門窗幕墻支承骨架的傳熱系數，因此門窗幕墻的框窗比越小其節能效果越好。但在考慮減小窗框比的同時，也要注意玻璃面積過大給門窗幕墻未來全壽命使用過程中帶來的安全問題。如何更好地提高玻璃幕墻的節能性能，除了減低減低門窗幕墻的框窗(窗墻)比，在玻璃方面可選擇隔熱效果更好的真空玻璃外，在北方地區，尚可推廣雙層幕墻系統的應用，以滿足幕墻節能和室內環境舒適性的要求。
3.2 遮陽與通風
與北方地區不同，南方地區低能耗門窗幕墻系統技術除了要有保溫隔熱的性能外，要實現低能耗建筑則更應該注重建筑遮陽和通風技術的研發。目前，南方地區住宅門窗系統已開始逐步采用隔熱鋁合金門窗，門窗玻璃已基本都采用中空玻璃，門窗的傳熱系數正逐步朝向小于或更小于2.0W/(㎡•k)的下降趨勢發展。但玻璃幕墻由于受到南方沿海地區強臺風荷載（詞條“風荷載”由行業大百科提供）的影響，目前極少采用隔熱鋁型材等隔熱材料作為玻璃幕墻的支承系統，保溫性能主要依靠選擇低傳熱系數的反射中空玻璃來實現，因而玻璃幕墻的傳熱系數一般都比較高，通常在3.0W/(㎡•k)左右。為此開展具有高抗風能力、低傳熱系數的玻璃幕墻系統技術的研發，將玻璃幕墻的傳熱系數降至低能耗建筑和近零能耗建筑的要求2.0W/(㎡•k)以下，是目前南方地區玻璃幕墻節能的一個難點和重點。南方地區玻璃幕墻節能的另一個重要環節是根據建筑立面的不同方位，設置室外水平或垂直的有效的連接可靠的遮陽構造，努力降低幕墻太陽得熱系數(SHGC)來達到節能效果(圖6)。同時合理選配玻璃的遮陽系數或選用可致變調光玻璃（詞條“調光玻璃”由行業大百科提供）(電或熱致變)以及設置室內遮陽簾（詞條“遮陽簾”由行業大百科提供）等措施，均可有效降低建筑室內的空調能耗。
玻璃幕墻開啟窗自然通風設計對南方地區室內溫度、濕度和空氣質量的調節有重要作用，能大大降低能夠耗，是被動式節能的有效措施。由于玻璃幕墻開啟扇對建筑立面的外觀效果會有一定的影響，所以玻璃幕墻通風開啟面積的比例、開啟形式和開啟扇外形尺寸在幕墻設計中經常會有很多的爭議，有些項目通過減少開窗比例或設計與幕墻分格尺寸一致的超大面積開啟扇來達到立面效果，使幕墻的通風量達不到綠色和節能標準的要求，同時也給幕墻帶來安全隱患。近年來，側面開窗(圖7)的通風技術在玻璃幕墻上有較多的應用，能夠比較好地協調開啟通風與立面效果的矛盾，同時大通風量通風器也在不斷的研發中，為玻璃幕墻自然通風技術帶來新的發展方向。南方地區在研發玻璃幕墻開啟扇自然通風技術的過程中，要同時注重開啟部位的抗風、氣密和水密性能，外開窗尚應嚴格控制開啟扇的面積和防墜落構造的設置，確保幕墻全壽命周期的安全性能。
3.3 綠色清潔能源
上世紀九十年代初光伏幕墻就已經開始進入我國，但由于當時太陽能電池技術和產品相對單一，造價高昂等原因導致太陽能應用未能在建筑幕墻上得以推廣和應用。近年來，隨著薄膜太陽能電池技術的發展，光電轉換效率的迅速提高，部分薄膜太陽能電池，如碲化鎘薄膜太陽電池、銅銦鎵硒薄膜太陽電池在實驗室的光電轉換效率已經逼近甚至部分超過傳統的晶體硅太陽能電池。同時，薄膜太陽能電池制造工藝相對簡單，能耗小，用料少，成本低，可透視，多顏色等因素，使其在不同種類的建筑幕墻，如玻璃幕墻、金屬板幕墻（詞條“金屬板幕墻”由行業大百科提供）、石材幕墻上都有可以應用的可行性，為光伏幕墻(圖8)作為未來建筑開源自給清潔能源的主要來源創造了條件。除了光伏幕墻，利用太陽輻射熱能設計光熱幕墻(圖9)，通過建筑內的能源輸送和交換系統為建筑內部提供熱水或循環可用的熱氣也可降低碳類能源的消耗。
目前，光伏幕墻和光熱幕墻在我國的應用仍然處于起步階段，工程應用較少。我國每年幕墻建造面積約在600萬平方米左右，僅玻璃幕墻應有360萬平方米，在實現雙碳目標政策的推動下，光伏幕墻和光熱幕墻市場前景極大。我們應加深加快研發不同太陽能電池在建筑幕墻上應用的技術，開發出具有高效光電轉換效率又能滿足建筑功能和外立面效果要求的各類新型光伏幕墻，推動光伏建筑一體化（詞條“光伏建筑一體化”由行業大百科提供）的發展。
3.4智能與綠植生態
智能建筑在建筑節能和實現雙碳目標中有著重大的作用，應用智能建筑系統對建筑主體內外環境進行監測和信息采集，包括建筑物室內外空氣質量、溫度、濕度、照度、風力、太陽入射角等，以智能自動控制的方式對建筑門窗幕墻中可調節的部位，如可啟閉的窗扇、通風口、遮陽構件和可調光的玻璃等進行適時的調節，來達到改善室內環境和減少能耗的效果。同時，我們應加強建筑門窗幕墻可調節部位性能和新型構造的研究和開發，如通道幕墻中氣流流動方向和流動速度的設計和控制、可換氣中空玻璃系統、多維可調遮陽系統等，使得門窗幕墻自身具有更多能夠滿足智能建筑實現建筑節能需要的功能。此外，還可在門窗幕墻自身的敏感部位設置不同的傳感器，將采集到的信息用自動控制的方式改變門窗幕墻的啟閉狀態、開口度和遮陽構件角度，實現智能門窗和智能幕墻的功能。
用綠色植物根植于建筑立面或預留的空間，以達到改善建筑環境、提高建筑節能、節地和美化建筑效果的綠植生態技術(圖10)，在建筑設計上已得到初步的應用。實測數據表明，具有爬墻植物的墻面，夏季其外表面晝夜平均溫度由35.1℃降到30.7℃，相差4.4℃，墻的內表面溫度相應由30.0℃降到29.1℃，相差0.9℃。由于建筑周圍的葉面蒸發作用而帶來的降溫效應，還會使墻面溫度略低于氣溫(約1.6℃)。由此可見，綠植生態技術是未來建筑節能減碳設計的主要技術之一。在建筑幕墻上引入生態綠植技術，用綠植板塊替代現有幕墻面板，將綠植構件連接在幕墻的支撐結構上，形成具有生態環境的新型綠植幕墻，將可極大的提高幕墻的熱工性能，改變建筑周邊環境的的空氣質量，為建筑帶來四季變幻的清新的視覺享受。隨著雙碳目標發展的進程，綠植生態技術在建筑幕墻上的應用是必然的趨勢，但尚有待于綠植板塊技術以及其在幕墻上的連接等技術的進一步發展。
4. 建筑門窗幕墻裝配化技術的深化
單元式幕墻（詞條“單元式幕墻”由行業大百科提供）和門窗系統化是建筑行業中最先邁進建筑裝配化門檻的產品和技術。建筑門窗幕墻裝配化包括了建筑門窗幕墻的設計、制造和現場裝配式施工等主要環節，在實現雙碳目標的進程中，我們尚需在原有的基礎上，對各個環節進行優化和深化，使之更加節省人力資源的消耗，提高產品質量和施工效率。單元式幕墻的標準化設計是節省設計人力資源的重要部分，單元式幕墻板塊與主體結構的連接構造、板塊間的相互插接構造、外遮陽或裝飾構件與板塊的連接構造、幕墻的收邊及密封處理和幕墻的排水系統等，均可依據基本的建筑構造和環境作出標準化的模塊設計，從而實現裝配化設計，達到省時省力高效準確的效果。門窗幕墻加工制造方面，采用參數化設計將經裝配化設計的門窗幕墻大樣圖直接轉換成零件加工圖，并與加工設備直接連接，大大提高加工效率，減少了大量零件加工圖的制作。
在現場施工方面，孿生智能測量管理系統正在工程施工中逐步形成和應用(圖11)，它基于空間點云智能分析技術、大數據處理技術和云計算技術的自動化、數字化測量管理系統，運用高精度的三維掃描技術、結合人工智能、軟件算法、BIM技術，逆向形成工程現場的數字模型和數字化預拼裝效果，呈現虛擬的真實工程現場與設計模型的實際誤差，為門窗幕墻的深化設計，特別是多維復雜曲面幕墻的精準下料、拼裝和安裝提供可靠的數據依據，為整個施工流程進行數字化管理，有效實現設計施工過程中的糾偏，更好的實現BIM技術在設計和施工階段的有效應用，提高工程質量和管理效率，減少材料浪費， 降低成本，縮短工期。
目前，門窗幕墻施工人工操作和非標設備的使用比例很大，對施工質量和進度影響較大，為助力雙碳目標的實現，施工設備的機械化、標準化、智能化尚有待進一步的提高和完善。
5. 既有建筑門窗幕墻安全維護及節能改造技術
我國建筑門窗幕墻行業從上世紀八十年代初開始起步，歷經40年來的發展，現已積累了大量的既有建筑門窗幕墻。由于早期建筑門窗幕墻所采用的材料、設計和節能理念落后和缺失，且現存的具有建筑門窗幕墻有相當大的一部分已達到或超過了建筑設計使用年限的范圍，導致既有建筑門窗幕墻中存在諸多的安全和節能問題。通過對既有建筑門窗幕墻實施全面的強化的安全檢查和維護維修來延長門窗幕墻的有效工作年限，采用新的節能材料和改造技術來減少既有建筑門窗幕墻的能耗，改善室內宜居環境，是助力既有建筑朝著雙碳目標發展的主要技術途徑。
延長門窗幕墻的有效工作年限首先要制度化的標準化實施既有建筑門窗幕墻的日常安全檢查和維護維修(圖12)，確保門窗幕墻保持正常使用功能和安全性，對于主要受力構件和連接部位應定期檢查，出現問題應及時維修和加固，對于易損或老化構配件應及時更換;其二，開發更多適用于既有建筑門窗幕墻安全性能現場無損檢查、檢測的技術和試驗方法，如隱蔽部位的連接構造、防火構造，結構性裝配的硅酮建筑結構密封膠老化，面板材料及支承構件的連接和超高層建筑外立面門窗幕墻狀態等的檢查檢測;第三，打造“共建共治共享”的既有建筑門窗幕墻管理數字化管理平臺，采用現代化的管理方法來規范化既有建筑幕墻的安全檢查維修，確保對既有建筑門窗幕墻的安全狀況做到可知、可控、可查、可預測，為實現既有建筑門窗幕墻安全管理規范化開辟新的科學途徑和社會治理模式。
我國早期的既有建筑門窗幕墻大多是單層熱反射玻璃幕墻，基本上只起到一個隔離室內外空間的圍護效果，節能效果甚差，對其進行節能改造是實現雙碳目標迫在眉睫的工作。既有建筑門窗幕墻的節能改造，在不改變既有門窗幕墻結構的條件下，常見的有粘貼玻璃隔熱膜、涂覆玻璃隔熱涂料（詞條“玻璃隔熱涂料”由行業大百科提供）、玻璃微中空改造和內通風雙層幕墻等技術方法。粘貼玻璃隔熱膜和涂覆玻璃隔熱是比較簡便的施工方法，但其節能效果和老化性能存在較多的問題，在應用中存在一定的局限性。玻璃微中空改造(圖13)是在既有建筑門窗幕墻的玻璃上，使用干燥和密封技術，用一片低輻射玻璃與原有的玻璃一起在幕墻室內側組合成中空玻璃的節能改造方法，可以大大提高原有門窗幕墻的節能性能和室內環境的舒適度。對于室內側具有較大空間的玻璃幕墻，我們還可以應用內通風雙層幕墻的系統原理，在單層玻璃幕墻的室內側附加一層玻璃來提高幕墻的保溫隔熱功能，將兩層玻璃中間形成的空氣通道與室內空調抽風系統連接并形成有序的空氣調節循環系統，通過智能控制來調節室內溫度和CO2的含量，形成有效的節能和室內環境改善的效果。
6. 結語
我國現代建筑門窗幕墻行業起于上世紀七十年代末，經過四十年的發展，目前已是世界當之無愧的門窗幕墻大國，具備了一定的技術水平和建造能力。但是在精細化設計和施工，特別是在節能和環保技術方面，我們與國外發達國家的先進技術還是有一定的距離。為了早日實現我國雙碳目標的誓言，建筑門窗幕墻行業必須在現有的技術上，不斷挖潛和開拓創新，堅持走綠色低碳可持續發展的轉型道路。在新材應用、節能開源、增效降耗、智能建造、安全維護和既有改造等多方面尋找實現低碳、降碳的新技術，開發更多的節能綠色產品，為建造超低能耗和近零能耗建筑創造有力的支持，在實現雙碳目標的道路上不斷的探索和發展。
參考文獻
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作者單位：深圳市新山幕墻技術咨詢有限公司
