玻璃幕墻建筑節(jié)能技術分析
點擊次數(shù)：2095 更新時間：2012-07-24
工控摘要：玻璃幕墻（以下簡稱“幕墻”）是現(xiàn)代化建筑的主要外圍護結構之一，其節(jié)能已成為我國建筑節(jié)能的重要一環(huán)。本文就幕墻的節(jié)能進行技術分析、計算，對節(jié)能效果進行經(jīng)濟評價。
1、幕墻建筑節(jié)能的設計原則
我國幅員遼闊，當北方還是冰天雪地的時候，南方已是春暖花開的季節(jié)。作為幕墻建筑節(jié)能的設計原則：（1）嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)和溫和地區(qū)的幕墻，要進行冬季的保溫設計，夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的幕墻，要進行夏季的隔熱設計。（2）我國目前尚沒有專門的幕墻熱工設計標準或規(guī)范，幕墻熱工設計依據(jù)國家現(xiàn)行的外墻和窗戶熱工設計的有關標準、規(guī)范和參考國外的有關熱工設計規(guī)程。（3）進行幕墻熱工設計時，必須對其復雜的傳熱過程和傳熱方式進行分析和研究。幕墻的傳熱過程大致有3種途徑：①幕墻外表面與周圍空氣和外界環(huán)境間的換熱：外表面與周圍空氣間的對流換熱，外表面與外界環(huán)境間的輻射換熱，外表面與空間的各種長波（如電磁波、紅外線等產(chǎn)生的長波）輻射換熱；②幕墻內表面與室內空氣和室內環(huán)境間的換熱：內表面與室內空氣間的對流換熱，內表面與室內環(huán)境間的輻射換熱；③幕墻和金屬框格的傳熱：通過單層玻璃的熱流傳熱，通過金屬框格傳熱，通過玻璃的鍍膜層減少輻射換熱。（4）幕墻的傳熱系數(shù)由建筑物的外形和所處地區(qū)的氣候條件、型材的傳熱系數(shù)和玻璃的傳熱系數(shù)等綜合確定。
2、鋁型材的熱工設計
型材是幕墻的主要受力構件。目前，幕墻絕大部分采用鋁型材和彩板型材。本文以鋁型材為例進行熱工分析和計算。
2.1、鋁型材的熱絕緣系數(shù)計算
根據(jù)《民用建筑熱工設計規(guī)范》（以下簡稱《熱工規(guī)范》）規(guī)定，鋁型材的熱絕緣系數(shù)R為：R=δ/λ式中：R-材料層的熱絕緣系數(shù)（m2·K/W）；δ-材料層的厚度（m）；λ-材料的導熱系數(shù)〔取203W/（m·K）〕。設一根矩形實心鋁型材，厚度為100mm,其熱絕緣系數(shù)R為：R=0.0005m2·K/W上述計算結果沒有考慮實際工程中所采用的是空心鋁型材。而厚度為100mm厚的矩形空心鋁型材，兩邊的壁厚一般分別為12mm,空心鋁型材實際可導熱的厚度僅為兩邊的壁厚部分（共24mm）。實心鋁型材與空心鋁型材的熱絕緣系數(shù)比例為100∶24,空心鋁型材的熱絕緣系數(shù)R為：R=0.002m2·K/W
2.2、鋁型材的傳熱熱絕緣系數(shù)計算
根據(jù)《熱工規(guī)范》，鋁型材的傳熱熱絕緣系數(shù)R0為：R0=Ri+R+Re式中：Ri-鋁型材內表面換熱熱絕緣系數(shù)（取0.11m2·K/W）（下同）；Re-鋁型材外表面換熱熱絕緣系數(shù)（取0.04m2·K/W）（下同）；R-鋁型材熱絕緣系數(shù)（取0.002m2·K/W）。R0=0.11+0.04+0.002=0.152m2·K/W
2.3、鋁型材的傳熱系數(shù)計算
根據(jù)《熱工規(guī)范》，鋁型材的傳熱系數(shù)K0為：
K0=1/R0
式中：R0-鋁型材的傳熱熱絕緣系數(shù)，取0.152m2·K/W.
K0=1/0.152=6.58W/（m2·K）
上式得出的計算結果是無斷熱鋁型材的基本傳熱系數(shù)，這與《熱工規(guī)范》表4.4.1中單層窗戶的傳熱系數(shù)6.4W/（m2·K）基本相同。
2.4、斷熱鋁型材的基本設計要求
斷熱鋁型材亦稱隔熱鋁型材或絕熱鋁型材，由鋁與塑料（或其它隔熱材料）復合而成，其中間塑料隔熱層主要生產(chǎn)工藝有嵌入式、擠壓式和填充式等。
?。?）
斷熱鋁型材的傳熱過程十分復雜，傳熱系數(shù)很難計算，一般只有通過檢測獲得數(shù)據(jù)。參照DIN4108《高層建筑的隔熱》（1981.8）（下稱“DIN4108規(guī)程”）規(guī)定，斷熱鋁型材的基本傳熱系數(shù)K0不大于3.5W/（m2·K）。
（2）斷熱鋁型材的中間塑料層的zui小厚度，按DIN4108規(guī)程規(guī)定，zui小應為7mm.
（3）斷熱鋁型材的中間塑料層的設計，必須滿足型材的整體強度和剛度的要求。
3、幕墻玻璃傳熱系數(shù)的比較
嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的冬季，由于單層玻璃幕墻（下稱“單玻幕墻”）的傳熱系數(shù)較大，導致室溫降低，并且很容易在幕墻的內表面形成蒸氣水珠和產(chǎn)生結冰現(xiàn)象。為了有效地改善上述地區(qū)幕墻的傳熱系數(shù)，采用斷熱鋁中空玻璃幕墻（下稱“斷熱幕墻”）是重要的措施之一。DIN4108規(guī)程規(guī)定，斷熱幕墻的傳熱系數(shù)K0不大于3.5W/（m2·K）。玻璃的傳熱系數(shù)依據(jù)《熱工規(guī)范》計算。
3.1、單層玻璃（8mm）的傳熱系數(shù)計算
?。?）單層玻璃的熱絕緣系數(shù)：R=0.011m2·K/W
（2）單層玻璃的傳熱熱絕緣系數(shù)：R0=Ri+R+Re=0.11+0.011+.0.4=0.161m2·K/W
?。?）單層玻璃的傳熱系數(shù)K0為：K0=1/R0=6.21W/（m2·K）
3.2、中空玻璃（8+10+6）的傳熱系數(shù)計算
?。?）
中空玻璃的熱絕緣系數(shù)R為：R=R1+Ra+R2=0.159m2·K/W式中：R1-外層玻璃熱絕緣系數(shù)（取0.011m2·K/W）；R2-內層玻璃熱絕緣系數(shù)（取0.008m2·K/W）；Ra-冬季一般空氣層熱絕緣系數(shù)（取0.14m2·K/W）；
?。?）
中空玻璃的傳熱熱絕緣系數(shù)R0為：R0=Ri+R+Re=0.11+0.159+0.04=0.309m2·K/W（3）中空玻璃的傳熱系數(shù)K0為：K0=1/R0=3.24W/（m2·K）
3.3、單層玻璃與中空玻璃傳熱系數(shù)的比較
以上計算表明：單層玻璃的傳熱系數(shù)比中空玻璃的傳熱系數(shù)大48%,說明中空玻璃的節(jié)能效果遠遠大于單層玻璃。
4、幕墻建筑節(jié)能的經(jīng)濟評價
在我國，人們十分重視建筑成本的控制，而容易忽略通過適當?shù)卦黾咏ㄖ杀径a(chǎn)生的建筑節(jié)能效果所帶來的經(jīng)濟效益和社會效益。下面，我們通過計算和分析，對幕墻的建筑節(jié)能效果作出綜合評價。
（1）
設位于北京市區(qū)的一幢商業(yè)建筑，幕墻面積為10000m2,建筑的層高均小于4m,北京市每年的采暖天數(shù)為129d,考慮每天實際采暖10h.分別按使用單玻幕墻和斷熱幕墻這2種方案計算其耗熱量。根據(jù)《采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》（GBJ19-87）（以下簡稱《暖通規(guī)范》）的規(guī)定，幕墻的基本耗熱量為：Q=αFK（tn-twn）式中：Q-幕墻的基本耗熱量（W）；α-幕墻的溫差修正系數(shù)，取1.0;F-幕墻面積，為10000m2;K-幕墻的傳熱系數(shù)，單玻幕墻取6.4W/（m2·K），斷熱幕墻取3.5W/（m2·K）；tn-冬季室內計算溫度，取19℃；twn-采暖室外計算溫度，取-9℃。為簡便計算，上式中設定：①幕墻的結構類型為Ⅰ型；②采暖室外計算溫度取采暖室外計算（干球）溫度值；③未考慮通過幕墻的開窗、孔洞或屋頂、地面侵入室內的冷空氣的耗熱量；④未考慮通過幕墻縫隙滲入室內的冷空氣的耗熱量；⑤未考慮建筑的朝向；⑥Q僅為理論計算值。單玻幕墻的基本耗熱量Q1=1792kW;斷熱幕墻的基本耗熱量Q2=980kW.
（2）單玻幕墻比斷熱幕墻每年采暖多消耗的熱量（熱能）轉換為電能E:E=（1792-980）×129×10=1047480kW·h
?。?）斷熱幕墻與單玻幕墻建筑節(jié)能效果的經(jīng)濟比較
設單玻幕墻的單位造價為1300元/m2,斷熱幕墻的單位造價為1800元/m2,則初始投資增加500萬元。北京市的電價（假定10年內不變）為0.70元/（kW·h），功率因素為0.9,單玻幕墻比斷熱幕墻每年采暖多支出的電費82萬元設人民幣的年利率為5%（假定10年內不變），單玻幕墻與斷熱幕墻建筑節(jié)能的經(jīng)濟效益比較見表1.由表1比較得知，斷熱幕墻到第7年即可收回全部所增加的建筑成本，到第10年，斷熱幕墻建筑節(jié)能所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益要比單玻幕墻多256萬元。這說明，斷熱幕墻的建筑節(jié)能所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益是十分明顯的。
5、結論
?。?）
幕墻是我國近20年來發(fā)展起來的集新技術、新材料和新結構為一體的新型建筑材料，我國每年有數(shù)百萬平方米的幕墻投入使用，并以10%的速度繼續(xù)增長。因此，幕墻的建筑節(jié)能設計十分重要。
?。?）
根據(jù)本文的技術分析、計算以及建筑節(jié)能經(jīng)濟效益的評價，幕墻的建筑節(jié)能工作對建筑投資者、對社會都是十分有利的，用于建筑節(jié)能的投資*可以收回，并能在幕墻的使用期內給投資者創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
（3）采用斷熱幕墻的結構形式是幕墻建筑節(jié)能的zui有效的途徑。
1、幕墻建筑節(jié)能的設計原則
我國幅員遼闊，當北方還是冰天雪地的時候，南方已是春暖花開的季節(jié)。作為幕墻建筑節(jié)能的設計原則：（1）嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)和溫和地區(qū)的幕墻，要進行冬季的保溫設計，夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的幕墻，要進行夏季的隔熱設計。（2）我國目前尚沒有專門的幕墻熱工設計標準或規(guī)范，幕墻熱工設計依據(jù)國家現(xiàn)行的外墻和窗戶熱工設計的有關標準、規(guī)范和參考國外的有關熱工設計規(guī)程。（3）進行幕墻熱工設計時，必須對其復雜的傳熱過程和傳熱方式進行分析和研究。幕墻的傳熱過程大致有3種途徑：①幕墻外表面與周圍空氣和外界環(huán)境間的換熱：外表面與周圍空氣間的對流換熱，外表面與外界環(huán)境間的輻射換熱，外表面與空間的各種長波（如電磁波、紅外線等產(chǎn)生的長波）輻射換熱；②幕墻內表面與室內空氣和室內環(huán)境間的換熱：內表面與室內空氣間的對流換熱，內表面與室內環(huán)境間的輻射換熱；③幕墻和金屬框格的傳熱：通過單層玻璃的熱流傳熱，通過金屬框格傳熱，通過玻璃的鍍膜層減少輻射換熱。（4）幕墻的傳熱系數(shù)由建筑物的外形和所處地區(qū)的氣候條件、型材的傳熱系數(shù)和玻璃的傳熱系數(shù)等綜合確定。
2、鋁型材的熱工設計
型材是幕墻的主要受力構件。目前，幕墻絕大部分采用鋁型材和彩板型材。本文以鋁型材為例進行熱工分析和計算。
2.1、鋁型材的熱絕緣系數(shù)計算
根據(jù)《民用建筑熱工設計規(guī)范》（以下簡稱《熱工規(guī)范》）規(guī)定，鋁型材的熱絕緣系數(shù)R為：R=δ/λ式中：R-材料層的熱絕緣系數(shù)（m2·K/W）；δ-材料層的厚度（m）；λ-材料的導熱系數(shù)〔取203W/（m·K）〕。設一根矩形實心鋁型材，厚度為100mm,其熱絕緣系數(shù)R為：R=0.0005m2·K/W上述計算結果沒有考慮實際工程中所采用的是空心鋁型材。而厚度為100mm厚的矩形空心鋁型材，兩邊的壁厚一般分別為12mm,空心鋁型材實際可導熱的厚度僅為兩邊的壁厚部分（共24mm）。實心鋁型材與空心鋁型材的熱絕緣系數(shù)比例為100∶24,空心鋁型材的熱絕緣系數(shù)R為：R=0.002m2·K/W
2.2、鋁型材的傳熱熱絕緣系數(shù)計算
根據(jù)《熱工規(guī)范》，鋁型材的傳熱熱絕緣系數(shù)R0為：R0=Ri+R+Re式中：Ri-鋁型材內表面換熱熱絕緣系數(shù)（取0.11m2·K/W）（下同）；Re-鋁型材外表面換熱熱絕緣系數(shù)（取0.04m2·K/W）（下同）；R-鋁型材熱絕緣系數(shù)（取0.002m2·K/W）。R0=0.11+0.04+0.002=0.152m2·K/W
2.3、鋁型材的傳熱系數(shù)計算
根據(jù)《熱工規(guī)范》，鋁型材的傳熱系數(shù)K0為：
K0=1/R0
式中：R0-鋁型材的傳熱熱絕緣系數(shù)，取0.152m2·K/W.
K0=1/0.152=6.58W/（m2·K）
上式得出的計算結果是無斷熱鋁型材的基本傳熱系數(shù)，這與《熱工規(guī)范》表4.4.1中單層窗戶的傳熱系數(shù)6.4W/（m2·K）基本相同。
2.4、斷熱鋁型材的基本設計要求
斷熱鋁型材亦稱隔熱鋁型材或絕熱鋁型材，由鋁與塑料（或其它隔熱材料）復合而成，其中間塑料隔熱層主要生產(chǎn)工藝有嵌入式、擠壓式和填充式等。
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斷熱鋁型材的傳熱過程十分復雜，傳熱系數(shù)很難計算，一般只有通過檢測獲得數(shù)據(jù)。參照DIN4108《高層建筑的隔熱》（1981.8）（下稱“DIN4108規(guī)程”）規(guī)定，斷熱鋁型材的基本傳熱系數(shù)K0不大于3.5W/（m2·K）。
（2）斷熱鋁型材的中間塑料層的zui小厚度，按DIN4108規(guī)程規(guī)定，zui小應為7mm.
（3）斷熱鋁型材的中間塑料層的設計，必須滿足型材的整體強度和剛度的要求。
3、幕墻玻璃傳熱系數(shù)的比較
嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的冬季，由于單層玻璃幕墻（下稱“單玻幕墻”）的傳熱系數(shù)較大，導致室溫降低，并且很容易在幕墻的內表面形成蒸氣水珠和產(chǎn)生結冰現(xiàn)象。為了有效地改善上述地區(qū)幕墻的傳熱系數(shù)，采用斷熱鋁中空玻璃幕墻（下稱“斷熱幕墻”）是重要的措施之一。DIN4108規(guī)程規(guī)定，斷熱幕墻的傳熱系數(shù)K0不大于3.5W/（m2·K）。玻璃的傳熱系數(shù)依據(jù)《熱工規(guī)范》計算。
3.1、單層玻璃（8mm）的傳熱系數(shù)計算
?。?）單層玻璃的熱絕緣系數(shù)：R=0.011m2·K/W
（2）單層玻璃的傳熱熱絕緣系數(shù)：R0=Ri+R+Re=0.11+0.011+.0.4=0.161m2·K/W
?。?）單層玻璃的傳熱系數(shù)K0為：K0=1/R0=6.21W/（m2·K）
3.2、中空玻璃（8+10+6）的傳熱系數(shù)計算
?。?）
中空玻璃的熱絕緣系數(shù)R為：R=R1+Ra+R2=0.159m2·K/W式中：R1-外層玻璃熱絕緣系數(shù)（取0.011m2·K/W）；R2-內層玻璃熱絕緣系數(shù)（取0.008m2·K/W）；Ra-冬季一般空氣層熱絕緣系數(shù)（取0.14m2·K/W）；
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中空玻璃的傳熱熱絕緣系數(shù)R0為：R0=Ri+R+Re=0.11+0.159+0.04=0.309m2·K/W（3）中空玻璃的傳熱系數(shù)K0為：K0=1/R0=3.24W/（m2·K）
3.3、單層玻璃與中空玻璃傳熱系數(shù)的比較
以上計算表明：單層玻璃的傳熱系數(shù)比中空玻璃的傳熱系數(shù)大48%,說明中空玻璃的節(jié)能效果遠遠大于單層玻璃。
4、幕墻建筑節(jié)能的經(jīng)濟評價
在我國，人們十分重視建筑成本的控制，而容易忽略通過適當?shù)卦黾咏ㄖ杀径a(chǎn)生的建筑節(jié)能效果所帶來的經(jīng)濟效益和社會效益。下面，我們通過計算和分析，對幕墻的建筑節(jié)能效果作出綜合評價。
（1）
設位于北京市區(qū)的一幢商業(yè)建筑，幕墻面積為10000m2,建筑的層高均小于4m,北京市每年的采暖天數(shù)為129d,考慮每天實際采暖10h.分別按使用單玻幕墻和斷熱幕墻這2種方案計算其耗熱量。根據(jù)《采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》（GBJ19-87）（以下簡稱《暖通規(guī)范》）的規(guī)定，幕墻的基本耗熱量為：Q=αFK（tn-twn）式中：Q-幕墻的基本耗熱量（W）；α-幕墻的溫差修正系數(shù)，取1.0;F-幕墻面積，為10000m2;K-幕墻的傳熱系數(shù)，單玻幕墻取6.4W/（m2·K），斷熱幕墻取3.5W/（m2·K）；tn-冬季室內計算溫度，取19℃；twn-采暖室外計算溫度，取-9℃。為簡便計算，上式中設定：①幕墻的結構類型為Ⅰ型；②采暖室外計算溫度取采暖室外計算（干球）溫度值；③未考慮通過幕墻的開窗、孔洞或屋頂、地面侵入室內的冷空氣的耗熱量；④未考慮通過幕墻縫隙滲入室內的冷空氣的耗熱量；⑤未考慮建筑的朝向；⑥Q僅為理論計算值。單玻幕墻的基本耗熱量Q1=1792kW;斷熱幕墻的基本耗熱量Q2=980kW.
（2）單玻幕墻比斷熱幕墻每年采暖多消耗的熱量（熱能）轉換為電能E:E=（1792-980）×129×10=1047480kW·h
?。?）斷熱幕墻與單玻幕墻建筑節(jié)能效果的經(jīng)濟比較
設單玻幕墻的單位造價為1300元/m2,斷熱幕墻的單位造價為1800元/m2,則初始投資增加500萬元。北京市的電價（假定10年內不變）為0.70元/（kW·h），功率因素為0.9,單玻幕墻比斷熱幕墻每年采暖多支出的電費82萬元設人民幣的年利率為5%（假定10年內不變），單玻幕墻與斷熱幕墻建筑節(jié)能的經(jīng)濟效益比較見表1.由表1比較得知，斷熱幕墻到第7年即可收回全部所增加的建筑成本，到第10年，斷熱幕墻建筑節(jié)能所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益要比單玻幕墻多256萬元。這說明，斷熱幕墻的建筑節(jié)能所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益是十分明顯的。
5、結論
?。?）
幕墻是我國近20年來發(fā)展起來的集新技術、新材料和新結構為一體的新型建筑材料，我國每年有數(shù)百萬平方米的幕墻投入使用，并以10%的速度繼續(xù)增長。因此，幕墻的建筑節(jié)能設計十分重要。
?。?）
根據(jù)本文的技術分析、計算以及建筑節(jié)能經(jīng)濟效益的評價，幕墻的建筑節(jié)能工作對建筑投資者、對社會都是十分有利的，用于建筑節(jié)能的投資*可以收回，并能在幕墻的使用期內給投資者創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
（3）采用斷熱幕墻的結構形式是幕墻建筑節(jié)能的zui有效的途徑。
