玻璃幕墻建筑節(jié)能技術(shù)分析
點(diǎn)擊次數(shù)：2206 更新時(shí)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(hù)結(jié)構(gòu)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(jìn)行技術(shù)分析、計(jì)算，對節(jié)能效果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評價(jià)。
1、幕墻建筑節(jié)能的設(shè)計(jì)原則
我國幅員遼闊，當(dāng)北方還是冰天雪地的時(shí)候，南方已是春暖花開的季節(jié)。作為幕墻建筑節(jié)能的設(shè)計(jì)原則：（1）嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)和溫和地區(qū)的幕墻，要進(jìn)行冬季的保溫設(shè)計(jì)，夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的幕墻，要進(jìn)行夏季的隔熱設(shè)計(jì)。（2）我國目前尚沒有專門的幕墻熱工設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，幕墻熱工設(shè)計(jì)依據(jù)國家現(xiàn)行的外墻和窗戶熱工設(shè)計(jì)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和參考國外的有關(guān)熱工設(shè)計(jì)規(guī)程。（3）進(jìn)行幕墻熱工設(shè)計(jì)時(shí)，必須對其復(fù)雜的傳熱過程和傳熱方式進(jìn)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(nèi)表面與室內(nèi)空氣和室內(nèi)環(huán)境間的換熱：內(nèi)表面與室內(nèi)空氣間的對流換熱，內(nèi)表面與室內(nèi)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(shè)計(jì)
型材是幕墻的主要受力構(gòu)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(jìn)行熱工分析和計(jì)算。
2.1、鋁型材的熱絕緣系數(shù)計(jì)算
根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)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(dǎo)熱系數(shù)〔取203W/（m·K）〕。設(shè)一根矩形實(shí)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(jì)算結(jié)果沒有考慮實(shí)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(shí)際可導(dǎo)熱的厚度僅為兩邊的壁厚部分（共24mm）。實(shí)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(jì)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(nèi)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(jì)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(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)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(fù)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(fù)雜，傳熱系數(shù)很難計(jì)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）。
?。?）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(yīng)為7mm.
（3）斷熱鋁型材的中間塑料層的設(shè)計(jì)，必須滿足型材的整體強(qiáng)度和剛度的要求。
3、幕墻玻璃傳熱系數(shù)的比較
嚴(yán)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(dǎo)致室溫降低，并且很容易在幕墻的內(nèi)表面形成蒸氣水珠和產(chǎn)生結(jié)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(jì)算。
3.1、單層玻璃（8mm）的傳熱系數(shù)計(jì)算
（1）單層玻璃的熱絕緣系數(shù)：R=0.011m2·K/W
?。?）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(jì)算
（1）
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(nèi)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(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于單層玻璃。
4、幕墻建筑節(jié)能的經(jīng)濟(jì)評價(jià)
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(dāng)?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(jì)效益和社會效益。下面，我們通過計(jì)算和分析，對幕墻的建筑節(jié)能效果作出綜合評價(jià)。
?。?）
設(shè)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(shí)際采暖10h.分別按使用單玻幕墻和斷熱幕墻這2種方案計(jì)算其耗熱量。根據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)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(nèi)計(jì)算溫度，取19℃；twn-采暖室外計(jì)算溫度，取-9℃。為簡便計(jì)算，上式中設(shè)定：①幕墻的結(jié)構(gòu)類型為Ⅰ型；②采暖室外計(jì)算溫度取采暖室外計(jì)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(nèi)的冷空氣的耗熱量；④未考慮通過幕墻縫隙滲入室內(nèi)的冷空氣的耗熱量；⑤未考慮建筑的朝向；⑥Q僅為理論計(jì)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.
?。?）單玻幕墻比斷熱幕墻每年采暖多消耗的熱量（熱能）轉(zhuǎn)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(jì)比較
設(shè)單玻幕墻的單位造價(jià)為1300元/m2,斷熱幕墻的單位造價(jià)為1800元/m2,則初始投資增加500萬元。北京市的電價(jià)（假定10年內(nèi)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(fèi)82萬元設(shè)人民幣的年利率為5%（假定10年內(nèi)不變），單玻幕墻與斷熱幕墻建筑節(jié)能的經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jì)效益是十分明顯的。
5、結(jié)論
（1）
幕墻是我國近20年來發(fā)展起來的集新技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)十分重要。
?。?）
根據(jù)本文的技術(shù)分析、計(jì)算以及建筑節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益的評價(jià)，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(nèi)給投資者創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
?。?）采用斷熱幕墻的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)原則
我國幅員遼闊，當(dāng)北方還是冰天雪地的時(shí)候，南方已是春暖花開的季節(jié)。作為幕墻建筑節(jié)能的設(shè)計(jì)原則：（1）嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)和溫和地區(qū)的幕墻，要進(jìn)行冬季的保溫設(shè)計(jì)，夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的幕墻，要進(jìn)行夏季的隔熱設(shè)計(jì)。（2）我國目前尚沒有專門的幕墻熱工設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，幕墻熱工設(shè)計(jì)依據(jù)國家現(xiàn)行的外墻和窗戶熱工設(shè)計(jì)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和參考國外的有關(guān)熱工設(shè)計(jì)規(guī)程。（3）進(jìn)行幕墻熱工設(shè)計(jì)時(shí)，必須對其復(fù)雜的傳熱過程和傳熱方式進(jìn)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(nèi)表面與室內(nèi)空氣和室內(nèi)環(huán)境間的換熱：內(nèi)表面與室內(nèi)空氣間的對流換熱，內(nèi)表面與室內(nèi)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(shè)計(jì)
型材是幕墻的主要受力構(gòu)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(jìn)行熱工分析和計(jì)算。
2.1、鋁型材的熱絕緣系數(shù)計(jì)算
根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)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(dǎo)熱系數(shù)〔取203W/（m·K）〕。設(shè)一根矩形實(shí)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(jì)算結(jié)果沒有考慮實(shí)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(shí)際可導(dǎo)熱的厚度僅為兩邊的壁厚部分（共24mm）。實(shí)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(jì)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(nèi)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(jì)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(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)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(fù)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(fù)雜，傳熱系數(shù)很難計(jì)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）。
?。?）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(yīng)為7mm.
（3）斷熱鋁型材的中間塑料層的設(shè)計(jì)，必須滿足型材的整體強(qiáng)度和剛度的要求。
3、幕墻玻璃傳熱系數(shù)的比較
嚴(yán)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(dǎo)致室溫降低，并且很容易在幕墻的內(nèi)表面形成蒸氣水珠和產(chǎn)生結(jié)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(jì)算。
3.1、單層玻璃（8mm）的傳熱系數(shù)計(jì)算
（1）單層玻璃的熱絕緣系數(shù)：R=0.011m2·K/W
?。?）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(jì)算
（1）
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(nèi)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(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于單層玻璃。
4、幕墻建筑節(jié)能的經(jīng)濟(jì)評價(jià)
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(dāng)?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(jì)效益和社會效益。下面，我們通過計(jì)算和分析，對幕墻的建筑節(jié)能效果作出綜合評價(jià)。
?。?）
設(shè)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(shí)際采暖10h.分別按使用單玻幕墻和斷熱幕墻這2種方案計(jì)算其耗熱量。根據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)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(nèi)計(jì)算溫度，取19℃；twn-采暖室外計(jì)算溫度，取-9℃。為簡便計(jì)算，上式中設(shè)定：①幕墻的結(jié)構(gòu)類型為Ⅰ型；②采暖室外計(jì)算溫度取采暖室外計(jì)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(nèi)的冷空氣的耗熱量；④未考慮通過幕墻縫隙滲入室內(nèi)的冷空氣的耗熱量；⑤未考慮建筑的朝向；⑥Q僅為理論計(jì)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.
?。?）單玻幕墻比斷熱幕墻每年采暖多消耗的熱量（熱能）轉(zhuǎn)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(jì)比較
設(shè)單玻幕墻的單位造價(jià)為1300元/m2,斷熱幕墻的單位造價(jià)為1800元/m2,則初始投資增加500萬元。北京市的電價(jià)（假定10年內(nèi)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(fèi)82萬元設(shè)人民幣的年利率為5%（假定10年內(nèi)不變），單玻幕墻與斷熱幕墻建筑節(jié)能的經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jì)效益是十分明顯的。
5、結(jié)論
（1）
幕墻是我國近20年來發(fā)展起來的集新技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)十分重要。
?。?）
根據(jù)本文的技術(shù)分析、計(jì)算以及建筑節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益的評價(jià)，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(nèi)給投資者創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
?。?）采用斷熱幕墻的結(jié)構(gòu)形式是幕墻建筑節(jié)能的zui有效的途徑。
