| 摘 要：提出了玻璃幕墻建筑節能的設計原則，分析了鋁型材的熱工設計，對單層玻璃與中空玻璃的傳熱系數進行了比較，并對幕墻建筑節能進行了經濟評價，指出：幕墻的建筑節能設計十分重要；在幕墻使用期內，用于節能的投資完全可以收回，且可創造良好的經濟效益和社會效益；采用斷熱幕墻的結構形式是幕墻建筑節能的最有效途徑。 關鍵詞：玻璃幕墻建筑；建筑節能；斷熱幕墻；經濟評價 |
玻璃幕墻(以下簡稱“幕墻”)是現代化建筑的主要外圍護結構之一，其節能已成為我國建筑節能的重要一環。本文就幕墻的節能進行技術分析、計算，對節能效果進行經濟評價。
1 幕墻建筑節能的設計原則
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。本文提出下列措施，作為幕墻建筑節能的設計原則：(1)嚴寒地區、寒冷地區和溫和地區的幕墻，要進行冬季的保溫設計，夏熱冬冷地區和夏熱冬暖地區的幕墻，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范，幕墻熱工設計依據國家現行的外墻和窗戶熱工設計的有關標準、規范和參考國外的有關熱工設計規程。(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、紅外線等產生的長波)輻射換熱；②幕墻內表面與室內空氣和室內環境間的換熱：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)幕墻的傳熱系數由建筑物的外形和所處地區的氣候條件、型材的傳熱系數和玻璃的傳熱系數等綜合確定。
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計算
根據《民用建筑熱工設計規范》(以下簡稱《熱工規范》)規定，鋁型材的熱絕緣系數Ｒ為：Ｒ＝δ／λ式中：Ｒ-材料層的熱絕緣系數(ｍ2·Ｋ／Ｗ)；δ-材料層的厚度(ｍ)；λ-材料的導熱系數〔取203Ｗ／(ｍ·Ｋ)〕。設一根矩形實心鋁型材，厚度為100ｍｍ，其熱絕緣系數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比例為100∶24，空心鋁型材的熱絕緣系數Ｒ為：Ｒ＝0。002ｍ2·Ｋ／Ｗ
2.2、鋁型材的傳熱熱絕緣系數計算
根據《熱工規范》，鋁型材的傳熱熱絕緣系數Ｒ0為：Ｒ0＝Ｒｉ+Ｒ+Ｒｅ式中：Ｒｉ-鋁型材內表面換熱熱絕緣系數(取0.11ｍ2·Ｋ／Ｗ)(下同)；Ｒｅ-鋁型材外表面換熱熱絕緣系數(取0.04ｍ2·Ｋ／Ｗ)(下同)；Ｒ-鋁型材熱絕緣系數(取0.002ｍ2·Ｋ／Ｗ)。Ｒ0＝0．11+0.04+0.002＝0.152ｍ2·Ｋ／Ｗ
2.3、鋁型材的傳熱系數計算
根據《熱工規范》，鋁型材的傳熱系數Ｋ0為：
Ｋ0＝1／Ｒ0
式中：Ｒ0-鋁型材的傳熱熱絕緣系數，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，這與《熱工規范》表4.4.1中單層窗戶的傳熱系數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工藝有嵌入式、擠壓式和填充式等。
(1) 斷熱鋁型材的傳熱過程十分復雜，傳熱系數很難計算，一般只有通過檢測獲得數據。參照ＤＩＮ4108《高層建筑的隔熱》(1981.8)(下稱“ＤＩＮ4108規程”)規定，斷熱鋁型材的基本傳熱系數Ｋ0不大于3.5Ｗ／(ｍ2·Ｋ)。
(2) 斷熱鋁型材的中間塑料層的最小厚度，按ＤＩＮ4108規程規定，最小應為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、幕墻玻璃傳熱系數的比較
嚴寒地區和寒冷地區的冬季，由于單層玻璃幕墻(下稱“單玻幕墻”)的傳熱系數較大，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生結冰現象。為了有效地改善上述地區幕墻的傳熱系數，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規程規定，斷熱幕墻的傳熱系數Ｋ0不大于3.5Ｗ／(ｍ2·Ｋ)。玻璃的傳熱系數依據《熱工規范》計算。
3.1、單層玻璃(8ｍｍ)的傳熱系數計算
(1) 單層玻璃的熱絕緣系數：Ｒ＝0.011ｍ2·Ｋ／Ｗ
(2) 單層玻璃的傳熱熱絕緣系數：Ｒ0＝Ｒｉ+Ｒ+Ｒｅ＝0.11+0.011+.0.4＝0.161ｍ2·Ｋ／Ｗ
(3) 單層玻璃的傳熱系數Ｋ0為：Ｋ0＝1／Ｒ0＝6.21Ｗ／(ｍ2·Ｋ)
3.2、中空玻璃(8+10+6)的傳熱系數計算
(1) 中空玻璃的熱絕緣系數Ｒ為：Ｒ＝Ｒ1+Ｒａ+Ｒ2＝0．159ｍ2·Ｋ／Ｗ式中：Ｒ1-外層玻璃熱絕緣系數(取0．011ｍ2·Ｋ／Ｗ)；Ｒ2-內層玻璃熱絕緣系數(取0．008ｍ2·Ｋ／Ｗ)；Ｒａ-冬季一般空氣層熱絕緣系數(取0．14ｍ2·Ｋ／Ｗ)；
(2) 中空玻璃的傳熱熱絕緣系數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Ｋ0為：Ｋ0＝1／Ｒ0＝3．24Ｗ／(ｍ2·Ｋ)
3．3、單層玻璃與中空玻璃傳熱系數的比較
以上計算表明：單層玻璃的傳熱系數比中空玻璃的傳熱系數大48%，說明中空玻璃的節能效果遠遠大于單層玻璃。
4 、幕墻建筑節能的經濟評價
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地增加建筑成本而產生的建筑節能效果所帶來的經濟效益和社會效益。下面，我們通過計算和分析，對幕墻的建筑節能效果作出綜合評價。
(1) 設位于北京市區的一幢商業建筑，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《采暖通風與空氣調節設計規范》(ＧＢＪ19-87)(以下簡稱《暖通規范》)的規定，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，取1．0；Ｆ-幕墻面積，為10000ｍ2；Ｋ-幕墻的傳熱系數，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
(3) 斷熱幕墻與單玻幕墻建筑節能效果的經濟比較
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能的經濟效益比較見表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，斷熱幕墻建筑節能所產生的經濟效益要比單玻幕墻多256萬元。這說明，斷熱幕墻的建筑節能所產生的經濟效益是十分明顯的。
5、結論
(1) 幕墻是我國近20年來發展起來的集新技術、新材料和新結構為一體的新型建筑材料，我國每年有數百萬平方米的幕墻投入使用，并以10%的速度繼續增長。因此，幕墻的建筑節能設計十分重要。
(2) 根據本文的技術分析、計算以及建筑節能經濟效益的評價，幕墻的建筑節能工作對建筑投資者、對社會都是十分有利的，用于建筑節能的投資完全可以收回，并能在幕墻的使用期內給投資者創造良好的經濟效益和社會效益。
(3) 采用斷熱幕墻的結構形式是幕墻建筑節能的最有效的途徑。
1 幕墻建筑節能的設計原則
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。本文提出下列措施，作為幕墻建筑節能的設計原則：(1)嚴寒地區、寒冷地區和溫和地區的幕墻，要進行冬季的保溫設計，夏熱冬冷地區和夏熱冬暖地區的幕墻，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范，幕墻熱工設計依據國家現行的外墻和窗戶熱工設計的有關標準、規范和參考國外的有關熱工設計規程。(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、紅外線等產生的長波)輻射換熱；②幕墻內表面與室內空氣和室內環境間的換熱：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)幕墻的傳熱系數由建筑物的外形和所處地區的氣候條件、型材的傳熱系數和玻璃的傳熱系數等綜合確定。
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計算
根據《民用建筑熱工設計規范》(以下簡稱《熱工規范》)規定，鋁型材的熱絕緣系數Ｒ為：Ｒ＝δ／λ式中：Ｒ-材料層的熱絕緣系數(ｍ2·Ｋ／Ｗ)；δ-材料層的厚度(ｍ)；λ-材料的導熱系數〔取203Ｗ／(ｍ·Ｋ)〕。設一根矩形實心鋁型材，厚度為100ｍｍ，其熱絕緣系數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比例為100∶24，空心鋁型材的熱絕緣系數Ｒ為：Ｒ＝0。002ｍ2·Ｋ／Ｗ
2.2、鋁型材的傳熱熱絕緣系數計算
根據《熱工規范》，鋁型材的傳熱熱絕緣系數Ｒ0為：Ｒ0＝Ｒｉ+Ｒ+Ｒｅ式中：Ｒｉ-鋁型材內表面換熱熱絕緣系數(取0.11ｍ2·Ｋ／Ｗ)(下同)；Ｒｅ-鋁型材外表面換熱熱絕緣系數(取0.04ｍ2·Ｋ／Ｗ)(下同)；Ｒ-鋁型材熱絕緣系數(取0.002ｍ2·Ｋ／Ｗ)。Ｒ0＝0．11+0.04+0.002＝0.152ｍ2·Ｋ／Ｗ
2.3、鋁型材的傳熱系數計算
根據《熱工規范》，鋁型材的傳熱系數Ｋ0為：
Ｋ0＝1／Ｒ0
式中：Ｒ0-鋁型材的傳熱熱絕緣系數，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，這與《熱工規范》表4.4.1中單層窗戶的傳熱系數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工藝有嵌入式、擠壓式和填充式等。
(1) 斷熱鋁型材的傳熱過程十分復雜，傳熱系數很難計算，一般只有通過檢測獲得數據。參照ＤＩＮ4108《高層建筑的隔熱》(1981.8)(下稱“ＤＩＮ4108規程”)規定，斷熱鋁型材的基本傳熱系數Ｋ0不大于3.5Ｗ／(ｍ2·Ｋ)。
(2) 斷熱鋁型材的中間塑料層的最小厚度，按ＤＩＮ4108規程規定，最小應為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、幕墻玻璃傳熱系數的比較
嚴寒地區和寒冷地區的冬季，由于單層玻璃幕墻(下稱“單玻幕墻”)的傳熱系數較大，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生結冰現象。為了有效地改善上述地區幕墻的傳熱系數，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規程規定，斷熱幕墻的傳熱系數Ｋ0不大于3.5Ｗ／(ｍ2·Ｋ)。玻璃的傳熱系數依據《熱工規范》計算。
3.1、單層玻璃(8ｍｍ)的傳熱系數計算
(1) 單層玻璃的熱絕緣系數：Ｒ＝0.011ｍ2·Ｋ／Ｗ
(2) 單層玻璃的傳熱熱絕緣系數：Ｒ0＝Ｒｉ+Ｒ+Ｒｅ＝0.11+0.011+.0.4＝0.161ｍ2·Ｋ／Ｗ
(3) 單層玻璃的傳熱系數Ｋ0為：Ｋ0＝1／Ｒ0＝6.21Ｗ／(ｍ2·Ｋ)
3.2、中空玻璃(8+10+6)的傳熱系數計算
(1) 中空玻璃的熱絕緣系數Ｒ為：Ｒ＝Ｒ1+Ｒａ+Ｒ2＝0．159ｍ2·Ｋ／Ｗ式中：Ｒ1-外層玻璃熱絕緣系數(取0．011ｍ2·Ｋ／Ｗ)；Ｒ2-內層玻璃熱絕緣系數(取0．008ｍ2·Ｋ／Ｗ)；Ｒａ-冬季一般空氣層熱絕緣系數(取0．14ｍ2·Ｋ／Ｗ)；
(2) 中空玻璃的傳熱熱絕緣系數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Ｋ0為：Ｋ0＝1／Ｒ0＝3．24Ｗ／(ｍ2·Ｋ)
3．3、單層玻璃與中空玻璃傳熱系數的比較
以上計算表明：單層玻璃的傳熱系數比中空玻璃的傳熱系數大48%，說明中空玻璃的節能效果遠遠大于單層玻璃。
4 、幕墻建筑節能的經濟評價
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地增加建筑成本而產生的建筑節能效果所帶來的經濟效益和社會效益。下面，我們通過計算和分析，對幕墻的建筑節能效果作出綜合評價。
(1) 設位于北京市區的一幢商業建筑，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《采暖通風與空氣調節設計規范》(ＧＢＪ19-87)(以下簡稱《暖通規范》)的規定，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，取1．0；Ｆ-幕墻面積，為10000ｍ2；Ｋ-幕墻的傳熱系數，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
(3) 斷熱幕墻與單玻幕墻建筑節能效果的經濟比較
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能的經濟效益比較見表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，斷熱幕墻建筑節能所產生的經濟效益要比單玻幕墻多256萬元。這說明，斷熱幕墻的建筑節能所產生的經濟效益是十分明顯的。
5、結論
(1) 幕墻是我國近20年來發展起來的集新技術、新材料和新結構為一體的新型建筑材料，我國每年有數百萬平方米的幕墻投入使用，并以10%的速度繼續增長。因此，幕墻的建筑節能設計十分重要。
(2) 根據本文的技術分析、計算以及建筑節能經濟效益的評價，幕墻的建筑節能工作對建筑投資者、對社會都是十分有利的，用于建筑節能的投資完全可以收回，并能在幕墻的使用期內給投資者創造良好的經濟效益和社會效益。
(3) 采用斷熱幕墻的結構形式是幕墻建筑節能的最有效的途徑。
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