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玻璃幕墻建筑節(jié)能技術(shù)分析及其經(jīng)濟評價

來源:中國幕墻網(wǎng)收集整理  作者:*  日期:2008-12-10  頁面功能 【字體: 】【打印】【投稿】【評論
  摘 要:提出了玻璃幕墻建筑節(jié)能的設(shè)計原則,分析了鋁型材的熱工設(shè)計,對單層玻璃與中空玻璃的傳熱系數(shù)進行了比較,并對幕墻建筑節(jié)能進行了經(jīng)濟評價,指出:幕墻的建筑節(jié)能設(shè)計十分重要;在幕墻使用期內(nèi),用于節(jié)能的投資完全可以收回,且可創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益和社會效益;采用斷熱幕墻的結(jié)構(gòu)形式是幕墻建筑節(jié)能的最有效途徑。
關(guān)鍵詞:玻璃幕墻建筑;建筑節(jié)能;斷熱幕墻;經(jīng)濟評價
  玻璃幕墻(以下簡稱“幕墻”)是現(xiàn)代化建筑的主要外圍護結(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)能進行技術(shù)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(shè)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)。本文提出下列措施,作為幕墻建筑節(jié)能的設(shè)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(shè)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(shè)計。(2)我國目前尚沒有專門的幕墻熱工設(shè)計標準或規(guī)范,幕墻熱工設(shè)計依據(jù)國家現(xiàn)行的外墻和窗戶熱工設(shè)計的有關(guān)標準、規(guī)范和參考國外的有關(guān)熱工設(shè)計規(guī)程。(3)進行幕墻熱工設(shè)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(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

  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(shè)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(shè)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(jié)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(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(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。

  (1) 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最小厚度,按DIN4108規(guī)程規(guī)定,最小應為7mm。

  (3) 斷熱鋁型材的中間塑料層的設(shè)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(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》計算。

  3.1、單層玻璃(8mm)的傳熱系數(shù)計算

  (1) 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

  (3) 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

  (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);

  (2) 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(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(diào)節(jié)設(shè)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(nèi)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(shè)定:①幕墻的結(jié)構(gòu)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(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(zhuǎn)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(jié)能效果的經(jīng)濟比較

  設(shè)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(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(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)計十分重要。

  (2) 根據(jù)本文的技術(shù)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)能的投資完全可以收回,并能在幕墻的使用期內(nèi)給投資者創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

  (3) 采用斷熱幕墻的結(jié)構(gòu)形式是幕墻建筑節(jié)能的最有效的途徑。
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