玻璃幕墻建筑節能技術(shù)分析

玻璃幕墻(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“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(huán)。本文就幕墻的節能進(jìn)行技術(shù)分析、計算，對節能效果進(jìn)行經(jīng)濟評價(jià)。

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(shí)候，南方已是春暖花開(kāi)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(jìn)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(jìn)行夏季的隔熱設計。(2)我國目前尚沒(méi)有專(zhuān)門(mén)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(hù)熱工設計的有關(guān)標準、規范和參考國外的有關(guān)熱工設計規程。(3)進(jìn)行幕墻熱工設計時(shí)，必須對其復雜的傳熱過(guò)程和傳熱方式進(jìn)行分析和研究。幕墻的傳熱過(guò)程大致有3種途徑：①幕墻外表面與周?chē)諝夂屯饨绛h(huán)境間的換熱：外表面與周?chē)諝忾g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(cháng)波(如電磁波、紅外線(xiàn)等產(chǎn)生的長(cháng)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(guò)單層玻璃的熱流傳熱，通過(guò)金屬框格傳熱，通過(guò)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(jìn)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(jiǎn)稱(chēng)《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(shí)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(méi)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(wú)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(hù)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(chēng)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(guò)程十分復雜，傳熱系數很難計算，一般只有通過(guò)檢測獲得數據。參照DIN4108《高層建筑的隔熱》(1981。8)(下稱(chēng)“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(mǎn)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(chēng)“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(chǎn)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(chēng)“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：?jiǎn)螌硬ＡУ膫鳠嵯禂当戎锌詹ＡУ膫鳠嵯禂荡?8%，說(shuō)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(jīng)濟評價(jià)

在我國，人們十分重視建筑成本的控制，而容易忽略通過(guò)適當地增加建筑成本而產(chǎn)生的建筑節能效果所帶來(lái)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。下面，我們通過(guò)計算和分析，對幕墻的建筑節能效果作出綜合評價(jià)。

(1)

設位于北京市區的一幢商業(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種方案計算其耗熱量。根據《采暖通風(fēng)與空氣調節設計規范》(GBJ19-87)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《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(jiǎn)便計算，上式中設定：①幕墻的結構類(lèi)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(guò)幕墻的開(kāi)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(guò)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(jīng)濟比較

設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(wàn)元。北京市的電價(jià)(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(wàn)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(jīng)濟效益比較見(jiàn)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(chǎn)生的經(jīng)濟效益要比單玻幕墻多256萬(wàn)元。這說(shuō)明，斷熱幕墻的建筑節能所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益是十分明顯的。

5、結論

(1)

幕墻是我國近20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的集新技術(shù)、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(wàn)平方米的幕墻投入使用，并以10%的速度繼續增長(cháng)。因此，幕墻的建筑節能設計十分重要。

(2)

根據本文的技術(shù)分析、計算以及建筑節能經(jīng)濟效益的評價(jià)，幕墻的建筑節能工作對建筑投資者、對社會(huì )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(chuàng )造良好的經(jīng)濟效益和社會(huì )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。