玻璃幕墻的發(fā)展與節(jié)能設(shè)計(jì)的應(yīng)用

容林彥

【摘 要】玻璃幕墻最多應(yīng)用在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，其傳熱系數(shù)較大，建筑能耗較之普通建筑幕墻要大得多，因此玻璃幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)在建筑節(jié)能中較為關(guān)鍵。本文就對(duì)玻璃幕墻進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，有效降低能耗，達(dá)到最大的節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的戰(zhàn)略目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】玻璃幕墻；建筑能耗；熱功分析；節(jié)能設(shè)計(jì)

一、前言

玻璃幕墻作為建筑外圍結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在建筑節(jié)能中發(fā)揮著越來越重要的作用。玻璃幕墻的環(huán)保節(jié)能程度已成為人們衡量幕墻品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，而能耗的問題是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。玻璃幕墻由支承結(jié)構(gòu)體系與玻璃組成，相對(duì)建筑的主體結(jié)構(gòu)有一定的位移能力，不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)所受作用的建筑外圍結(jié)構(gòu)或裝飾機(jī)構(gòu)。節(jié)能玻璃有著色玻璃、陽光控制鍍膜玻璃、普通中空玻璃和LOW-E玻璃等。

二、建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的重要技術(shù)參數(shù)

1.窗墻比。

《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）將窗墻比的上限定為0.7，是考慮到公共建筑風(fēng)格越來越通透明亮的趨勢(shì)。也就是說，某個(gè)立面即使是采用全玻璃幕墻，扣除各層樓板及樓板下面梁的面積（因?yàn)闃前寮皹前逑旅媪号c幕墻之間的間隙必須設(shè)置保溫隔熱材料），其窗墻比一般不超過0.7。

2.傳熱系數(shù)K。

傳熱系數(shù)是代表門窗內(nèi)外溫差是1K時(shí)，每平方米面積門窗上所流失的能量值。在本標(biāo)準(zhǔn)中K值的多少成為該建筑門窗節(jié)能是否達(dá)標(biāo)的第一衡量標(biāo)準(zhǔn)。

3.遮陽系數(shù)Sc。

除嚴(yán)寒地區(qū)未對(duì)遮陽系數(shù)做明確量化比以外，其他三類地區(qū)均對(duì)門窗的遮陽系數(shù)有明確要求。對(duì)于寒冷地區(qū)而言外遮陽系數(shù)可以不做重點(diǎn)考慮，因?yàn)橹锌詹ＡУ恼陉栂禂?shù)一般在0.8左右加至窗框的所占整窗比例綜合平均，達(dá)到相應(yīng)要求難度不大。但就夏熱冬暖地區(qū)而言，遮陽系數(shù)就需要給予關(guān)注。遮陽系數(shù)的多少成為該建筑門窗節(jié)能是否達(dá)標(biāo)的第二衡量要求。

4.體形系數(shù)。

體形系數(shù)是指建筑物外表面積對(duì)比整體建筑物的建筑面積的比例。在本標(biāo)準(zhǔn)中，體形系數(shù)是嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)對(duì)外門窗K值的第二分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。由于外表面積比例越大，就會(huì)導(dǎo)致建筑傳熱損失越大，而傳熱損失對(duì)室內(nèi)外溫差最為敏感，所以就冬季室內(nèi)外溫差較大的取暖地區(qū)而言，體形系數(shù)越大則外窗保溫要求就越高。

三、建筑幕墻門窗系統(tǒng)主要材料的熱工分析

建設(shè)筑幕墻門窗系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)考慮的主要構(gòu)件為玻璃及鋁合金框架。

1.建筑幕墻玻璃。

玻璃的熱工性能用兩個(gè)參數(shù)來表征：

一是傳熱系數(shù)U值：U=Q1/（To-Ti）； To-室內(nèi)溫度，Ti-室外溫度，Q1-由室外傳入室內(nèi)的熱量。

二是遮陽系數(shù)Sc，它是玻璃的太陽能總透過率與3㎜無色透明玻璃太陽能總透過率的比值，即玻璃的遮陽系數(shù)是義為Sc=Q2/0.889 Q2-包括太陽的直接透射率和玻璃吸收太陽光后以熱輻射的形式向室內(nèi)的二次透射率。

2.幕墻門窗系數(shù)采用建筑玻璃的種類及選擇。

依據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）的要求，對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)，根據(jù)不同的體型系數(shù)和窗墻比，傳熱系數(shù)的限值為1.3～2.7w/（㎡.k），只能部分滿足節(jié)能設(shè)計(jì)要求，而Low-E中空玻璃，其傳熱系數(shù)為1.5～2.1w/（㎡k），可滿足節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

Low-E中空玻璃，特別是雙銀Low-E中空玻璃，不但導(dǎo)熱系數(shù)低，保溫性能良好，其遮陽系數(shù)也可降至0.3～0.6，隔熱性非常好，可滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》在任何地區(qū)對(duì)玻璃傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)的要求，因此，建議設(shè)計(jì)上采用此種玻璃，以滿足及提高建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的需求。

3.幕墻鋁合金型材熱工分析。

玻璃為執(zhí)傳導(dǎo)的主要部件外，構(gòu)成幕墻門窗系統(tǒng)的另外一個(gè)構(gòu)件—-鋁合金型材對(duì)能量的傳導(dǎo)也起到一定的影響作用，鋁合金型材的框邊與玻璃面積的比例達(dá)到8～18%，并且鋁合金的熱傳導(dǎo)能力是玻璃的上百倍，傳熱系數(shù)達(dá)到203.0w/（㎡k），普通的鋁合金框架將形成熱橋產(chǎn)生能耗及結(jié)露，因此在設(shè)計(jì)中也應(yīng)考慮鋁合金框架對(duì)能耗的影響。

四、玻璃幕墻的節(jié)能設(shè)計(jì)原則及材料選擇

1.節(jié)能設(shè)計(jì)原則。

在相關(guān)的建筑設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)建筑的隔熱有著明確的規(guī)定和要求，因此在玻璃幕墻設(shè)計(jì)時(shí)，保溫隔熱性是重要的指標(biāo)之一。在設(shè)計(jì)施行過程中，需要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮不同地區(qū)氣候特征，根據(jù)實(shí)際工程可參考下列原則：一是遵守國家法律法規(guī)及相關(guān)規(guī)范；二是要在充分考慮當(dāng)?shù)貧夂虻那闆r下進(jìn)行選材；三是要在冬天極寒地區(qū)進(jìn)行保溫設(shè)計(jì)、在夏季極熱地區(qū)進(jìn)行隔熱、通風(fēng)設(shè)計(jì)；四是在熱工設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)各種復(fù)雜的傳熱過程和傳熱方式進(jìn)行分析和研究。

2.玻璃幕墻材料的選擇。

（1）玻璃材料選擇

玻璃幕墻和建筑外窗的能耗接近建筑總能耗的50%，要實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)，玻璃幕墻和建筑外窗材料的選擇非常重要。因此，減少玻璃的能耗也就是減少幕墻耗能的關(guān)鍵所在，對(duì)于玻璃上的能耗來說，光學(xué)性和熱學(xué)性能又是占主導(dǎo)地位的，也是節(jié)能設(shè)計(jì)考慮的主要指標(biāo)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015對(duì)透明幕墻的遮陽要求，通常采用板面自身遮陽和遮陽系統(tǒng)。目前，常用的玻璃有著色玻璃、陽光控制鍍膜玻璃、普通中空玻璃和鍍膜反射玻璃（即Low-E玻璃）等，具體我們通過不同地區(qū)的實(shí)際來進(jìn)行探討。嚴(yán)寒地區(qū)耗能主要是用在采暖上，對(duì)玻璃的傳熱系數(shù)要求高，一般采用中空玻璃，考慮其輻射，可進(jìn)一步選擇低輻射中空玻璃；相反，在炎熱地區(qū)建筑的耗能主要用在制冷上，節(jié)能的主要方向是為提高圍護(hù)系統(tǒng)的隔熱效果，這時(shí)候就要求減小玻璃的遮陽系數(shù)來有效阻止陽光進(jìn)入室內(nèi)，板面自身遮陽往往采用陽光控制鍍膜玻璃、著色玻璃、Low-E玻璃等。

（2）隔熱材料選擇

玻璃幕墻中的支撐構(gòu)架幾乎都是用鋁合金材料，和玻璃相比，金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)更大，這就不可避免的會(huì)在普通玻璃幕墻中產(chǎn)生熱橋現(xiàn)象，因此，采用斷熱橋鋁型材是最好的，斷熱橋鋁型材能夠利用低導(dǎo)熱系數(shù)材料來形成合理規(guī)格的隔熱條，通過鋁型材進(jìn)行分割的原理來達(dá)到有效的節(jié)能效果。在實(shí)際工程中已有應(yīng)用效果良好，經(jīng)實(shí)踐證明，在炎熱的夏季，斷橋鋁型材在室外溫度達(dá)到50℃左右時(shí)，室內(nèi)溫度仍然可維持在25℃左右，也就是說斷橋鋁型材能夠有效的控制玻璃的傳熱作用，保持室內(nèi)溫度在一個(gè)適宜的范圍內(nèi)。

（3）保溫材料選擇

在玻璃幕墻層間梁位置，可采用保溫巖棉和單片玻璃的組合，這樣可以確保玻璃幕墻非透明部位達(dá)到保溫要求。

五、玻璃幕墻節(jié)能材料的使用

玻璃幕墻和建筑外窗的能耗接近建筑總能耗的50%，要實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)，玻璃幕墻和建筑外窗材料的選擇非常重要。目前，常用的玻璃有著色玻璃、陽光控制鍍膜玻璃、普通中空玻璃和LOW-E玻璃等，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各種具有獨(dú)特功能的玻璃陸續(xù)問世，使玻璃的品種越來越多。如熱反射鍍膜玻璃有良好的控光性，對(duì)太陽輻射的反射率高達(dá)30%?？梢杂行У臏p少進(jìn)入室內(nèi)的熱量、節(jié)約能耗。還有鍍膜反射玻璃也是我們常說的LOW-E玻璃，它可以有效的吸收紅外線，大大降低因輻射而造成的室內(nèi)熱能向室外的傳遞，達(dá)到理想的節(jié)能效果。

六、結(jié)論

通過以上分析，在進(jìn)行玻璃幕墻門窗系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)各種構(gòu)件合理選擇搭配使用，充分考慮影響能耗的傳熱系數(shù)、遮陽系數(shù)、窗墻比、玻璃的反射率、采光要求等各項(xiàng)參數(shù)；還應(yīng)考慮到建筑物的地理位置、朝向，結(jié)合建筑物的使用要求，采取有效的措施增加保溫材料、增加遮陽系統(tǒng)等進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析，以使得玻璃幕墻門窗系統(tǒng)的節(jié)能效果達(dá)到最高，滿足節(jié)能要求。

參考文獻(xiàn)：

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