淺述幕墻熱工性能設計

繆錦婷

(嘉特納幕墻(上海)有限公司，上海 200021)

1 概述

如今門窗系統越來越多被玻璃幕墻形式所取代，應用越發廣泛。玻璃幕墻相對門窗及石材鋁板等形式建筑外觀，能更好的提供采光性、美觀性以及絕佳的視野感受。但伴隨著其應用的廣泛，建筑能耗也大大增加，并在社會總能源消耗的占比越來越大。因此加強圍護結構的保溫隔熱性能，降低幕墻能耗成為了現在的一個重要課題。幕墻的熱工性能主要有三類：幕墻整體的傳熱系數、遮陽系數及結露性能。本文主要探討幕墻的傳熱系數，就熱傳遞方式結合實際工程，利用BISCO軟件，對幕墻熱工性能進行了分析。

2 熱量傳遞的基本方式

熱傳遞的概念為：由溫度差引起的一種熱能傳遞物理現象。熱傳遞包括三種形式：熱傳導、熱對流和熱輻射。只需物體內部或物體間存在溫度差，熱能就必定以以上三種方式中的一種或者多種從高溫向低溫處傳遞。

2.1 熱傳導

熱傳導是指在不同物體之間或同一物體內部存在溫差時，物體內分子等微觀振動、位移以及互相碰撞而產生能力傳遞現象。材料的熱導率又稱導熱系數，反映材料的導熱能力，不同材料的導熱系數不同。一般金屬導熱系數較高，空氣較小，列舉一些材料的導熱系數(見表1)。

表1 材料導熱系數

由表1可見，金屬材料導熱率是空氣的2 000倍。利用這一現象給生活帶來便利的物品比比皆是，例如帶木柄的不銹鋼鍋、杯墊等。

2.2 熱對流

熱對流的概念是指：流體內部由于溫差，質點從高溫到低溫、低溫到高溫的循環熱傳遞過程。熱對流分為兩種形式：自然對流和強制對流，自然對流是由自然溫度差形成，強制對流是由壓力差形成。例如熱雞蛋、冰可樂，在室溫環境下，由于溫差產生對流從而逐漸改變了自身的溫度，這種就稱為自然對流。再如風扇，通過壓力差產生對流，降低溫度，這就稱為強制對流。對流傳熱系數是分析對流效應的重要參數，影響對流傳熱系數的因素包含傳熱面面積、流體性質、溫度差值、流動方向、傳熱面粗糙程度等。

2.3 熱輻射

熱輻射是指物體以輻射電磁波的形式向外傳遞溫度的現象。溫度高于絕對零度的物體就能向周圍發出熱輻射，熱輻射一般以長波為主，包含紫外線、可見光及紅外線，成半球形直線傳播，溫度越高，輻射能也越大，見圖1。熱輻射傳遞無需介質，是真空中僅有的熱傳遞模式。例如靠近火源取暖、燈光的溫度等。輻射率主要取決于物體表面的性質，表面越粗糙，發射能力就越強。

3 工程中的應用

幕墻熱工性能的提高方法最基礎的原理就是改變熱傳遞的三種方式，通過減少熱導率，減少熱對流，降低輻射率等，達到降低幕墻傳熱系數及減少結露的目的。下面分別展開討論，如何運用熱傳遞的三種方式，改善幕墻的熱工性能。

3.1 熱傳導(導熱率)

減少熱傳導的方式最直接的就是減少導熱率，例如增加玻璃厚度、采用隱框形式幕墻、采用斷橋隔熱型材等。

傳熱系數是衡量玻璃熱工性能的重要指標之一。面板傳熱系數是指面板中部區域雙側環境溫度差為1 K時，在單位時間內通過單位面積玻璃的熱量。玻璃傳熱系數越高，則通過玻璃的傳熱量也越高。

單一材料層的熱阻R=t/λ,t為材料層厚度；λ為材料的導熱系數。

單片玻璃傳熱阻為Rt=Rsi+Rg+Rse,Rsi為內表面換熱阻，一般取0.13;Rse為外表面換熱阻，一般取0.05。

玻璃的傳熱系數Ug=1/Rt。

我們對比一下一片6 mm厚的玻璃和一片10 mm厚的玻璃，從表2數值可看出玻璃厚度越厚，傳熱系數越小，對幕墻熱工性能越有利。

表2 不同厚度玻璃的傳熱系數

增加熱阻的另一種方法就是采用斷橋隔熱型材。通過在型材間加穿條式隔熱型材或澆筑式隔熱型材。在相同室內外環境下，面板均采用10 mm單片清玻，我們對無斷熱型材和斷熱型材進行了分析對比，見圖2。

根據軟件分析(見表3)，我們很清楚的看到加了隔熱條后，室內框的溫度明顯升高，通過計算，我們得知隔熱型材的傳熱系數相對無隔熱型材小了將近一半。另外對于有開啟扇或中空玻璃作為面板的結構，隔熱位置最好保持在同一高度，使等溫線更加平坦，且保持與外界的隔斷，那么這個熱工設計是非常合理的。

表3 有無隔熱型材的傳熱系數

3.2 熱對流(減少空氣流動)

對流換熱系數hc=4+4Vs，Vs為表面附近的氣流速度,m/s。

由上式可知，影響對流換熱系數最重要的指標就是氣體流動速度。當采用中空玻璃面板時，中空層內氣體不同，對玻璃的傳熱系數U值就會相應不同。一般為了降低玻璃的傳熱系數，中空層會采用惰性氣體填充，如氬氣等，目的就是為了減少氣體的流動即減少熱對流的影響。

通過WINDOW 6軟件分析，我們得出8 mm+12A+8 mm的清玻填充空氣，其傳熱系數U值為2.636 W/(m2·K)，而8 mm+12Ar+8 mm的清玻填充氬氣，其傳熱系數U值為2.48 W/(m2·K)，若空氣層厚度越大，則降幅更為顯著。

另外，多隔空氣腔同樣能減少熱對流，當空氣層小于5 mm厚時，我們可以將空氣看作簡單的熱傳導材料，相應減少了熱對流的傳遞方式，減少了熱量的傳遞。同樣我們利用BISCO軟件做了兩種形式的模擬，對比見圖3。

通過計算框的傳熱系數(見表4)，得出膠條隔空氣腔多的型材，框的傳熱系數更小。但要注意此方法對于空氣腔面積占比較大的結構形式作用較大，如一些特殊構造要求的外圍護結構，對于一般幕墻而言，采用更多的方法是改變玻璃，更有效直接。

表4 單、多腔型材的傳熱系數

3.3 熱輻射(減少表面粗糙度)

輻射換熱系數hr=4σεT3，其中，σ為常數，取5.67×10-8；ε為表面半球發射率，輻射率越高，則發射能量越高，吸收能量也越高；T為室內外輻射溫度，因此從公式可看出表面半球發射率是輻射換熱系數的重要指標。

對于玻璃面板而言，減少熱輻射普遍采用的方法就是鍍膜，熱輻射對于玻璃的傳熱性能非常重要，玻璃鍍膜可以有效阻止太陽輻射能盡可能少的進入室內，從而降低能耗。

我們對比一下6 mm+12A+6 mm的中空玻璃和6 mm Low-E+12A+6 mm的中空Low-E玻璃傳熱系數，結果一目了然，見表5。

另外，我們需要注意，一般南方炎熱地區，Low-E膜鍍在第二面上，而北方寒冷地區一般將Low-E膜鍍在第三面，這樣的設置，更能有效滿足不同地區的需求。

表5 不同鍍膜玻璃傳熱系數

除了玻璃鍍膜，在型材上，我們可以考慮對斷熱型材前后兩面進行涂層、拋光等處理，降低表面輻射率，但是費用較貴，不夠經濟。又或者可在斷熱空腔中添加巖棉，此做法既能減少輻射，又能減少對流，效果極佳。但是，同樣的，和對流一樣，對面積占比較小的位置作用就差很多。另外注意，型材空腔內加巖棉并不能降低型材傳熱系數，由于空氣腔內溫差較小，熱輻射及對流較小，熱量會選擇最近的路線，即直接從鋁框傳遞。

4 結語

通過熱傳遞的三種方式，對幕墻設計進行改善，能有效提高玻璃幕墻熱工性能，其中減少熱傳導的方法最為直接有效，但要注意熱量過于集中傳遞易產生結露的問題。而對于熱對流及熱輻射，由于型材面積占比的問題，除了在玻璃鍍膜及采用惰性氣體填充中空層上應用較為廣泛，對于型材而言，作用就不那么經濟有效了。不過隨著大跨度結構及特殊裝飾要求的幕墻不斷增多，相信今后這兩種方式會得到更多的應用。