| 摘 要：提出了玻璃幕墙建筑节能的设计原则，分析了铝型材的热工设计，对单层玻璃与中空玻璃的传热系数进行了比较，并对幕墙建筑节能进行了经济评价，指出：幕墙的建筑节能设计十分重要；在幕墙使用期内，用于节能的投资完全可以收回，且可创造良好的经济效益和社会效益；采用断热幕墙的结构形式是幕墙建筑节能的最有效途径。 关键词：玻璃幕墙建筑；建筑节能；断热幕墙；经济评价 |
玻璃幕墙(以下简称“幕墙”)是现代化建筑的主要外围护结构之一，其节能已成为我国建筑节能的重要一环。本文就幕墙的节能进行技术分析、计算，对节能效果进行经济评价。
1 幕墙建筑节能的设计原则
我国幅员辽阔，当北方还是冰天雪地的时候，南方已是春暖花开的季节。本文提出下列措施，作为幕墙建筑节能的设计原则：(1)严寒地区、寒冷地区和温和地区的幕墙，要进行冬季的保温设计，夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的幕墙，要进行夏季的隔热设计。(2)我国目前尚没有专门的幕墙热工设计标准或规范，幕墙热工设计依据国家现行的外墙和窗户热工设计的有关标准、规范和参考国外的有关热工设计规程。(3)进行幕墙热工设计时，必须对其复杂的传热过程和传热方式进行分析和研究。幕墙的传热过程大致有3种途径：①幕墙外表面与周围空气和外界环境间的换热：外表面与周围空气间的对流换热，外表面与外界环境间的辐射换热，外表面与空间的各种长波(如电磁波、红外线等产生的长波)辐射换热；②幕墙内表面与室内空气和室内环境间的换热：内表面与室内空气间的对流换热，内表面与室内环境间的辐射换热；③幕墙和金属框格的传热：通过单层玻璃的热流传热，通过金属框格传热，通过玻璃的镀膜层减少辐射换热。(4)幕墙的传热系数由建筑物的外形和所处地区的气候条件、型材的传热系数和玻璃的传热系数等综合确定。
2、铝型材的热工设计
型材是幕墙的主要受力构件。目前，幕墙绝大部分采用铝型材和彩板型材。本文以铝型材为例进行热工分析和计算。
2.1、铝型材的热绝缘系数计算
根据《民用建筑热工设计规范》(以下简称《热工规范》)规定，铝型材的热绝缘系数Ｒ为：Ｒ＝δ／λ式中：Ｒ-材料层的热绝缘系数(ｍ2·Ｋ／Ｗ)；δ-材料层的厚度(ｍ)；λ-材料的导热系数〔取203Ｗ／(ｍ·Ｋ)〕。设一根矩形实心铝型材，厚度为100ｍｍ，其热绝缘系数Ｒ为：Ｒ＝0.0005ｍ2·Ｋ／Ｗ上述计算结果没有考虑实际工程中所采用的是空心铝型材。而厚度为100ｍｍ厚的矩形空心铝型材，两边的壁厚一般分别为12ｍｍ，空心铝型材实际可导热的厚度仅为两边的壁厚部分(共24ｍｍ)。实心铝型材与空心铝型材的热绝缘系数比例为100∶24，空心铝型材的热绝缘系数Ｒ为：Ｒ＝0。002ｍ2·Ｋ／Ｗ
2.2、铝型材的传热热绝缘系数计算
根据《热工规范》，铝型材的传热热绝缘系数Ｒ0为：Ｒ0＝Ｒｉ+Ｒ+Ｒｅ式中：Ｒｉ-铝型材内表面换热热绝缘系数(取0.11ｍ2·Ｋ／Ｗ)(下同)；Ｒｅ-铝型材外表面换热热绝缘系数(取0.04ｍ2·Ｋ／Ｗ)(下同)；Ｒ-铝型材热绝缘系数(取0.002ｍ2·Ｋ／Ｗ)。Ｒ0＝0．11+0.04+0.002＝0.152ｍ2·Ｋ／Ｗ
2.3、铝型材的传热系数计算
根据《热工规范》，铝型材的传热系数Ｋ0为：
Ｋ0＝1／Ｒ0
式中：Ｒ0-铝型材的传热热绝缘系数，取0.152ｍ2·Ｋ／Ｗ。
Ｋ0＝1／0.152＝6.58Ｗ／(ｍ2·Ｋ)
上式得出的计算结果是无断热铝型材的基本传热系数，这与《热工规范》表4.4.1中单层窗户的传热系数6.4Ｗ／(ｍ2·Ｋ)基本相同。
2.4、断热铝型材的基本设计要求
断热铝型材亦称隔热铝型材或绝热铝型材，由铝与塑料(或其它隔热材料)复合而成，其中间塑料隔热层主要生产工艺有嵌入式、挤压式和填充式等。
(1) 断热铝型材的传热过程十分复杂，传热系数很难计算，一般只有通过检测获得数据。参照ＤＩＮ4108《高层建筑的隔热》(1981.8)(下称“ＤＩＮ4108规程”)规定，断热铝型材的基本传热系数Ｋ0不大于3.5Ｗ／(ｍ2·Ｋ)。
(2) 断热铝型材的中间塑料层的最小厚度，按ＤＩＮ4108规程规定，最小应为7ｍｍ。
(3) 断热铝型材的中间塑料层的设计，必须满足型材的整体强度和刚度的要求。
3、幕墙玻璃传热系数的比较
严寒地区和寒冷地区的冬季，由于单层玻璃幕墙(下称“单玻幕墙”)的传热系数较大，导致室温降低，并且很容易在幕墙的内表面形成蒸气水珠和产生结冰现象。为了有效地改善上述地区幕墙的传热系数，采用断热铝中空玻璃幕墙(下称“断热幕墙”)是重要的措施之一。ＤＩＮ4108规程规定，断热幕墙的传热系数Ｋ0不大于3.5Ｗ／(ｍ2·Ｋ)。玻璃的传热系数依据《热工规范》计算。
3.1、单层玻璃(8ｍｍ)的传热系数计算
(1) 单层玻璃的热绝缘系数：Ｒ＝0.011ｍ2·Ｋ／Ｗ
(2) 单层玻璃的传热热绝缘系数：Ｒ0＝Ｒｉ+Ｒ+Ｒｅ＝0.11+0.011+.0.4＝0.161ｍ2·Ｋ／Ｗ
(3) 单层玻璃的传热系数Ｋ0为：Ｋ0＝1／Ｒ0＝6.21Ｗ／(ｍ2·Ｋ)
3.2、中空玻璃(8+10+6)的传热系数计算
(1) 中空玻璃的热绝缘系数Ｒ为：Ｒ＝Ｒ1+Ｒａ+Ｒ2＝0．159ｍ2·Ｋ／Ｗ式中：Ｒ1-外层玻璃热绝缘系数(取0．011ｍ2·Ｋ／Ｗ)；Ｒ2-内层玻璃热绝缘系数(取0．008ｍ2·Ｋ／Ｗ)；Ｒａ-冬季一般空气层热绝缘系数(取0．14ｍ2·Ｋ／Ｗ)；
(2) 中空玻璃的传热热绝缘系数Ｒ0为：Ｒ0＝Ｒｉ+Ｒ+Ｒｅ＝0．11+0．159+0．04＝0．309ｍ2·Ｋ／Ｗ(3)中空玻璃的传热系数Ｋ0为：Ｋ0＝1／Ｒ0＝3．24Ｗ／(ｍ2·Ｋ)
3．3、单层玻璃与中空玻璃传热系数的比较
以上计算表明：单层玻璃的传热系数比中空玻璃的传热系数大48%，说明中空玻璃的节能效果远远大于单层玻璃。
4 、幕墙建筑节能的经济评价
在我国，人们十分重视建筑成本的控制，而容易忽略通过适当地增加建筑成本而产生的建筑节能效果所带来的经济效益和社会效益。下面，我们通过计算和分析，对幕墙的建筑节能效果作出综合评价。
(1) 设位于北京市区的一幢商业建筑，幕墙面积为10000ｍ2，建筑的层高均小于4ｍ，北京市每年的采暖天数为129ｄ，考虑每天实际采暖10ｈ。分别按使用单玻幕墙和断热幕墙这2种方案计算其耗热量。根据《采暖通风与空气调节设计规范》(ＧＢＪ19-87)(以下简称《暖通规范》)的规定，幕墙的基本耗热量为：Ｑ＝αＦＫ(ｔｎ-ｔｗｎ)式中：Ｑ-幕墙的基本耗热量(Ｗ)；α-幕墙的温差修正系数，取1．0；Ｆ-幕墙面积，为10000ｍ2；Ｋ-幕墙的传热系数，单玻幕墙取6．4Ｗ／(ｍ2·Ｋ)，断热幕墙取3．5Ｗ／(ｍ2·Ｋ)；ｔｎ-冬季室内计算温度，取19℃；ｔｗｎ-采暖室外计算温度，取-9℃。为简便计算，上式中设定：①幕墙的结构类型为Ⅰ型；②采暖室外计算温度取采暖室外计算(干球)温度值；③未考虑通过幕墙的开窗、孔洞或屋顶、地面侵入室内的冷空气的耗热量；④未考虑通过幕墙缝隙渗入室内的冷空气的耗热量；⑤未考虑建筑的朝向；⑥Ｑ仅为理论计算值。单玻幕墙的基本耗热量Ｑ1＝1792ｋＷ；断热幕墙的基本耗热量Ｑ2＝980ｋＷ。
(2) 单玻幕墙比断热幕墙每年采暖多消耗的热量(热能)转换为电能Ｅ：Ｅ＝(1792-980)×129×10＝1047480ｋＷ·ｈ
(3) 断热幕墙与单玻幕墙建筑节能效果的经济比较
设单玻幕墙的单位造价为1300元／ｍ2，断热幕墙的单位造价为1800元／ｍ2，则初始投资增加500万元。北京市的电价(假定10年内不变)为0．70元／(ｋＷ·ｈ)，功率因素为0．9，单玻幕墙比断热幕墙每年采暖多支出的电费82万元设人民币的年利率为5%(假定10年内不变)，单玻幕墙与断热幕墙建筑节能的经济效益比较见表1。由表1比较得知，断热幕墙到第7年即可收回全部所增加的建筑成本，到第10年，断热幕墙建筑节能所产生的经济效益要比单玻幕墙多256万元。这说明，断热幕墙的建筑节能所产生的经济效益是十分明显的。
5、结论
(1) 幕墙是我国近20年来发展起来的集新技术、新材料和新结构为一体的新型建筑材料，我国每年有数百万平方米的幕墙投入使用，并以10%的速度继续增长。因此，幕墙的建筑节能设计十分重要。
(2) 根据本文的技术分析、计算以及建筑节能经济效益的评价，幕墙的建筑节能工作对建筑投资者、对社会都是十分有利的，用于建筑节能的投资完全可以收回，并能在幕墙的使用期内给投资者创造良好的经济效益和社会效益。
(3) 采用断热幕墙的结构形式是幕墙建筑节能的最有效的途径。
1 幕墙建筑节能的设计原则
我国幅员辽阔，当北方还是冰天雪地的时候，南方已是春暖花开的季节。本文提出下列措施，作为幕墙建筑节能的设计原则：(1)严寒地区、寒冷地区和温和地区的幕墙，要进行冬季的保温设计，夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的幕墙，要进行夏季的隔热设计。(2)我国目前尚没有专门的幕墙热工设计标准或规范，幕墙热工设计依据国家现行的外墙和窗户热工设计的有关标准、规范和参考国外的有关热工设计规程。(3)进行幕墙热工设计时，必须对其复杂的传热过程和传热方式进行分析和研究。幕墙的传热过程大致有3种途径：①幕墙外表面与周围空气和外界环境间的换热：外表面与周围空气间的对流换热，外表面与外界环境间的辐射换热，外表面与空间的各种长波(如电磁波、红外线等产生的长波)辐射换热；②幕墙内表面与室内空气和室内环境间的换热：内表面与室内空气间的对流换热，内表面与室内环境间的辐射换热；③幕墙和金属框格的传热：通过单层玻璃的热流传热，通过金属框格传热，通过玻璃的镀膜层减少辐射换热。(4)幕墙的传热系数由建筑物的外形和所处地区的气候条件、型材的传热系数和玻璃的传热系数等综合确定。
2、铝型材的热工设计
型材是幕墙的主要受力构件。目前，幕墙绝大部分采用铝型材和彩板型材。本文以铝型材为例进行热工分析和计算。
2.1、铝型材的热绝缘系数计算
根据《民用建筑热工设计规范》(以下简称《热工规范》)规定，铝型材的热绝缘系数Ｒ为：Ｒ＝δ／λ式中：Ｒ-材料层的热绝缘系数(ｍ2·Ｋ／Ｗ)；δ-材料层的厚度(ｍ)；λ-材料的导热系数〔取203Ｗ／(ｍ·Ｋ)〕。设一根矩形实心铝型材，厚度为100ｍｍ，其热绝缘系数Ｒ为：Ｒ＝0.0005ｍ2·Ｋ／Ｗ上述计算结果没有考虑实际工程中所采用的是空心铝型材。而厚度为100ｍｍ厚的矩形空心铝型材，两边的壁厚一般分别为12ｍｍ，空心铝型材实际可导热的厚度仅为两边的壁厚部分(共24ｍｍ)。实心铝型材与空心铝型材的热绝缘系数比例为100∶24，空心铝型材的热绝缘系数Ｒ为：Ｒ＝0。002ｍ2·Ｋ／Ｗ
2.2、铝型材的传热热绝缘系数计算
根据《热工规范》，铝型材的传热热绝缘系数Ｒ0为：Ｒ0＝Ｒｉ+Ｒ+Ｒｅ式中：Ｒｉ-铝型材内表面换热热绝缘系数(取0.11ｍ2·Ｋ／Ｗ)(下同)；Ｒｅ-铝型材外表面换热热绝缘系数(取0.04ｍ2·Ｋ／Ｗ)(下同)；Ｒ-铝型材热绝缘系数(取0.002ｍ2·Ｋ／Ｗ)。Ｒ0＝0．11+0.04+0.002＝0.152ｍ2·Ｋ／Ｗ
2.3、铝型材的传热系数计算
根据《热工规范》，铝型材的传热系数Ｋ0为：
Ｋ0＝1／Ｒ0
式中：Ｒ0-铝型材的传热热绝缘系数，取0.152ｍ2·Ｋ／Ｗ。
Ｋ0＝1／0.152＝6.58Ｗ／(ｍ2·Ｋ)
上式得出的计算结果是无断热铝型材的基本传热系数，这与《热工规范》表4.4.1中单层窗户的传热系数6.4Ｗ／(ｍ2·Ｋ)基本相同。
2.4、断热铝型材的基本设计要求
断热铝型材亦称隔热铝型材或绝热铝型材，由铝与塑料(或其它隔热材料)复合而成，其中间塑料隔热层主要生产工艺有嵌入式、挤压式和填充式等。
(1) 断热铝型材的传热过程十分复杂，传热系数很难计算，一般只有通过检测获得数据。参照ＤＩＮ4108《高层建筑的隔热》(1981.8)(下称“ＤＩＮ4108规程”)规定，断热铝型材的基本传热系数Ｋ0不大于3.5Ｗ／(ｍ2·Ｋ)。
(2) 断热铝型材的中间塑料层的最小厚度，按ＤＩＮ4108规程规定，最小应为7ｍｍ。
(3) 断热铝型材的中间塑料层的设计，必须满足型材的整体强度和刚度的要求。
3、幕墙玻璃传热系数的比较
严寒地区和寒冷地区的冬季，由于单层玻璃幕墙(下称“单玻幕墙”)的传热系数较大，导致室温降低，并且很容易在幕墙的内表面形成蒸气水珠和产生结冰现象。为了有效地改善上述地区幕墙的传热系数，采用断热铝中空玻璃幕墙(下称“断热幕墙”)是重要的措施之一。ＤＩＮ4108规程规定，断热幕墙的传热系数Ｋ0不大于3.5Ｗ／(ｍ2·Ｋ)。玻璃的传热系数依据《热工规范》计算。
3.1、单层玻璃(8ｍｍ)的传热系数计算
(1) 单层玻璃的热绝缘系数：Ｒ＝0.011ｍ2·Ｋ／Ｗ
(2) 单层玻璃的传热热绝缘系数：Ｒ0＝Ｒｉ+Ｒ+Ｒｅ＝0.11+0.011+.0.4＝0.161ｍ2·Ｋ／Ｗ
(3) 单层玻璃的传热系数Ｋ0为：Ｋ0＝1／Ｒ0＝6.21Ｗ／(ｍ2·Ｋ)
3.2、中空玻璃(8+10+6)的传热系数计算
(1) 中空玻璃的热绝缘系数Ｒ为：Ｒ＝Ｒ1+Ｒａ+Ｒ2＝0．159ｍ2·Ｋ／Ｗ式中：Ｒ1-外层玻璃热绝缘系数(取0．011ｍ2·Ｋ／Ｗ)；Ｒ2-内层玻璃热绝缘系数(取0．008ｍ2·Ｋ／Ｗ)；Ｒａ-冬季一般空气层热绝缘系数(取0．14ｍ2·Ｋ／Ｗ)；
(2) 中空玻璃的传热热绝缘系数Ｒ0为：Ｒ0＝Ｒｉ+Ｒ+Ｒｅ＝0．11+0．159+0．04＝0．309ｍ2·Ｋ／Ｗ(3)中空玻璃的传热系数Ｋ0为：Ｋ0＝1／Ｒ0＝3．24Ｗ／(ｍ2·Ｋ)
3．3、单层玻璃与中空玻璃传热系数的比较
以上计算表明：单层玻璃的传热系数比中空玻璃的传热系数大48%，说明中空玻璃的节能效果远远大于单层玻璃。
4 、幕墙建筑节能的经济评价
在我国，人们十分重视建筑成本的控制，而容易忽略通过适当地增加建筑成本而产生的建筑节能效果所带来的经济效益和社会效益。下面，我们通过计算和分析，对幕墙的建筑节能效果作出综合评价。
(1) 设位于北京市区的一幢商业建筑，幕墙面积为10000ｍ2，建筑的层高均小于4ｍ，北京市每年的采暖天数为129ｄ，考虑每天实际采暖10ｈ。分别按使用单玻幕墙和断热幕墙这2种方案计算其耗热量。根据《采暖通风与空气调节设计规范》(ＧＢＪ19-87)(以下简称《暖通规范》)的规定，幕墙的基本耗热量为：Ｑ＝αＦＫ(ｔｎ-ｔｗｎ)式中：Ｑ-幕墙的基本耗热量(Ｗ)；α-幕墙的温差修正系数，取1．0；Ｆ-幕墙面积，为10000ｍ2；Ｋ-幕墙的传热系数，单玻幕墙取6．4Ｗ／(ｍ2·Ｋ)，断热幕墙取3．5Ｗ／(ｍ2·Ｋ)；ｔｎ-冬季室内计算温度，取19℃；ｔｗｎ-采暖室外计算温度，取-9℃。为简便计算，上式中设定：①幕墙的结构类型为Ⅰ型；②采暖室外计算温度取采暖室外计算(干球)温度值；③未考虑通过幕墙的开窗、孔洞或屋顶、地面侵入室内的冷空气的耗热量；④未考虑通过幕墙缝隙渗入室内的冷空气的耗热量；⑤未考虑建筑的朝向；⑥Ｑ仅为理论计算值。单玻幕墙的基本耗热量Ｑ1＝1792ｋＷ；断热幕墙的基本耗热量Ｑ2＝980ｋＷ。
(2) 单玻幕墙比断热幕墙每年采暖多消耗的热量(热能)转换为电能Ｅ：Ｅ＝(1792-980)×129×10＝1047480ｋＷ·ｈ
(3) 断热幕墙与单玻幕墙建筑节能效果的经济比较
设单玻幕墙的单位造价为1300元／ｍ2，断热幕墙的单位造价为1800元／ｍ2，则初始投资增加500万元。北京市的电价(假定10年内不变)为0．70元／(ｋＷ·ｈ)，功率因素为0．9，单玻幕墙比断热幕墙每年采暖多支出的电费82万元设人民币的年利率为5%(假定10年内不变)，单玻幕墙与断热幕墙建筑节能的经济效益比较见表1。由表1比较得知，断热幕墙到第7年即可收回全部所增加的建筑成本，到第10年，断热幕墙建筑节能所产生的经济效益要比单玻幕墙多256万元。这说明，断热幕墙的建筑节能所产生的经济效益是十分明显的。
5、结论
(1) 幕墙是我国近20年来发展起来的集新技术、新材料和新结构为一体的新型建筑材料，我国每年有数百万平方米的幕墙投入使用，并以10%的速度继续增长。因此，幕墙的建筑节能设计十分重要。
(2) 根据本文的技术分析、计算以及建筑节能经济效益的评价，幕墙的建筑节能工作对建筑投资者、对社会都是十分有利的，用于建筑节能的投资完全可以收回，并能在幕墙的使用期内给投资者创造良好的经济效益和社会效益。
(3) 采用断热幕墙的结构形式是幕墙建筑节能的最有效的途径。
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