4非透明幕墻節(jié)能設(shè)計分析

4.1玻璃幕墻組成的非透明幕墻

　　以常見的樓層結(jié)構(gòu)梁處非透明玻璃幕墻為例。樓層高度為3.6米，非透明部分的高度為1.2米，分格寬度1.2米。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁寬度300mm高度500mm；樓板上反梁高度300mm,寬度200mm。如圖1、圖2所示。

圖1 非透明幕墻分格剖面圖(層高3600，非透明幕墻部分高度1200)

圖2 節(jié)能的非透明玻璃幕墻構(gòu)造

圖3 不節(jié)能的非透明玻璃幕墻構(gòu)造

以夏熱冬暖地區(qū)為例，非透明幕墻的傳熱系數(shù)要求為K≤1.5 W/(m2·K)，玻璃選用6mm鋼化玻璃，保溫棉選用40mm厚巖棉。根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》GB50176-93，其熱工簡化計算如下：

　　玻璃幕墻部分熱阻（以一個分格計算）：

　　鋁框部分面積 A框=1.2×1.2-1.128×1.128=0.168m2
　　玻璃部分面積 A玻=1.128×1.128 =1.272 m2
　　玻璃熱阻 R玻=δ/λ=0.006/0.76=0.008(m2·K) / W
　　鋁框熱阻 R框 = 0.10 (m2·K)/ W
　　玻璃幕墻部分（按面積加權(quán)）熱阻 R1= ( R玻A玻+ R框A框 )/ ( A玻+ A框 ) =（0.008×1.272+0.10×0.168）/（1.272+0.168）= 0.0187 (m2·K) /W （1）
封閉空氣層部分熱阻 （GB50176-93 附表2.4）：
　　冬季R空 = 0.18 (m2·K)/ W 夏季R空 = 0.15 (m2·K)/ W （2）

　　墻體部分熱阻：
　　結(jié)構(gòu)梁部分熱阻 R梁1=δ/λ= 0.30/1.74 = 0.172(m2·K) / W
　　反梁部分熱阻 R梁2=δ/λ= 0.20/1.74 = 0.115(m2·K) / W
　　保溫棉部分熱阻 R棉 =δ/λ= 0.04/0.050 = 0.800(m2·K) / W
　　墻體部分(按面積加權(quán)) 熱阻 R2= ( R梁1A 梁1+ R梁2A 梁2 + R棉A棉)/ ( A梁1+ A梁2 + A棉)=（0.172×0.500+0.115×0.300+0.800×0.400）/（0.500+0.300+0.400）= 0.367(m2·K) / W （3）

　　由（1）（2）（3），根據(jù)GB50176-93公式附2.2和附2.4，非透明幕墻傳熱阻：

　　冬季R0= Ri + R1+ R空+ R2+Re =0.11+0.0187+0.18+0.367+0.04=0.716 (m2·K) / W

　　此非透明幕墻的傳熱系數(shù)（冬季）為：
　　K=1/ R0 =1/0.716=1.397W/(m2·K) ≤1.5 W/(m2·K) （4）
　　夏季R0= Ri + R1+ R空+ R2+Re = 0.11+0.0187+0.15+0.367+0.05 =0.696(m2·K) / W

　　此非透明幕墻的傳熱系數(shù)（夏季）為：
　　K=1/ R0 =1/0.696 =1.437W/(m2·K) ≤1.5 W/(m2·K) （5）

　　由（4）（5）表明，6mm厚單層玻璃及40mm厚保溫棉的構(gòu)造能滿足夏熱冬暖地區(qū)的節(jié)能要求。

　　采取同樣的計算方法，該種非透明幕墻的構(gòu)造適宜的氣候地區(qū)域構(gòu)造列表如表7。

表7 示例非透明幕墻構(gòu)造與適宜區(qū)域列表[K單位：W/(m2·K)]

玻璃	鋁型材	保溫棉厚度	傳熱系數(shù)K(冬季)	傳熱系數(shù)K(夏季)	適合地區(qū)
6mm 單層	普通	40mm	1.397	1.437	夏熱冬暖
6+9+6中空	斷熱	20mm	1.426	1.468	夏熱冬暖
6mm 單層	普通	90mm	0.953	0.972	夏熱冬冷
6+9+6中空	斷熱	70mm	0.966	0.986	夏熱冬冷
6mm 單層	斷熱	190mm	0.581	0.588	寒冷地區(qū)
6+9+6中空	斷熱	170mm	0.588	0.595	寒冷地區(qū)
6mm 單層	斷熱	240mm	0.487	0.491	嚴寒B區(qū)
6+9+6中空	斷熱	220mm	0.491	0.496	嚴寒B區(qū)
6mm 單層	斷熱	280mm	0.431	0.434	嚴寒A區(qū)
6+9+6中空	斷熱	260mm	0.435	0.438	嚴寒A區(qū)
6mm 單層	斷熱	310mm	0.397	0.400	嚴寒A區(qū)
6+9+6中空	斷熱	300mm	0.389	0.392	嚴寒A區(qū)

從計算與列表可以看出：

　　1. 玻璃幕墻部分的傳熱阻約為非透明部分（墻體）的5%，是封閉空氣層的10%，封閉空氣層的寬度超過60mm后對熱阻的影響不大（計算取值不變），因而提高非透明玻璃幕墻熱阻的辦法應重點考慮提高玻璃幕墻后置墻體（保溫板）的熱阻。

　　2. 單層玻璃完全能滿足不同氣候區(qū)域?qū)ΣＡ�幕墻組成的非透明幕墻的熱工要求。

　　3. 鋁框因所占的面積比例較小，因而對非透明幕墻的傳熱系數(shù)影響不大，但寒冷與嚴寒地區(qū)因采暖時間長，為避免型材表面結(jié)露結(jié)霜，應選用斷熱型材。

　　4. 從構(gòu)造上看，熱阻的計算將玻璃幕墻、封閉空氣層和墻體作為多層圍護結(jié)構(gòu)來考慮，所以空氣層必須封閉。如圖3示。當空氣層不封閉時，透過玻璃幕墻的熱量直接與室內(nèi)空氣層直接進行交換，墻體對熱量的阻擋會有很大程度的降低，而達不到節(jié)能要求。

4.2鋁板幕墻組成的非透明幕墻

 
圖4 非透明幕墻------鋁板幕墻

圖5 非透明幕墻----石材幕墻

以3mm單層鋁板幕墻為例，節(jié)點構(gòu)造如圖4。保溫棉為20mm厚巖棉加單層鋁箔、后置墻體為120mm厚重砂漿砌筑粘土磚砌體，鋁板幕墻與墻體間封閉空氣層為100mm 。

　　本非透明幕墻圍護結(jié)構(gòu)的隔熱層依次為單層鋁板、保溫棉、封閉空氣層、墻體。根據(jù)GB50176-93，熱工計算如下：

　　鋁板熱阻 R鋁=δ/λ =0.003/203 =0.000015(m2·K) / W
　　保溫棉熱阻 R棉=δ/λ =0.020/0.05=0.40 (m2·K) / W
　　鋁板幕墻部分熱阻 R幕= R鋁+ R棉 = 0.60 (m2·K) / W （6）

　　封閉空氣層部分熱阻 （GB50176-93 附表2.4）：
　　冬季R空 = 0.50 (m2·K)/ W 夏季R空 = 0.37 (m2·K)/ W （7）
　　墻體部分熱阻 R墻= 0.12/0.81 =0.148 (m2·K)/ W （8）

　　由（6）（7）（8）根據(jù)GB50176-93公式附2.2和附2.4，計算本非透明幕墻傳熱阻：

　　冬季R0= Ri + R幕+ R空+ R墻+Re =0.11+0.40+0.50+0.148+0.04=1.198 (m2·K) / W

　　此非透明幕墻的傳熱系數(shù)（冬季）為：
　　K=1/ R0 =1/1.198 =0.835W/(m2·K) ≤1.0 W/(m2·K) （9）
　　夏季R0= Ri + R幕+ R空+ R墻+Re =0.11+0.40+0.37+0.148+0.05=1.078 (m2·K) / W

　　此非透明幕墻的傳熱系數(shù)（夏季）為：
　　K=1/ R0 =1/1.078=0.928W/(m2·K) ≤1.0 W/(m2·K) （10）

　　由（9）（10）表明此非透明幕墻（鋁板幕墻）能滿足夏熱冬暖地區(qū)節(jié)能設(shè)計要求。

　　采取同樣的計算方式，該節(jié)點構(gòu)造適宜的氣候地區(qū)域構(gòu)造列表如表8：

表8 示例鋁板幕墻構(gòu)造與適宜區(qū)域列表[K單位：W/(m2·K)]

保溫棉厚度	傳熱系數(shù)(冬季)	傳熱系數(shù)(夏季)	適合地區(qū)
0*	1.253	1.475	夏熱冬暖
20mm	0.835	0.928	夏熱冬冷
50mm	0.556	0.596	寒冷地區(qū)
70mm	0.455	0.481	嚴寒B區(qū)
80mm	0.439	0.417	嚴寒A區(qū)
95mm	0.371	0.388	嚴寒A區(qū)

說明：保溫棉厚度為0是指熱阻計算時僅取空氣層為單面鋁箔的封閉空氣層，保溫棉未予考慮。無鋁箔時冬季和夏季的K值分別為2.09 W/(m2·K)與2.18 W/(m2·K)，不能達到節(jié)能要求。
從計算與列表可以看出：

　　1. 鋁板是熱的良導體，其熱阻可忽略不計。鋁板幕墻的熱阻取決于其后面的保溫襯里材料。

　　2. 鋁板幕墻作為非透明幕墻，采用合理的構(gòu)造能滿足不同氣候區(qū)域的節(jié)能要求。

　　3. 即使在夏熱冬暖地區(qū)，鋁板幕墻如不加襯保溫材料也不能滿足節(jié)能要求。

　　4. 從計算模型來看，鋁板幕墻與墻體間的空氣層應保證封閉。

　　實際工程中，當鋁板幕墻后無后置墻體時，可通過加厚襯里保溫棉的方法達到所在氣候區(qū)域的節(jié)能要求，保溫棉的厚度計算列表如表9。

表9 無后置墻體時，鋁板后襯保溫棉厚度列表[K單位：W/(m2·K)]

保溫棉厚度	傳熱系數(shù)(冬季)	傳熱系數(shù)(夏季)	適合地區(qū)
30mm	1.333	1.316	夏熱冬暖
45mm	0.952	0.943	夏熱冬冷
80mm	0.571	0.568	寒冷地區(qū)
95mm	0.488	0.485	嚴寒B區(qū)
105mm	0.444	0.442	嚴寒A區(qū)
120mm	0.392	0.391	嚴寒A區(qū)

如果鋁板幕墻后置墻體的傳熱系數(shù)能達到一定的數(shù)值，鋁板后可不加襯保溫材料。無需加襯保溫棉的情況，墻體傳熱系數(shù)K要求，如表10。

表10 無保溫棉時后置墻體的傳熱系數(shù)要求[K單位：W/(m2·K)]

后置墻體傳熱系數(shù)要求	非透明幕墻傳熱系數(shù)	適合地區(qū)
≤1.93	1.5	夏熱冬暖
≤1.18	1.0	夏熱冬冷
≤0.66	0.6	寒冷地區(qū)
≤0.54	0.5	嚴寒B區(qū)
≤0.48	0.45	嚴寒A區(qū)
≤0.42	0.4	嚴寒A區(qū)

4.3石材幕墻組成的非透明幕墻

　　以30mm石材幕墻為例，節(jié)點構(gòu)造如圖5。石材后加襯50mm厚保溫棉、石材幕墻后置墻體為200mm厚重砂漿砌筑粘土磚砌體，石材與保溫棉間為120厚空氣層，保溫棉與墻體間封閉空氣層為100mm。

　　本非透明幕墻圍護結(jié)構(gòu)的隔熱層依次為石材、封閉空氣層、保溫棉、封閉空氣層、墻體。根據(jù)GB50176-93，熱工計算如下：

　　花崗石板熱阻 R石 =δ/λ= 0.03/3.49 =0.0086(m2·K) / W
　　保溫棉熱阻 R棉 =δ/λ =0.050/0.05 =1.0(m2·K)/ W
　　墻體部分熱阻 R墻=δ/λ =0.20/0.81=0.247 (m2·K) / W
　　冬季傳熱阻為： R0= Ri + R石+ R空+ R 棉+ R空+ R墻+Re =0.11+0.0086+0.18+1.0+0.18+0.247+0.04 =1.77(m2·K) / W
　　此非透明幕墻傳熱系數(shù)（冬季）
　　K=1/ R0=1/1.77=0.566W/(m2·K) ≤0.6 W/(m2·K) （11）
　　夏季傳熱阻為： R0= Ri + R+ R 棉+ R空+ R墻+Re =0.11+0.0086+0.18+1.0+0.18+0.247+0.05=1.72(m2·K) / W

　　此非透明幕墻傳熱系數(shù)（夏季）
　　K=1/ R0=1/1.72=0.583W/(m2·K) ≤0.6 W/(m2·K) （12）
由（11）（12）可知此石材幕墻可以達到寒冷地區(qū)的節(jié)能要求。

　　采取同樣的方法計算，適合不同氣候區(qū)域的類似構(gòu)造石材幕墻的保溫棉厚度如表11。

表11 示例石材幕墻構(gòu)造適合區(qū)域列表[K單位：W/(m2·K)]

保溫棉厚度	傳熱系數(shù)(冬季)	傳熱系數(shù)(夏季)	適合地區(qū)
0*	1.306	1.398	夏熱冬暖
15mm	0.939	0.985	夏熱冬冷
50mm	0.566	0.583	寒冷地區(qū)
65mm	0.484	0.496	嚴寒B區(qū)
80mm	0.423	0.432	嚴寒A區(qū)
90mm	0.390	0.398	嚴寒A區(qū)

說明：保溫棉厚度為0時，計算仍取有兩個封閉空氣間層的數(shù)據(jù)，實際應用需有擋板。如無隔開的兩個空氣層時冬季和夏季的K值分別為1.708W/(m2·K)和 1.768W/(m2·K)，不能滿足夏熱冬暖地區(qū)的節(jié)能要求。

　　如石材幕墻后無后置墻體，采用增加保溫棉厚度來達到節(jié)能要求時，保溫棉厚度可參照表12選取。

表12 無后置墻體時石材后襯保溫棉厚度列表[K單位：W/(m2·K)]

保溫棉厚度	傳熱系數(shù)(冬季)	傳熱系數(shù)(夏季)	適合地區(qū)
20mm	1.354	1.392	夏熱冬暖
35mm	0.963	0.982	夏熱冬冷
70mm	0.575	0.582	寒冷地區(qū)
85mm	0.491	0.495	嚴寒B區(qū)
100mm	0.428	0.431	嚴寒A區(qū)
110mm	0.394	0.397	嚴寒A區(qū)

5透明幕墻節(jié)能設(shè)計分析

　　透明幕墻從目前的應用來看主要指玻璃幕墻，玻璃幕墻中玻璃與鋁框面積相比，玻璃所占比例遠大于鋁框。因此，從控制得熱與傳熱來講，玻璃幕墻的節(jié)能設(shè)計重點在玻璃的選擇上。一般建筑玻璃的選用會直接關(guān)系到建筑效果，所以在幕墻設(shè)計選用建筑玻璃時，一方面要注意其熱工性能，另一方面需與建筑師充分溝通協(xié)商。

　　表征玻璃熱工性能的指標有遮陽系數(shù)Sc和傳熱系數(shù)U。遮陽系數(shù)直接反映玻璃對陽光的遮陽效果，它體現(xiàn)的是玻璃的隔熱性能，Sc值越低反映其隔熱性能越好。傳熱系數(shù)反映玻璃溫差的傳熱特性，它體現(xiàn)的是玻璃的保溫性能，U值越低表明其保溫性能越好。以保溫為主的嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)應選用傳熱系數(shù)較小的玻璃產(chǎn)品；夏熱冬暖地區(qū)以隔熱為主，應選用遮陽系數(shù)較小的玻璃產(chǎn)品。

　　常用玻璃的熱工性能參數(shù)見表13。中空玻璃充氬氣后傳熱系數(shù)可降低0.2~0.3 W/(m2·K)。著色玻璃的遮陽系數(shù)一般為0.55~0.85，陽光控制鍍膜玻璃的遮陽系數(shù)一般為0.25~0.55，雙銀LOW-E中空玻璃的遮陽系數(shù)一般為0.30~0.60。

表13 常用玻璃的熱工性能參數(shù)

玻璃類型	普通單層玻璃	9mm 厚空氣層的 普通中空玻璃	12mm 厚空氣層的 普通中空玻璃	12mm 厚空氣層的 中空LOW-E玻璃
傳熱系數(shù) W/(m2.K)	5.8~6.4	3.2~3.5	2.8~3.2	1.6~1.8
遮陽系數(shù)	0.3~0.9	0.2~0.8	0.2~0.8	0.25~0.6

6.結(jié)束語

　　《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》的頒布與實施，對建筑幕墻的節(jié)能設(shè)計提出了明確的要求，但如何正確地把握和執(zhí)行標準，需要我們對它進行全面地理解。經(jīng)過上述簡單的構(gòu)造設(shè)計分析，可以總結(jié)出在幕墻的節(jié)能設(shè)計時應注意如下幾點：

　　1. 建筑幕墻的節(jié)能構(gòu)造設(shè)計應與項目所在的地理氣候條件緊密地結(jié)合起來，合理地選用材料。節(jié)能型幕墻并不一定都要使用“節(jié)能”材料，選用“節(jié)能”材料如果構(gòu)造設(shè)計不當同樣也不能建造出節(jié)能型幕墻。

　　2. 建筑幕墻的節(jié)能構(gòu)造設(shè)計要與外圍護結(jié)構(gòu)傳熱計算模型相一致，如封閉空氣層的設(shè)置，玻璃幕墻后非透明墻體的處理等都直接影響到節(jié)能效果。

　　3. 普通的建筑幕墻通過構(gòu)造上的設(shè)計完善，完全可以滿足不同地理氣候區(qū)域的節(jié)能要求。

    參 考 文 獻

[1] 公共建筑節(jié)能設(shè)計標準（GB50189-2005）.中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[2] 公共建筑節(jié)能設(shè)計標準宣貫輔導教材.中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[3] 涂逢祥主編.節(jié)能窗技術(shù).中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[4] 民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范（GB50176-93）.中國建筑工業(yè)出版社，1993.

[5] 張芹.玻璃幕墻如何貫徹執(zhí)行公共建筑節(jié)能設(shè)計標準.門窗幕墻信息.2005.9