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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(dǎo)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(yīng)保證封閉。

　　實際工程中，當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)注意如下幾點：

　　1. 建筑幕墻的節(jié)能構(gòu)造設(shè)計應(yīng)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(dāng)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(dǎo)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