玻璃幕墻(以下簡稱“幕墻”)是現(xiàn)代化建筑的主要外圍護(hù)結(jié)構(gòu)之一，其節(jié)能已成為我國建筑節(jié)能的重要一環(huán)。本文就幕墻的節(jié)能進(jìn)行技術(shù)分析、計算，對節(jié)能效果進(jìn)行經(jīng)濟評價。

    1 幕墻建筑節(jié)能的設(shè)計原則

    我國幅員遼闊，當(dāng)北方還是冰天雪地的時候，南方已是春暖花開的季節(jié)。本文提出下列措施，作為幕墻建筑節(jié)能的設(shè)計原則：(1)嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)和溫和地區(qū)的幕墻，要進(jìn)行冬季的保溫設(shè)計，夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的幕墻，要進(jìn)行夏季的隔熱設(shè)計。(2)我國目前尚沒有專門的幕墻熱工設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，幕墻熱工設(shè)計依據(jù)國家現(xiàn)行的外墻和窗戶熱工設(shè)計的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和參考國外的有關(guān)熱工設(shè)計規(guī)程。(3)進(jìn)行幕墻熱工設(shè)計時，必須對其復(fù)雜的傳熱過程和傳熱方式進(jìn)行分析和研究。幕墻的傳熱過程大致有3種途徑：①幕墻外表面與周圍空氣和外界環(huán)境間的換熱：外表面與周圍空氣間的對流換熱，外表面與外界環(huán)境間的輻射換熱，外表面與空間的各種長波(如電磁波、紅外線等產(chǎn)生的長波)輻射換熱；②幕墻內(nèi)表面與室內(nèi)空氣和室內(nèi)環(huán)境間的換熱：內(nèi)表面與室內(nèi)空氣間的對流換熱，內(nèi)表面與室內(nèi)環(huán)境間的輻射換熱；③幕墻和金屬框格的傳熱：通過單層玻璃的熱流傳熱，通過金屬框格傳熱，通過玻璃的鍍膜層減少輻射換熱。(4)幕墻的傳熱系數(shù)由建筑物的外形和所處地區(qū)的氣候條件、型材的傳熱系數(shù)和玻璃的傳熱系數(shù)等綜合確定。

    2、鋁型材的熱工設(shè)計

    型材是幕墻的主要受力構(gòu)件。目前，幕墻絕大部分采用鋁型材和彩板型材。本文以鋁型材為例進(jìn)行熱工分析和計算。

    2.1、鋁型材的熱絕緣系數(shù)計算

    根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《熱工規(guī)范》)規(guī)定，鋁型材的熱絕緣系數(shù)Ｒ為：Ｒ＝δ／λ式中：Ｒ-材料層的熱絕緣系數(shù)(ｍ2·Ｋ／Ｗ)；δ-材料層的厚度(ｍ)；λ-材料的導(dǎo)熱系數(shù)〔取203Ｗ／(ｍ·Ｋ)〕。設(shè)一根矩形實心鋁型材，厚度為100ｍｍ，其熱絕緣系數(shù)Ｒ為：Ｒ＝0.0005ｍ2·Ｋ／Ｗ上述計算結(jié)果沒有考慮實際工程中所采用的是空心鋁型材。而厚度為100ｍｍ厚的矩形空心鋁型材，兩邊的壁厚一般分別為12ｍｍ，空心鋁型材實際可導(dǎo)熱的厚度僅為兩邊的壁厚部分(共24ｍｍ)。實心鋁型材與空心鋁型材的熱絕緣系數(shù)比例為100∶24，空心鋁型材的熱絕緣系數(shù)Ｒ為：Ｒ＝0。002ｍ2·Ｋ／Ｗ

    2.2、鋁型材的傳熱熱絕緣系數(shù)計算

    根據(jù)《熱工規(guī)范》，鋁型材的傳熱熱絕緣系數(shù)Ｒ0為：Ｒ0＝Ｒｉ+Ｒ+Ｒｅ式中：Ｒｉ-鋁型材內(nèi)表面換熱熱絕緣系數(shù)(取0.11ｍ2·Ｋ／Ｗ)(下同)；Ｒｅ-鋁型材外表面換熱熱絕緣系數(shù)(取0.04ｍ2·Ｋ／Ｗ)(下同)；Ｒ-鋁型材熱絕緣系數(shù)(取0.002ｍ2·Ｋ／Ｗ)。Ｒ0＝0．11+0.04+0.002＝0.152ｍ2·Ｋ／Ｗ

    2.3、鋁型材的傳熱系數(shù)計算

    根據(jù)《熱工規(guī)范》，鋁型材的傳熱系數(shù)Ｋ0為：

    Ｋ0＝1／Ｒ0
式中：Ｒ0-鋁型材的傳熱熱絕緣系數(shù)，取0.152ｍ2·Ｋ／Ｗ。
    Ｋ0＝1／0.152＝6.58Ｗ／(ｍ2·Ｋ)

上式得出的計算結(jié)果是無斷熱鋁型材的基本傳熱系數(shù)，這與《熱工規(guī)范》表4.4.1中單層窗戶的傳熱系數(shù)6.4Ｗ／(ｍ2·Ｋ)基本相同。

    2.4、斷熱鋁型材的基本設(shè)計要求

    斷熱鋁型材亦稱隔熱鋁型材或絕熱鋁型材，由鋁與塑料(或其它隔熱材料)復(fù)合而成，其中間塑料隔熱層主要生產(chǎn)工藝有嵌入式、擠壓式和填充式等。

    (1) 斷熱鋁型材的傳熱過程十分復(fù)雜，傳熱系數(shù)很難計算，一般只有通過檢驗獲得數(shù)據(jù)。參照ＤＩＮ4108《高層建筑的隔熱》(1981.8)(下稱“ＤＩＮ4108規(guī)程”)規(guī)定，斷熱鋁型材的基本傳熱系數(shù)Ｋ0不大于3.5Ｗ／(ｍ2·Ｋ)。

   (2) 斷熱鋁型材的中間塑料層的較小厚度，按ＤＩＮ4108規(guī)程規(guī)定，較小應(yīng)為7ｍｍ。

    (3) 斷熱鋁型材的中間塑料層的設(shè)計，必須滿足型材的整體強度和剛度的要求。

    3、幕墻玻璃傳熱系數(shù)的比較

    嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的冬季，由于單層玻璃幕墻(下稱“單玻幕墻”)的傳熱系數(shù)非常大，導(dǎo)致室溫降低，并且很容易在幕墻的內(nèi)表面形成蒸氣水珠和產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象。為了有效地改善上述地區(qū)幕墻的傳熱系數(shù)，采用斷熱鋁中空玻璃幕墻(下稱“斷熱幕墻”)是重要的措施之一。ＤＩＮ4108規(guī)程規(guī)定，斷熱幕墻的傳熱系數(shù)Ｋ0不大于3.5Ｗ／(ｍ2·Ｋ)。玻璃的傳熱系數(shù)依據(jù)《熱工規(guī)范》計算。

    3.1、單層玻璃(8ｍｍ)的傳熱系數(shù)計算

    (1)   單層玻璃的熱絕緣系數(shù)：Ｒ＝0.011ｍ2·Ｋ／Ｗ

    (2)   單層玻璃的傳熱熱絕緣系數(shù)：Ｒ0＝Ｒｉ+Ｒ+Ｒｅ＝0.11+0.011+.0.4＝0.161ｍ2·Ｋ／Ｗ

    (3)   單層玻璃的傳熱系數(shù)Ｋ0為：Ｋ0＝1／Ｒ0＝6.21Ｗ／(ｍ2·Ｋ)

    3.2、中空玻璃(8+10+6)的傳熱系數(shù)計算

    (1)  中空玻璃的熱絕緣系數(shù)Ｒ為：Ｒ＝Ｒ1+Ｒａ+Ｒ2＝0．159ｍ2·Ｋ／Ｗ式中：Ｒ1-外層玻璃熱絕緣系數(shù)(取0．011ｍ2·Ｋ／Ｗ)；Ｒ2-內(nèi)層玻璃熱絕緣系數(shù)(取0．008ｍ2·Ｋ／Ｗ)；Ｒａ-冬季一般空氣層熱絕緣系數(shù)(取0．14ｍ2·Ｋ／Ｗ)；

    (2)  中空玻璃的傳熱熱絕緣系數(shù)Ｒ0為：Ｒ0＝Ｒｉ+Ｒ+Ｒｅ＝0．11+0．159+0．04＝0．309ｍ2·Ｋ／Ｗ(3)中空玻璃的傳熱系數(shù)Ｋ0為：Ｋ0＝1／Ｒ0＝3．24Ｗ／(ｍ2·Ｋ)

    3．3、單層玻璃與中空玻璃傳熱系數(shù)的比較

   以上計算表明：單層玻璃的傳熱系數(shù)比中空玻璃的傳熱系數(shù)大48%，說明中空玻璃的節(jié)能效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單層玻璃。

    4 、幕墻建筑節(jié)能的經(jīng)濟評價

    在我國，人們十分重視建筑成本的控制，而容易忽略通過適當(dāng)?shù)卦黾咏ㄖ杀径a(chǎn)生的建筑節(jié)能效果所帶來的經(jīng)濟效益和社會效益。下面，我們通過計算和分析，對幕墻的建筑節(jié)能效果作出綜合評價。

    (1) 設(shè)位于北京市區(qū)的一幢商業(yè)建筑，幕墻面積為10000ｍ2，建筑的層高均小于4ｍ，北京市每年的采暖天數(shù)為129ｄ，考慮每天實際采暖10ｈ。分別按使用單玻幕墻和斷熱幕墻這2種方案計算其耗熱量。根據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(ＧＢＪ19-87)(以下簡稱《暖通規(guī)范》)的規(guī)定，幕墻的基本耗熱量為：Ｑ＝αＦＫ(ｔｎ-ｔｗｎ)式中：Ｑ-幕墻的基本耗熱量(Ｗ)；α-幕墻的溫差修正系數(shù)，取1．0；Ｆ-幕墻面積，為10000ｍ2；Ｋ-幕墻的傳熱系數(shù)，單玻幕墻取6．4Ｗ／(ｍ2·Ｋ)，斷熱幕墻取3．5Ｗ／(ｍ2·Ｋ)；ｔｎ-冬季室內(nèi)計算溫度，取19℃；ｔｗｎ-采暖室外計算溫度，取-9℃。為簡便計算，上式中設(shè)定：①幕墻的結(jié)構(gòu)類型為Ⅰ型；②采暖室外計算溫度取采暖室外計算(干球)溫度值；③未考慮通過幕墻的開窗、孔洞或屋頂、地面侵入室內(nèi)的冷空氣的耗熱量；④未考慮通過幕墻縫隙滲入室內(nèi)的冷空氣的耗熱量；⑤未考慮建筑的朝向；⑥Ｑ僅為理論計算值。單玻幕墻的基本耗熱量Ｑ1＝1792ｋＷ；斷熱幕墻的基本耗熱量Ｑ2＝980ｋＷ。

　　(2) 單玻幕墻比斷熱幕墻每年采暖多消耗的熱量(熱能)轉(zhuǎn)換為電能Ｅ：Ｅ＝(1792-980)×129×10＝1047480ｋＷ·ｈ

    (3) 斷熱幕墻與單玻幕墻建筑節(jié)能效果的經(jīng)濟比較

    設(shè)單玻幕墻的單位造價為1300元／ｍ2，斷熱幕墻的單位造價為1800元／ｍ2，則初始投入資金增加500萬元。北京市的電價(假定10年內(nèi)不變)為0．70元／(ｋＷ·ｈ)，功率因素為0．9，單玻幕墻比斷熱幕墻每年采暖多支出的電費82萬元設(shè)金額的年利率為5%(假定10年內(nèi)不變)，單玻幕墻與斷熱幕墻建筑節(jié)能的經(jīng)濟效益比較見表1。由表1比較得知，斷熱幕墻到第7年即可收回全部所增加的建筑成本，到第10年，斷熱幕墻建筑節(jié)能所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益要比單玻幕墻多256萬元。這說明，斷熱幕墻的建筑節(jié)能所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益是十分明顯的。

    5、結(jié)論

    (1) 幕墻是我國近20年來發(fā)展起來的集新技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)為一體的新型建筑材料，我國每年有數(shù)百萬平方米的幕墻投入使用，并以10%的速度繼續(xù)增長。因此，幕墻的建筑節(jié)能設(shè)計十分重要。

    (2) 根據(jù)本文的技術(shù)分析、計算以及建筑節(jié)能經(jīng)濟效益的評價，幕墻的建筑節(jié)能工作對建筑投入資金者、對社會都是十分有利的，用于建筑節(jié)能的投入資金完全可以收回，并能在幕墻的使用期內(nèi)給投入資金者創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

    (3) 采用斷熱幕墻的結(jié)構(gòu)形式是幕墻建筑節(jié)能的較有效的途徑。