建筑玻璃幕墻的節(jié)能設計

1、武 漢 理 工 大 學畢業(yè)論文題目:建筑玻璃幕墻的節(jié)能設計函授站(學習中心):昆明專 業(yè):建筑工程技術學生姓名:金偉指導教師:層 次:?？颇?級:2014級2016.3.4建筑玻璃幕墻的節(jié)能設計摘 要玻璃幕墻是現代化建筑的主要外圍護結構之一，玻璃幕墻的設計不僅要滿足建筑美學和建筑功能的要求，而且要更多地考慮熱工設計，充分體現當前國際上流行的建筑設計三大原則：“開放與交流、舒適與自然、環(huán)保與節(jié)能。在綜述玻璃幕墻熱工性能的基拙上，探討如何合理選擇玻璃材料以達到節(jié)能的目的；如何在建筑節(jié)能設計（尤其是玻璃幕墻的設計）中根據不同的氣候區(qū)域采用有效的隔熱或保溫措施，并強調借鑒國內外先進節(jié)能技術的意義。關鍵

2、詞：玻璃幕墻；建筑節(jié)能；保溫；隔熱目 錄1.前言 42.玻璃幕墻的保溫隔熱性能及節(jié)能設計原則 4-53合理選擇幕墻玻璃材料，降低建筑能耗 5-74綜合采取各種相關的建筑節(jié)能設計 7-85探索更為先進的玻璃幕墻節(jié)能設計理念 8-116結語12 1 前言玻璃幕墻作為建筑物的外裝飾是現代化城市建筑的重要標志之一，它打破了傳統(tǒng)的實體墻與門窗的界限，巧妙地將建筑物圍護結構的使用功能與裝飾功能有機地融為一體，使建筑物更具時代感和藝術性。當前，建筑節(jié)能成為我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一部分，社會對建筑節(jié)能的意識也在逐漸增強。建筑節(jié)能主要是圍護結構的節(jié)能，而玻璃幕墻是現代建筑圍護結構的一個重要組成部分。如何充分考慮玻

3、璃幕墻使用的靈活性和最大限度地減少能耗，是建筑設計師務需解決的問題。 2玻璃幕墻的保溫隔熱性能及節(jié)能設計原則玻璃幕墻保溫隔熱性能較差，通風效果不好，直接影響到建筑物的設備配置及能源消耗，有悖于我國的國情。保溫隔熱性能是指幕墻兩側存在空氣溫差條件下，幕墻阻抗從高溫一側傳向低溫一側傳熱的能力，不包括從縫隙中滲透空氣的傳熱。幕墻保溫性能用傳熱系數k表示。玻璃幕墻的保溫隔熱性能分級應符合相關規(guī)定（表中k值為幕墻中固定部分和開啟部分所占面積的加權平均值）。 幕墻的保溫性能應通過控制總熱阻值和選取相應的材料來解決。為了減少熱損失，可以從以下三個方面進行改善：第一是改善采光窗玻璃的保溫隔熱性能，盡量選用中空

4、玻璃，并減少開啟扇；第二是對非采光部分采用隔熱效果好的材料作后襯墻（如浮石、輕混凝土）或設置保溫芯材；第三是做密閉處理和減少透風。由于我國各地氣候條件不同，所以對幕墻的性能也有不同的要求。在夏熱冬暖地區(qū)，隔熱是建筑圍護結構節(jié)能的主要問題。玻璃幕墻的隔熱性能主要是針對輻射、傳導與對流。在談及反射玻璃時，人們往往只強調它的輻射性能。固然，輻射是上面各種方式中最主要的部分，可占全部熱量的2/3左右，空調的主要負荷也來源于太陽輻射，因此，應有效阻擋太陽輻射。但在實際使用中，如幕墻在持久的曝曬下，反射玻璃由于散熱較其它玻璃慢，盡管它的反射能力大，但熱量的累積使它不可避免地成為一個新熱源，所以，玻璃幕墻對

5、太陽能的透射能力是值得關注的問題。溫差傳熱、空氣流動熱交換也是夏季圍護結構節(jié)能應考慮的問題，這兩個方面的傳熱均是由室內外溫差造成的，不同的是前者是通過傳熱，后者是通過室內外空氣滲透。在進行幕墻熱工設計時，必須對其進行具體分析和研究，如：幕墻外表面與周圍空氣和外界環(huán)境間的對流換熱、幕墻內表面與室內空氣和室內環(huán)境間的換熱、幕墻和金屬框格的傳熱、通過玻璃的鍍膜層減少的輻射換熱等。建筑節(jié)能是貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一個重要方面，是執(zhí)行節(jié)約能源、保護環(huán)境基本國策和中華人民共和國節(jié)約能源法的必要組成部分。我國各地區(qū)的氣候條件不同，不可能采取同一種模式，而應該針對不同地域采取不同的措施，處理好建筑的節(jié)能問題。各

6、建筑氣候分區(qū)均有或即將有相應的節(jié)能設計法規(guī)和標準出臺，如嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、溫和地區(qū)的幕墻要進行冬季的保溫設計。幕墻熱工設計應依據國家現行的民用建筑熱工設計規(guī)范(GB50176一93),采暖居住建筑節(jié)能標準( JGJ26-95)和夏熱冬冷地區(qū)居住律筑節(jié)能設計標準(JGJ134一2001)等來執(zhí)行。這些標準的頒布和實施，無疑將有力推動我國建筑節(jié)能技術的研究和應用。 3合理選擇幕墻玻璃材料，降低建筑能耗對于玻璃幕墻來說，由于玻璃的面積占據立面的大部分，可以參與熱交換的面積較大，能耗也大，這樣就決定了玻璃材料是幕墻節(jié)能的關鍵。如果使用普通透明玻璃，它的傳熱系數偏高，且對太陽輻射和遠紅外熱輻射沒有有效

7、限制，因此其面積越大夏季進入室內的熱量越多，冬季室內散失的熱量也越多。不同的玻璃具有不同的性能，一種玻璃不能適用于所有氣候區(qū)域和建筑朝向。為阻擋太陽熱輻射，必須對玻璃進行一定的處理。在玻璃原片中添加一些元素可以制成吸熱玻璃，在玻璃的一面鍍膜可制成熱反射玻璃、Low一E玻璃及Solar一E玻璃等。比如，吸熱玻璃吸收的熱量越多，隔熱的效果就越好。但吸熱和透光經常是矛盾的，所以吸熱玻璃的隔熱能力也受到一定的限制，況且吸熱玻璃吸收的一部分熱量仍然有相當數量會傳入室內。再比如，熱反射玻璃在反射紅外線的同時，對可見光的透射也有很大的衰減和反射，造成采光不好，反射光則造成眩光污染。由于熱反射玻璃反射太陽能，

8、因而不適用于北方寒冷地區(qū)。低輻射鍍膜玻璃是在20世紀90年代發(fā)展起來的新型保溫玻璃，其輻射率一般為0.1左右，最低可以降至0.05，是普通玻璃輻射率的十分之一左右，提高了節(jié)能效果。而遮陽型Low一E玻璃采用獨特的熱噴射鍍膜技術制作而成，除本身具有低輻射性能外，它還具有控制陽光的性能。一般而言，采用單片吸熱玻璃或熱反射玻璃、Low一E玻璃、Solar一E玻璃能取得一定的節(jié)能作用，但效果是有限的，在玻璃面積太大時仍不能滿足要求。采用這些玻璃組成的中空玻璃是較好的選擇。對于中空玻璃，外片玻璃一般采用吸熱玻璃、熱反射玻璃、吸熱的Low一E玻璃。內片采用透明玻璃、Low一E玻璃等。這樣，外片玻璃吸收絕大

9、部分太陽輻射熱，而空氣層將外片玻璃的熱輻射阻擋在外面而不對室內產生二次輻射傳熱。中空玻璃的采用不僅能降低太陽輻射，也能有效地阻止溫差傳熱。在我國南方首先是減少太陽輻射，這與北方的保溫存在原則上的差異。在北方，中空玻璃一般是盡量減少對太陽短波輻射的阻擋，而使得大量的太陽輻射進入室內。而在南方，中空玻璃首先是吸收或反射太陽短波輻射，再利用中空玻璃的空氣層有效隔絕溫差傳熱和長波輻射，而使得大量的太陽輻射不能進入室內。中空玻璃的隔熱性能主要因其內部氣體處于一個封閉的空間，氣體不產生對流，而且空氣的導熱系數為0.028W/(m2K )，是玻璃的導熱系數0.77W/(m2K )的1/27，除中空玻璃四邊的

10、密封膠導熱，對流和傳導在中空玻璃的能量傳遞中占較小的比例。要提高中空玻璃的隔熱性能，一般是增大空間的厚度和使用導熱系數低的氣體置換中空玻璃內部的空氣，這樣可減少傳導，但中空層不宜過大，合理的間隙是512mm左右。要降低輻射傳熱，一般是通過使用鍍膜玻璃或低輻射玻璃來控制各種射線透過，達到降低輻射傳熱的目的。通過計算和實驗數據顯示，通常單片玻璃的傳熱系數k = 6W/(m2K )，中空玻璃（普通）k =2.33.2W/(m2K )，而采用離線低輻射鍍膜中空玻璃（中空層充惰性氣體）k=1.262.0W/(m2K )。需要注意的是，中空玻璃和Low一E中空玻璃，以及陽光鍍膜玻璃都有不同程度的節(jié)能效果。

11、如何選用，要根據建筑整體設計要求，用于哪個部位，要達到什么樣的效果，選用不同類型的節(jié)能玻璃，并非“u”值越低越好。要綜合考慮，要考慮質量、使用壽命、裝飾效果、成本和要求的節(jié)能效果。 4綜合采取各種相關的建筑節(jié)能設計 玻璃幕墻的節(jié)能，一方面是減少其使用面積，特別是東、西墻面的使用面積，這主要在建筑設計時確定。在建筑設計中，將需要采光、通風和設置玻璃幕墻的墻面安排在南、北面，盡量減少其朝東或朝西的面積；另一方面是遮陽。由于空調負荷很多都是來自太陽輻射，而玻璃又是太陽輻射得熱的主要來源，因而遮陽對玻璃幕墻節(jié)能是很有效的，可以使室內長期處于陰涼的地方，從而實現最大限度的降溫。在設計遮陽構造時要結合幕墻

12、建筑的整體藝術效果、材料與顏色進行考慮，而且形式要簡單、美觀，便于清洗、安裝。不同形式的遮陽板有時會影響建筑的立面造型，但如果處理得好，會使建筑更加協調。比如，豎向與橫向結合的綜合式遮陽板既提高了遮陽效果，又可作為立面從實到虛（實墻到玻璃）二者的過渡部分，這種強烈的虛實對比使建筑的個性十足，充分展示出的結構美而讓建筑栩栩如生。遮陽最有效的是外遮陽。在外遮陽措施不太可行的情況下，內遮陽、玻璃內部遮陽等均是有效的節(jié)能措施。另外，良好的自然通風不僅能保持室內空氣的清新，也可以最大限度地減少使用空調的時間，從而達到節(jié)能的效果，在寒冷地區(qū)采用大面積玻璃幕墻時應用保溫措施，防止“熱橋”產生，由于幕墻框多為

13、金屬材料，金屬比玻璃導熱系數大，當室內外溫差大時，應注意防止結露、掛霜，如在幕墻豎框內外均用熱絕緣橡膠密封條分隔形成“熱斷橋”后，幕墻就不產生結露現象了，而且視野清晰。在設計玻璃幕墻建筑時，應科學合理地規(guī)劃、設計和施工，避免玻璃幕墻帶來的弊病。玻璃幕墻可將陽光的熱量反射到周邊建筑物、人行道或廣場上，使人有灼熱感，甚至損壞其他建筑物上的建筑材料（如密封膠、瀝青材料等）。因此，不要將玻璃幕墻建筑物安排得過于集中，不要面向居民樓設置玻璃幕墻，限制在并列的和相對的建筑物上采用全部玻璃幕墻。在“丁”字路口和居民區(qū)20m以下高度不使用大面積、高反射率的鍍膜玻璃。玻璃的陽光控制膜有低反射、吸熱等不同數值可供

14、選擇，如反射率在5%70之間變化，可根據使用要求作出調整。設計落地幕墻時可采用在墻腳布置綠化遮擋熱量，也可改用反射率低的鋁板、石板等。 5探索更為先進的玻璃幕墻節(jié)能設計理念 針對我國現階段對建筑節(jié)能要求的進一步提高,廣大幕墻設計師必須轉變原有的設計理念：變被動為主動,首先進行玻璃幕墻的熱工設計，應該追求設計功能的主動性和積極性，變被動設防為主動利用能源的設計思想，為了減少冬季采暖供熱的熱損失和能源消耗，為了減少夏季空調制冷的熱襲入和能源消耗，玻璃幕墻熱工設計的發(fā)展趨向是：對于以采暖供熱為主的幕墻追求達到溫室效應，對于以空調制冷為主的幕墻追求達到冷房效果，無論何種幕墻都將追求合理利用太陽能。動態(tài)

15、幕墻（也稱熱通道幕墻、雙層通風幕墻）是一種很好的發(fā)展方向，由光電板系統(tǒng)和幕墻系統(tǒng)組成的光電幕墻也是主動利用太陽能的一個應用發(fā)展方向，綜合運用光能、熱能、電能的智能玻璃幕墻是最理想的發(fā)展方向。進行幕墻熱工設計時，必須對其復雜的傳熱過程和傳熱方式進行分析和研究。玻璃幕墻的傳熱過程大致有三種途徑：一是玻璃和鋁合金（不銹鋼）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；二是幕墻內表面與室內空氣和室內環(huán)境間的換熱：內表面與室內空氣間的對流換熱，內表面與室內環(huán)境間的輻射換熱；三是玻璃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

16、環(huán)境間的輻射換熱，外表面與空間的各種長波（如電磁波、紅外線等產生的長度）輻射換熱。四是普通玻璃幕墻采用單層玻璃和鋁合金型材的梁柱結構，而節(jié)能玻璃幕墻則應從上述三種途徑加以考慮：第一種途徑（熱傳導）對節(jié)點設計影響最大，針對玻璃的導熱性能，設計時采用中空玻璃；針對鋁框的導熱性能，設計時采用尼龍66等結構塑料，形成“斷橋”，可增大熱阻，減少熱傳導，從而設計隔熱幕墻。在此基礎上，再考慮第二種途徑（熱對流）和第三種途徑（熱輻射），在構造上采用雙層Low-E玻璃，上下端對流開口，從而設計動態(tài)幕墻。隔熱幕墻的節(jié)點設計隔熱幕墻的節(jié)能原理是采用中空玻璃和隔熱斷橋鋁型材來實現節(jié)能的。隔熱斷橋鋁型材的隔熱原理是基于

17、產生一個連續(xù)的隔熱區(qū)域，利用隔熱條將鋁合金型材分隔成兩個部分。隔熱條“冷橋”選用材料為聚酰胺尼龍66，其導熱系數為0.3W/（m2K），遠小于鋁合金的導熱系數210W/（m2K），而力學性能指標與鋁合金相當。20世紀70年代末，隔熱斷橋鋁型材在國外問世，主要用于高寒地區(qū)的鋁合金門窗，到20世紀80年代末開始用于高寒地區(qū)的有框玻璃幕墻。我國目前在保溫隔熱性能要求很高的建筑中，也開始把它用于明框隔熱玻璃幕墻、隱框隔熱玻璃幕墻及點支式隔熱玻璃幕墻。此外，在隔熱幕墻中，更重要的是要注意中空玻璃的應用與設計（因為在幕墻中，玻璃所占的面積比鋁合金框要大的多）。如果采用10+12A+10中空玻璃，那么其傳熱

18、系數K達3.0W/（m2K）左右，傳熱系數比單層玻璃低了近1/2，可以大大地降低能耗，因此，在保溫性能要求比較高的情況下，應采用中空玻璃，如果中空玻璃內充入惰性氣體，其K值還以可降至1.3W/（m2K）。鋁型材節(jié)點設計的總體思路是：在鋁合金型材截面不變的情況下，通過改變隔熱條和膠條的尺寸，分別裝配不同厚度的中空玻璃，從而達到不同的隔熱設計要求，以供不同地區(qū)、不同類型的建筑、不同要求的業(yè)主選擇。采用隔熱幕墻能起到很好的節(jié)能和降噪效果。與普通的單層玻璃相比，節(jié)省能耗約25%50%，降噪約達30db40db.動態(tài)幕墻的節(jié)點設計動態(tài)幕墻是一種新型的節(jié)能幕墻，是幕墻技術的新發(fā)展。根據其結構，可以分為“封閉式內循環(huán)體系”和自然通風的“敞開式外循環(huán)體系”兩種類型。前者需要通過電機強制抽風，因而總體節(jié)能水平不高；后者通過自然通風，所以節(jié)能效果更為明顯。自然通風式動態(tài)幕墻的構造，其外層由單層玻璃及非絕熱桿件組成的敞開結構玻璃幕墻，內層由絕熱桿件和中空玻璃組成的推拉門（或推拉窗）幕墻體系。兩層幕墻之間的熱通道一般裝有可自動調控的百葉。在熱通道的上下兩端裝有排風和進風裝置。其運行原理可以按照不同的季節(jié)說明。夏天：內外兩層幕墻中間熱通道的溫度很高時，可打開熱通道上下兩端的排氣口裝置，在熱通道內由于熱煙囪效應產生自