玻璃幕墻（以下簡稱“幕墻”）是現(xiàn)代化建筑的主要外圍護結構之一,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)能進行技術分析、計算,對節(jié)能效果進行經(jīng)濟評價。
１、幕墻建筑節(jié)能的設計原則
我國幅員遼闊,當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)能的設計原則:（１）嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)和溫和地區(qū)的幕墻,要進行冬季的保溫設計,夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的幕墻,要進行夏季的隔熱設計。（２）我國目前尚沒有專門的幕墻熱工設計標準或規(guī)范,幕墻熱工設計依據(jù)國家現(xiàn)行的外墻和窗戶熱工設計的有關標準、規(guī)范和參考國外的有關熱工設計規(guī)程。（３）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。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、鋁型材的熱工設計
型材是幕墻的主要受力構件。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-材料的導熱系數(shù)〔取２０３Ｗ／（ｍ•Ｋ）〕。設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雜,傳熱系數(shù)很難計算,一般只有通過檢測獲得數(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最小厚度,按ＤＩＮ４１０８規(guī)程規(guī)定,最小應為７ｍｍ。
（３）斷熱鋁型材的中間塑料層的設計,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)較大,導致室溫降低,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+０．０４＝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)能效果遠遠大于單層玻璃。
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?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)《采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(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,上式中設定:①幕墻的結構類型為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,則初始投資增加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８２萬元設人民幣的年利率為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、結論
（１）幕墻是我國近２０年來發(fā)展起來的集新技術、新材料和新結構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)能設計十分重要。
（２）根據(jù)本文的技術分析、計算以及建筑節(jié)能經(jīng)濟效益的評價,幕墻的建筑節(jié)能工作對建筑投資者、對社會都是十分有利的,用于建筑節(jié)能的投資完全可以收回,并能在幕墻的使用期內(nèi)給投資者創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
（３）采用斷熱幕墻的結構形式是幕墻建筑節(jié)能的最有效的途徑。
