建筑玻璃幕墻的節(jié)能設(shè)計(jì)

1、武 漢 理 工 大 學(xué)畢業(yè)論文題目:建筑玻璃幕墻的節(jié)能設(shè)計(jì)函授站(學(xué)習(xí)中心):昆明專 業(yè):建筑工程技術(shù)學(xué)生姓名:金偉指導(dǎo)教師:層 次:專科年 級(jí):2014級(jí)2016.3.4建筑玻璃幕墻的節(jié)能設(shè)計(jì)摘 要玻璃幕墻是現(xiàn)代化建筑的主要外圍護(hù)結(jié)構(gòu)之一，玻璃幕墻的設(shè)計(jì)不僅要滿足建筑美學(xué)和建筑功能的要求，而且要更多地考慮熱工設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)當(dāng)前國際上流行的建筑設(shè)計(jì)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(dá)到節(jié)能的目的；如何在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)（尤其是玻璃幕墻的設(shè)計(jì)）中根據(jù)不同的氣候區(qū)域采用有效的隔熱或保溫措施，并強(qiáng)調(diào)借鑒國內(nèi)外先進(jìn)節(jié)能技術(shù)的意義。關(guān)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(shè)計(jì)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(guān)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì) 7-85探索更為先進(jìn)的玻璃幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)理念 8-116結(jié)語12 1 前言玻璃幕墻作為建筑物的外裝飾是現(xiàn)代化城市建筑的重要標(biāo)志之一，它打破了傳統(tǒng)的實(shí)體墻與門窗的界限，巧妙地將建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的使用功能與裝飾功能有機(jī)地融為一體，使建筑物更具時(shí)代感和藝術(shù)性。當(dāng)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(huì)對(duì)建筑節(jié)能的意識(shí)也在逐漸增強(qiáng)。建筑節(jié)能主要是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能，而玻璃幕墻是現(xiàn)代建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一個(gè)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(shè)計(jì)師務(wù)需解決的問題。 2玻璃幕墻的保溫隔熱性能及節(jié)能設(shè)計(jì)原則玻璃幕墻保溫隔熱性能較差，通風(fēng)效果不好，直接影響到建筑物的設(shè)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(cè)存在空氣溫差條件下，幕墻阻抗從高溫一側(cè)傳向低溫一側(cè)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(shù)k表示。玻璃幕墻的保溫隔熱性能分級(jí)應(yīng)符合相關(guān)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(quán)平均值）。 幕墻的保溫性能應(yīng)通過控制總熱阻值和選取相應(yīng)的材料來解決。為了減少熱損失，可以從以下三個(gè)方面進(jìn)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(duì)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(shè)置保溫芯材；第三是做密閉處理和減少透風(fēng)。由于我國各地氣候條件不同，所以對(duì)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(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能的主要問題。玻璃幕墻的隔熱性能主要是針對(duì)輻射、傳導(dǎo)與對(duì)流。在談及反射玻璃時(shí)，人們往往只強(qiáng)調(diào)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(diào)的主要負(fù)荷也來源于太陽輻射，因此，應(yīng)有效阻擋太陽輻射。但在實(shí)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(gè)新熱源，所以，玻璃幕墻對(duì)

5、太陽能的透射能力是值得關(guān)注的問題。溫差傳熱、空氣流動(dòng)熱交換也是夏季圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能應(yīng)考慮的問題，這兩個(gè)方面的傳熱均是由室內(nèi)外溫差造成的，不同的是前者是通過傳熱，后者是通過室內(nèi)外空氣滲透。在進(jìn)行幕墻熱工設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)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(duì)流換熱、幕墻內(nèi)表面與室內(nèi)空氣和室內(nèi)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(gè)重要方面，是執(zhí)行節(jié)約能源、保護(hù)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(yīng)該針對(duì)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(yīng)的節(jié)能設(shè)計(jì)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，如嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、溫和地區(qū)的幕墻要進(jìn)行冬季的保溫設(shè)計(jì)。幕墻熱工設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)國家現(xiàn)行的民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50176一93),采暖居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)( JGJ26-95)和夏熱冬冷地區(qū)居住律筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(JGJ134一2001)等來執(zhí)行。這些標(biāo)準(zhǔn)的頒布和實(shí)施，無疑將有力推動(dòng)我國建筑節(jié)能技術(shù)的研究和應(yīng)用。 3合理選擇幕墻玻璃材料，降低建筑能耗對(duì)于玻璃幕墻來說，由于玻璃的面積占據(jù)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(guān)鍵。如果使用普通透明玻璃，它的傳熱系數(shù)偏高，且對(duì)太陽輻射和遠(yuǎn)紅外熱輻射沒有有效

7、限制，因此其面積越大夏季進(jìn)入室內(nèi)的熱量越多，冬季室內(nèi)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(duì)玻璃進(jìn)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(jīng)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(dāng)數(shù)量會(huì)傳入室內(nèi)。再比如，熱反射玻璃在反射紅外線的同時(shí)，對(duì)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(jì)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(dú)特的熱噴射鍍膜技術(shù)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(shí)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(duì)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(nèi)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(duì)室內(nèi)產(chǎn)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(duì)太陽短波輻射的阻擋，而使得大量的太陽輻射進(jìn)入室內(nèi)。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(jìn)入室內(nèi)。中空玻璃的隔熱性能主要因其內(nèi)部氣體處于一個(gè)封閉的空間，氣體不產(chǎn)生對(duì)流，而且空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.028W/(m2K )，是玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)0.77W/(m2K )的1/27，除中空玻璃四邊的

10、密封膠導(dǎo)熱，對(duì)流和傳導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)低的氣體置換中空玻璃內(nèi)部的空氣，這樣可減少傳導(dǎo)，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(dá)到降低輻射傳熱的目的。通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，通常單片玻璃的傳熱系數(shù)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(jù)建筑整體設(shè)計(jì)要求，用于哪個(gè)部位，要達(dá)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(zhì)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(guān)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)時(shí)確定。在建筑設(shè)計(jì)中，將需要采光、通風(fēng)和設(shè)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(diào)負(fù)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(duì)玻璃幕墻節(jié)能是很有效的，可以使室內(nèi)長期處于陰涼的地方，從而實(shí)現(xiàn)最大限度的降溫。在設(shè)計(jì)遮陽構(gòu)造時(shí)要結(jié)合幕墻

12、建筑的整體藝術(shù)效果、材料與顏色進(jìn)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(shí)會(huì)影響建筑的立面造型，但如果處理得好，會(huì)使建筑更加協(xié)調(diào)。比如，豎向與橫向結(jié)合的綜合式遮陽板既提高了遮陽效果，又可作為立面從實(shí)到虛（實(shí)墻到玻璃）二者的過渡部分，這種強(qiáng)烈的虛實(shí)對(duì)比使建筑的個(gè)性十足，充分展示出的結(jié)構(gòu)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(nèi)遮陽、玻璃內(nèi)部遮陽等均是有效的節(jié)能措施。另外，良好的自然通風(fēng)不僅能保持室內(nèi)空氣的清新，也可以最大限度地減少使用空調(diào)的時(shí)間，從而達(dá)到節(jié)能的效果，在寒冷地區(qū)采用大面積玻璃幕墻時(shí)應(yīng)用保溫措施，防止“熱橋”產(chǎn)生，由于幕墻框多為

13、金屬材料，金屬比玻璃導(dǎo)熱系數(shù)大，當(dāng)室內(nèi)外溫差大時(shí)，應(yīng)注意防止結(jié)露、掛霜，如在幕墻豎框內(nèi)外均用熱絕緣橡膠密封條分隔形成“熱斷橋”后，幕墻就不產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象了，而且視野清晰。在設(shè)計(jì)玻璃幕墻建筑時(shí)，應(yīng)科學(xué)合理地規(guī)劃、設(shè)計(jì)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(shè)置玻璃幕墻，限制在并列的和相對(duì)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(shù)值可供

14、選擇，如反射率在5%70之間變化，可根據(jù)使用要求作出調(diào)整。設(shè)計(jì)落地幕墻時(shí)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(jìn)的玻璃幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)理念 針對(duì)我國現(xiàn)階段對(duì)建筑節(jié)能要求的進(jìn)一步提高,廣大幕墻設(shè)計(jì)師必須轉(zhuǎn)變?cè)械脑O(shè)計(jì)理念：變被動(dòng)為主動(dòng),首先進(jìn)行玻璃幕墻的熱工設(shè)計(jì)，應(yīng)該追求設(shè)計(jì)功能的主動(dòng)性和積極性，變被動(dòng)設(shè)防為主動(dòng)利用能源的設(shè)計(jì)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(diào)制冷的熱襲入和能源消耗，玻璃幕墻熱工設(shè)計(jì)的發(fā)展趨向是：對(duì)于以采暖供熱為主的幕墻追求達(dá)到溫室效應(yīng)，對(duì)于以空調(diào)制冷為主的幕墻追求達(dá)到冷房效果，無論何種幕墻都將追求合理利用太陽能。動(dòng)態(tài)

15、幕墻（也稱熱通道幕墻、雙層通風(fēng)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(dòng)利用太陽能的一個(gè)應(yīng)用發(fā)展方向，綜合運(yùn)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(jìn)行幕墻熱工設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)其復(fù)雜的傳熱過程和傳熱方式進(jìn)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(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(duì)流換熱，內(nèi)表面與室內(nèi)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(duì)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(chǎn)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(jié)構(gòu)，而節(jié)能玻璃幕墻則應(yīng)從上述三種途徑加以考慮：第一種途徑（熱傳導(dǎo)）對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)影響最大，針對(duì)玻璃的導(dǎo)熱性能，設(shè)計(jì)時(shí)采用中空玻璃；針對(duì)鋁框的導(dǎo)熱性能，設(shè)計(jì)時(shí)采用尼龍66等結(jié)構(gòu)塑料，形成“斷橋”，可增大熱阻，減少熱傳導(dǎo)，從而設(shè)計(jì)隔熱幕墻。在此基礎(chǔ)上，再考慮第二種途徑（熱對(duì)流）和第三種途徑（熱輻射），在構(gòu)造上采用雙層Low-E玻璃，上下端對(duì)流開口，從而設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)幕墻。隔熱幕墻的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)節(jié)能的。隔熱斷橋鋁型材的隔熱原理是基于

17、產(chǎn)生一個(gè)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(gè)部分。隔熱條“冷橋”選用材料為聚酰胺尼龍66，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.3W/（m2K），遠(yuǎn)小于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)210W/（m2K），而力學(xué)性能指標(biāo)與鋁合金相當(dāng)。20世紀(jì)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(jì)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(diǎn)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(yīng)用與設(shè)計(jì)（因?yàn)樵谀粔χ?，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(shù)K達(dá)3.0W/（m2K）左右，傳熱系數(shù)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(yīng)采用中空玻璃，如果中空玻璃內(nèi)充入惰性氣體，其K值還以可降至1.3W/（m2K）。鋁型材節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(dá)到不同的隔熱設(shè)計(jì)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(dá)30db40db.動(dòng)態(tài)幕墻的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)幕墻是一種新型的節(jié)能幕墻，是幕墻技術(shù)的新發(fā)展。根據(jù)其結(jié)構(gòu)，可以分為“封閉式內(nèi)循環(huán)體系”和自然通風(fēng)的“敞開式外循環(huán)體系”兩種類型。前者需要通過電機(jī)強(qiáng)制抽風(fēng)，因而總體節(jié)能水平不高；后者通過自然通風(fēng)，所以節(jié)能效果更為明顯。自然通風(fēng)式動(dòng)態(tài)幕墻的構(gòu)造，其外層由單層玻璃及非絕熱桿件組成的敞開結(jié)構(gòu)玻璃幕墻，內(nèi)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(dòng)調(diào)控的百葉。在熱通道的上下兩端裝有排風(fēng)和進(jìn)風(fēng)裝置。其運(yùn)行原理可以按照不同的季節(jié)說明。夏天：內(nèi)外兩層幕墻中間熱通道的溫度很高時(shí)，可打開熱通道上下兩端的排氣口裝置，在熱通道內(nèi)由于熱煙囪效應(yīng)產(chǎn)生自