玻璃幕墻的發展與節能設計的應用

容林彥

【摘 要】玻璃幕墻最多應用在建筑外圍護結構上，其傳熱系數較大，建筑能耗較之普通建筑幕墻要大得多，因此玻璃幕墻節能設計在建筑節能中較為關鍵。本文就對玻璃幕墻進行節能設計，有效降低能耗，達到最大的節約能源和保護環境的戰略目標。

【關鍵詞】玻璃幕墻；建筑能耗；熱功分析；節能設計

一、前言

玻璃幕墻作為建筑外圍結構的重要組成部分，在建筑節能中發揮著越來越重要的作用。玻璃幕墻的環保節能程度已成為人們衡量幕墻品質的一個重要指標，而能耗的問題是建筑節能設計中不可缺少的重要環節。玻璃幕墻由支承結構體系與玻璃組成，相對建筑的主體結構有一定的位移能力，不分擔主體結構所受作用的建筑外圍結構或裝飾機構。節能玻璃有著色玻璃、陽光控制鍍膜玻璃、普通中空玻璃和LOW-E玻璃等。

二、建筑節能設計標準的重要技術參數

1.窗墻比。

《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015）將窗墻比的上限定為0.7，是考慮到公共建筑風格越來越通透明亮的趨勢。也就是說，某個立面即使是采用全玻璃幕墻，扣除各層樓板及樓板下面梁的面積（因為樓板及樓板下面梁與幕墻之間的間隙必須設置保溫隔熱材料），其窗墻比一般不超過0.7。

2.傳熱系數K。

傳熱系數是代表門窗內外溫差是1K時，每平方米面積門窗上所流失的能量值。在本標準中K值的多少成為該建筑門窗節能是否達標的第一衡量標準。

3.遮陽系數Sc。

除嚴寒地區未對遮陽系數做明確量化比以外，其他三類地區均對門窗的遮陽系數有明確要求。對于寒冷地區而言外遮陽系數可以不做重點考慮，因為中空玻璃的遮陽系數一般在0.8左右加至窗框的所占整窗比例綜合平均，達到相應要求難度不大。但就夏熱冬暖地區而言，遮陽系數就需要給予關注。遮陽系數的多少成為該建筑門窗節能是否達標的第二衡量要求。

4.體形系數。

體形系數是指建筑物外表面積對比整體建筑物的建筑面積的比例。在本標準中，體形系數是嚴寒、寒冷地區對外門窗K值的第二分級標準。由于外表面積比例越大，就會導致建筑傳熱損失越大，而傳熱損失對室內外溫差最為敏感，所以就冬季室內外溫差較大的取暖地區而言，體形系數越大則外窗保溫要求就越高。

三、建筑幕墻門窗系統主要材料的熱工分析

建設筑幕墻門窗系統節能設計考慮的主要構件為玻璃及鋁合金框架。

1.建筑幕墻玻璃。

玻璃的熱工性能用兩個參數來表征：

一是傳熱系數U值：U=Q1/（To-Ti）； To-室內溫度，Ti-室外溫度，Q1-由室外傳入室內的熱量。

二是遮陽系數Sc，它是玻璃的太陽能總透過率與3㎜無色透明玻璃太陽能總透過率的比值，即玻璃的遮陽系數是義為Sc=Q2/0.889 Q2-包括太陽的直接透射率和玻璃吸收太陽光后以熱輻射的形式向室內的二次透射率。

2.幕墻門窗系數采用建筑玻璃的種類及選擇。

依據《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015）的要求，對嚴寒地區，根據不同的體型系數和窗墻比，傳熱系數的限值為1.3～2.7w/（㎡.k），只能部分滿足節能設計要求，而Low-E中空玻璃，其傳熱系數為1.5～2.1w/（㎡k），可滿足節能設計標準。

Low-E中空玻璃，特別是雙銀Low-E中空玻璃，不但導熱系數低，保溫性能良好，其遮陽系數也可降至0.3～0.6，隔熱性非常好，可滿足《公共建筑節能設計標準》在任何地區對玻璃傳熱系數和遮陽系數的要求，因此，建議設計上采用此種玻璃，以滿足及提高建筑的節能設計標準的需求。

3.幕墻鋁合金型材熱工分析。

玻璃為執傳導的主要部件外，構成幕墻門窗系統的另外一個構件—-鋁合金型材對能量的傳導也起到一定的影響作用，鋁合金型材的框邊與玻璃面積的比例達到8～18%，并且鋁合金的熱傳導能力是玻璃的上百倍，傳熱系數達到203.0w/（㎡k），普通的鋁合金框架將形成熱橋產生能耗及結露，因此在設計中也應考慮鋁合金框架對能耗的影響。

四、玻璃幕墻的節能設計原則及材料選擇

1.節能設計原則。

在相關的建筑設計規范中，對建筑的隔熱有著明確的規定和要求，因此在玻璃幕墻設計時，保溫隔熱性是重要的指標之一。在設計施行過程中，需要根據實際情況綜合考慮不同地區氣候特征，根據實際工程可參考下列原則：一是遵守國家法律法規及相關規范；二是要在充分考慮當地氣候的情況下進行選材；三是要在冬天極寒地區進行保溫設計、在夏季極熱地區進行隔熱、通風設計；四是在熱工設計時，要對各種復雜的傳熱過程和傳熱方式進行分析和研究。

2.玻璃幕墻材料的選擇。

（1）玻璃材料選擇

玻璃幕墻和建筑外窗的能耗接近建筑總能耗的50%，要實現節能的目標，玻璃幕墻和建筑外窗材料的選擇非常重要。因此，減少玻璃的能耗也就是減少幕墻耗能的關鍵所在，對于玻璃上的能耗來說，光學性和熱學性能又是占主導地位的，也是節能設計考慮的主要指標《公共建筑節能設計標準》GB50189-2015對透明幕墻的遮陽要求，通常采用板面自身遮陽和遮陽系統。目前，常用的玻璃有著色玻璃、陽光控制鍍膜玻璃、普通中空玻璃和鍍膜反射玻璃（即Low-E玻璃）等，具體我們通過不同地區的實際來進行探討。嚴寒地區耗能主要是用在采暖上，對玻璃的傳熱系數要求高，一般采用中空玻璃，考慮其輻射，可進一步選擇低輻射中空玻璃；相反，在炎熱地區建筑的耗能主要用在制冷上，節能的主要方向是為提高圍護系統的隔熱效果，這時候就要求減小玻璃的遮陽系數來有效阻止陽光進入室內，板面自身遮陽往往采用陽光控制鍍膜玻璃、著色玻璃、Low-E玻璃等。

（2）隔熱材料選擇

玻璃幕墻中的支撐構架幾乎都是用鋁合金材料，和玻璃相比，金屬材料的導熱系數更大，這就不可避免的會在普通玻璃幕墻中產生熱橋現象，因此，采用斷熱橋鋁型材是最好的，斷熱橋鋁型材能夠利用低導熱系數材料來形成合理規格的隔熱條，通過鋁型材進行分割的原理來達到有效的節能效果。在實際工程中已有應用效果良好，經實踐證明，在炎熱的夏季，斷橋鋁型材在室外溫度達到50℃左右時，室內溫度仍然可維持在25℃左右，也就是說斷橋鋁型材能夠有效的控制玻璃的傳熱作用，保持室內溫度在一個適宜的范圍內。

（3）保溫材料選擇

在玻璃幕墻層間梁位置，可采用保溫巖棉和單片玻璃的組合，這樣可以確保玻璃幕墻非透明部位達到保溫要求。

五、玻璃幕墻節能材料的使用

玻璃幕墻和建筑外窗的能耗接近建筑總能耗的50%，要實現節能的目標，玻璃幕墻和建筑外窗材料的選擇非常重要。目前，常用的玻璃有著色玻璃、陽光控制鍍膜玻璃、普通中空玻璃和LOW-E玻璃等，隨著科學技術的進步，各種具有獨特功能的玻璃陸續問世，使玻璃的品種越來越多。如熱反射鍍膜玻璃有良好的控光性，對太陽輻射的反射率高達30%。可以有效的減少進入室內的熱量、節約能耗。還有鍍膜反射玻璃也是我們常說的LOW-E玻璃，它可以有效的吸收紅外線，大大降低因輻射而造成的室內熱能向室外的傳遞，達到理想的節能效果。

六、結論

通過以上分析，在進行玻璃幕墻門窗系統的節能設計時，對各種構件合理選擇搭配使用，充分考慮影響能耗的傳熱系數、遮陽系數、窗墻比、玻璃的反射率、采光要求等各項參數；還應考慮到建筑物的地理位置、朝向，結合建筑物的使用要求，采取有效的措施增加保溫材料、增加遮陽系統等進行全面系統的分析，以使得玻璃幕墻門窗系統的節能效果達到最高，滿足節能要求。

參考文獻：

[1]公共建筑節能設計標準（50189-205）.

[2]建筑節能技術 中國建筑業協會建筑節能專業委員會.

[3]民用建筑熱工設計規范（GB50176-93）.