建筑玻璃幕墙的节能设计

1、武 汉 理 工 大 学毕业论文题目:建筑玻璃幕墙的节能设计函授站(学习中心):昆明专 业:建筑工程技术学生姓名:金伟指导教师:层 次:专科年 级:2014级2016.3.4建筑玻璃幕墙的节能设计摘 要玻璃幕墙是现代化建筑的主要外围护结构之一，玻璃幕墙的设计不仅要满足建筑美学和建筑功能的要求，而且要更多地考虑热工设计，充分体现当前国际上流行的建筑设计三大原则：“开放与交流、舒适与自然、环保与节能。在综述玻璃幕墙热工性能的基拙上，探讨如何合理选择玻璃材料以达到节能的目的；如何在建筑节能设计（尤其是玻璃幕墙的设计）中根据不同的气候区域采用有效的隔热或保温措施，并强调借鉴国内外先进节能技术的意义。关键

2、词：玻璃幕墙；建筑节能；保温；隔热目 录1.前言 42.玻璃幕墙的保温隔热性能及节能设计原则 4-53合理选择幕墙玻璃材料，降低建筑能耗 5-74综合采取各种相关的建筑节能设计 7-85探索更为先进的玻璃幕墙节能设计理念 8-116结语12 1 前言玻璃幕墙作为建筑物的外装饰是现代化城市建筑的重要标志之一，它打破了传统的实体墙与门窗的界限，巧妙地将建筑物围护结构的使用功能与装饰功能有机地融为一体，使建筑物更具时代感和艺术性。当前，建筑节能成为我国可持续发展战略的一部分，社会对建筑节能的意识也在逐渐增强。建筑节能主要是围护结构的节能，而玻璃幕墙是现代建筑围护结构的一个重要组成部分。如何充分考虑玻

3、璃幕墙使用的灵活性和最大限度地减少能耗，是建筑设计师务需解决的问题。 2玻璃幕墙的保温隔热性能及节能设计原则玻璃幕墙保温隔热性能较差，通风效果不好，直接影响到建筑物的设备配置及能源消耗，有悖于我国的国情。保温隔热性能是指幕墙两侧存在空气温差条件下，幕墙阻抗从高温一侧传向低温一侧传热的能力，不包括从缝隙中渗透空气的传热。幕墙保温性能用传热系数k表示。玻璃幕墙的保温隔热性能分级应符合相关规定（表中k值为幕墙中固定部分和开启部分所占面积的加权平均值）。 幕墙的保温性能应通过控制总热阻值和选取相应的材料来解决。为了减少热损失，可以从以下三个方面进行改善：第一是改善采光窗玻璃的保温隔热性能，尽量选用中空

4、玻璃，并减少开启扇；第二是对非采光部分采用隔热效果好的材料作后衬墙（如浮石、轻混凝土）或设置保温芯材；第三是做密闭处理和减少透风。由于我国各地气候条件不同，所以对幕墙的性能也有不同的要求。在夏热冬暖地区，隔热是建筑围护结构节能的主要问题。玻璃幕墙的隔热性能主要是针对辐射、传导与对流。在谈及反射玻璃时，人们往往只强调它的辐射性能。固然，辐射是上面各种方式中最主要的部分，可占全部热量的2/3左右，空调的主要负荷也来源于太阳辐射，因此，应有效阻挡太阳辐射。但在实际使用中，如幕墙在持久的曝晒下，反射玻璃由于散热较其它玻璃慢，尽管它的反射能力大，但热量的累积使它不可避免地成为一个新热源，所以，玻璃幕墙对

5、太阳能的透射能力是值得关注的问题。温差传热、空气流动热交换也是夏季围护结构节能应考虑的问题，这两个方面的传热均是由室内外温差造成的，不同的是前者是通过传热，后者是通过室内外空气渗透。在进行幕墙热工设计时，必须对其进行具体分析和研究，如：幕墙外表面与周围空气和外界环境间的对流换热、幕墙内表面与室内空气和室内环境间的换热、幕墙和金属框格的传热、通过玻璃的镀膜层减少的辐射换热等。建筑节能是贯彻可持续发展战略的一个重要方面，是执行节约能源、保护环境基本国策和中华人民共和国节约能源法的必要组成部分。我国各地区的气候条件不同，不可能采取同一种模式，而应该针对不同地域采取不同的措施，处理好建筑的节能问题。各

6、建筑气候分区均有或即将有相应的节能设计法规和标准出台，如严寒地区、寒冷地区、温和地区的幕墙要进行冬季的保温设计。幕墙热工设计应依据国家现行的民用建筑热工设计规范(GB50176一93),采暖居住建筑节能标准( JGJ26-95)和夏热冬冷地区居住律筑节能设计标准(JGJ134一2001)等来执行。这些标准的颁布和实施，无疑将有力推动我国建筑节能技术的研究和应用。 3合理选择幕墙玻璃材料，降低建筑能耗对于玻璃幕墙来说，由于玻璃的面积占据立面的大部分，可以参与热交换的面积较大，能耗也大，这样就决定了玻璃材料是幕墙节能的关键。如果使用普通透明玻璃，它的传热系数偏高，且对太阳辐射和远红外热辐射没有有效

7、限制，因此其面积越大夏季进入室内的热量越多，冬季室内散失的热量也越多。不同的玻璃具有不同的性能，一种玻璃不能适用于所有气候区域和建筑朝向。为阻挡太阳热辐射，必须对玻璃进行一定的处理。在玻璃原片中添加一些元素可以制成吸热玻璃，在玻璃的一面镀膜可制成热反射玻璃、Low一E玻璃及Solar一E玻璃等。比如，吸热玻璃吸收的热量越多，隔热的效果就越好。但吸热和透光经常是矛盾的，所以吸热玻璃的隔热能力也受到一定的限制，况且吸热玻璃吸收的一部分热量仍然有相当数量会传入室内。再比如，热反射玻璃在反射红外线的同时，对可见光的透射也有很大的衰减和反射，造成采光不好，反射光则造成眩光污染。由于热反射玻璃反射太阳能，

8、因而不适用于北方寒冷地区。低辐射镀膜玻璃是在20世纪90年代发展起来的新型保温玻璃，其辐射率一般为0.1左右，最低可以降至0.05，是普通玻璃辐射率的十分之一左右，提高了节能效果。而遮阳型Low一E玻璃采用独特的热喷射镀膜技术制作而成，除本身具有低辐射性能外，它还具有控制阳光的性能。一般而言，采用单片吸热玻璃或热反射玻璃、Low一E玻璃、Solar一E玻璃能取得一定的节能作用，但效果是有限的，在玻璃面积太大时仍不能满足要求。采用这些玻璃组成的中空玻璃是较好的选择。对于中空玻璃，外片玻璃一般采用吸热玻璃、热反射玻璃、吸热的Low一E玻璃。内片采用透明玻璃、Low一E玻璃等。这样，外片玻璃吸收绝大

9、部分太阳辐射热，而空气层将外片玻璃的热辐射阻挡在外面而不对室内产生二次辐射传热。中空玻璃的采用不仅能降低太阳辐射，也能有效地阻止温差传热。在我国南方首先是减少太阳辐射，这与北方的保温存在原则上的差异。在北方，中空玻璃一般是尽量减少对太阳短波辐射的阻挡，而使得大量的太阳辐射进入室内。而在南方，中空玻璃首先是吸收或反射太阳短波辐射，再利用中空玻璃的空气层有效隔绝温差传热和长波辐射，而使得大量的太阳辐射不能进入室内。中空玻璃的隔热性能主要因其内部气体处于一个封闭的空间，气体不产生对流，而且空气的导热系数为0.028W/(m2K )，是玻璃的导热系数0.77W/(m2K )的1/27，除中空玻璃四边的

10、密封胶导热，对流和传导在中空玻璃的能量传递中占较小的比例。要提高中空玻璃的隔热性能，一般是增大空间的厚度和使用导热系数低的气体置换中空玻璃内部的空气，这样可减少传导，但中空层不宜过大，合理的间隙是512mm左右。要降低辐射传热，一般是通过使用镀膜玻璃或低辐射玻璃来控制各种射线透过，达到降低辐射传热的目的。通过计算和实验数据显示，通常单片玻璃的传热系数k = 6W/(m2K )，中空玻璃（普通）k =2.33.2W/(m2K )，而采用离线低辐射镀膜中空玻璃（中空层充惰性气体）k=1.262.0W/(m2K )。需要注意的是，中空玻璃和Low一E中空玻璃，以及阳光镀膜玻璃都有不同程度的节能效果。

11、如何选用，要根据建筑整体设计要求，用于哪个部位，要达到什么样的效果，选用不同类型的节能玻璃，并非“u”值越低越好。要综合考虑，要考虑质量、使用寿命、装饰效果、成本和要求的节能效果。 4综合采取各种相关的建筑节能设计 玻璃幕墙的节能，一方面是减少其使用面积，特别是东、西墙面的使用面积，这主要在建筑设计时确定。在建筑设计中，将需要采光、通风和设置玻璃幕墙的墙面安排在南、北面，尽量减少其朝东或朝西的面积；另一方面是遮阳。由于空调负荷很多都是来自太阳辐射，而玻璃又是太阳辐射得热的主要来源，因而遮阳对玻璃幕墙节能是很有效的，可以使室内长期处于阴凉的地方，从而实现最大限度的降温。在设计遮阳构造时要结合幕墙

12、建筑的整体艺术效果、材料与颜色进行考虑，而且形式要简单、美观，便于清洗、安装。不同形式的遮阳板有时会影响建筑的立面造型，但如果处理得好，会使建筑更加协调。比如，竖向与横向结合的综合式遮阳板既提高了遮阳效果，又可作为立面从实到虚（实墙到玻璃）二者的过渡部分，这种强烈的虚实对比使建筑的个性十足，充分展示出的结构美而让建筑栩栩如生。遮阳最有效的是外遮阳。在外遮阳措施不太可行的情况下，内遮阳、玻璃内部遮阳等均是有效的节能措施。另外，良好的自然通风不仅能保持室内空气的清新，也可以最大限度地减少使用空调的时间，从而达到节能的效果，在寒冷地区采用大面积玻璃幕墙时应用保温措施，防止“热桥”产生，由于幕墙框多为

13、金属材料，金属比玻璃导热系数大，当室内外温差大时，应注意防止结露、挂霜，如在幕墙竖框内外均用热绝缘橡胶密封条分隔形成“热断桥”后，幕墙就不产生结露现象了，而且视野清晰。在设计玻璃幕墙建筑时，应科学合理地规划、设计和施工，避免玻璃幕墙带来的弊病。玻璃幕墙可将阳光的热量反射到周边建筑物、人行道或广场上，使人有灼热感，甚至损坏其他建筑物上的建筑材料（如密封胶、沥青材料等）。因此，不要将玻璃幕墙建筑物安排得过于集中，不要面向居民楼设置玻璃幕墙，限制在并列的和相对的建筑物上采用全部玻璃幕墙。在“丁”字路口和居民区20m以下高度不使用大面积、高反射率的镀膜玻璃。玻璃的阳光控制膜有低反射、吸热等不同数值可供

14、选择，如反射率在5%70之间变化，可根据使用要求作出调整。设计落地幕墙时可采用在墙脚布置绿化遮挡热量，也可改用反射率低的铝板、石板等。 5探索更为先进的玻璃幕墙节能设计理念 针对我国现阶段对建筑节能要求的进一步提高,广大幕墙设计师必须转变原有的设计理念：变被动为主动,首先进行玻璃幕墙的热工设计，应该追求设计功能的主动性和积极性，变被动设防为主动利用能源的设计思想，为了减少冬季采暖供热的热损失和能源消耗，为了减少夏季空调制冷的热袭入和能源消耗，玻璃幕墙热工设计的发展趋向是：对于以采暖供热为主的幕墙追求达到温室效应，对于以空调制冷为主的幕墙追求达到冷房效果，无论何种幕墙都将追求合理利用太阳能。动态

15、幕墙（也称热通道幕墙、双层通风幕墙）是一种很好的发展方向，由光电板系统和幕墙系统组成的光电幕墙也是主动利用太阳能的一个应用发展方向，综合运用光能、热能、电能的智能玻璃幕墙是最理想的发展方向。进行幕墙热工设计时，必须对其复杂的传热过程和传热方式进行分析和研究。玻璃幕墙的传热过程大致有三种途径：一是玻璃和铝合金（不锈钢）金属框格的传热：通过单层玻璃的热流传热，通过金属框格传热，通过玻璃的镀膜层减少辐射换热；二是幕墙内表面与室内空气和室内环境间的换热：内表面与室内空气间的对流换热，内表面与室内环境间的辐射换热；三是玻璃幕墙外表面与周围空气和外界环境间的换热；外表面与周围空气间的对流换热，外表面与外界

16、环境间的辐射换热，外表面与空间的各种长波（如电磁波、红外线等产生的长度）辐射换热。四是普通玻璃幕墙采用单层玻璃和铝合金型材的梁柱结构，而节能玻璃幕墙则应从上述三种途径加以考虑：第一种途径（热传导）对节点设计影响最大，针对玻璃的导热性能，设计时采用中空玻璃；针对铝框的导热性能，设计时采用尼龙66等结构塑料，形成“断桥”，可增大热阻，减少热传导，从而设计隔热幕墙。在此基础上，再考虑第二种途径（热对流）和第三种途径（热辐射），在构造上采用双层Low-E玻璃，上下端对流开口，从而设计动态幕墙。隔热幕墙的节点设计隔热幕墙的节能原理是采用中空玻璃和隔热断桥铝型材来实现节能的。隔热断桥铝型材的隔热原理是基于

17、产生一个连续的隔热区域，利用隔热条将铝合金型材分隔成两个部分。隔热条“冷桥”选用材料为聚酰胺尼龙66，其导热系数为0.3W/（m2K），远小于铝合金的导热系数210W/（m2K），而力学性能指标与铝合金相当。20世纪70年代末，隔热断桥铝型材在国外问世，主要用于高寒地区的铝合金门窗，到20世纪80年代末开始用于高寒地区的有框玻璃幕墙。我国目前在保温隔热性能要求很高的建筑中，也开始把它用于明框隔热玻璃幕墙、隐框隔热玻璃幕墙及点支式隔热玻璃幕墙。此外，在隔热幕墙中，更重要的是要注意中空玻璃的应用与设计（因为在幕墙中，玻璃所占的面积比铝合金框要大的多）。如果采用10+12A+10中空玻璃，那么其传热

18、系数K达3.0W/（m2K）左右，传热系数比单层玻璃低了近1/2，可以大大地降低能耗，因此，在保温性能要求比较高的情况下，应采用中空玻璃，如果中空玻璃内充入惰性气体，其K值还以可降至1.3W/（m2K）。铝型材节点设计的总体思路是：在铝合金型材截面不变的情况下，通过改变隔热条和胶条的尺寸，分别装配不同厚度的中空玻璃，从而达到不同的隔热设计要求，以供不同地区、不同类型的建筑、不同要求的业主选择。采用隔热幕墙能起到很好的节能和降噪效果。与普通的单层玻璃相比，节省能耗约25%50%，降噪约达30db40db.动态幕墙的节点设计动态幕墙是一种新型的节能幕墙，是幕墙技术的新发展。根据其结构，可以分为“封闭式内循环体系”和自然通风的“敞开式外循环体系”两种类型。前者需要通过电机强制抽风，因而总体节能水平不高；后者通过自然通风，所以节能效果更为明显。自然通风式动态幕墙的构造，其外层由单层玻璃及非绝热杆件组成的敞开结构玻璃幕墙，内层由绝热杆件和中空玻璃组成的推拉门（或推拉窗）幕墙体系。两层幕墙之间的热通道一般装有可自动调控的百叶。在热通道的上下两端装有排风和进风装置。其运行原理可以按照不同的季节说明。夏天：内外两层幕墙中间热通道的温度很高时，可打开热通道上下两端的排气口装置，在热通道内由于热烟囱效应产生自