建筑玻璃幕墙的节能设计

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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。关键词：

2、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121 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。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，尽量选用中空玻璃，并减少开启扇

4、；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

5、对太阳能的透射能 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

6、好建筑的节能问题。各建筑气候 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 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 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，

7、且对太阳辐射 和远红外热辐射没有有效限制，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

8、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，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

9、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

10、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

11、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。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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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