幕墙节能设计

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1、节能型建筑幕墙的构造设计方大集团股份有限公司设计院 谢士涛 董格林【提 要】文章针对公共建筑节能设计标准（GB50189-2005）对建筑幕墙的节能要求，对节能型建筑幕墙的节点构造设计进行了探讨，可供建筑师和幕墙设计人员进行建筑幕墙设计时参考。【关键词】建筑幕墙 节能 构造设计1节能型建筑幕墙的含义建筑节能是指节约采暖供热、空调制冷、采光照明以及调节室内空气、湿度、改变居室环境质量的能源消耗，还包括利用太阳能、地热(水)能源的综合技术工程。目前我国的公共建筑特别是大型商场、高档旅馆酒店、高档办公楼等建筑的全年能耗中，大约50%60%消耗于空调制冷与采暖系统，而在空调采暖能耗中，大约20%50%

2、由外围护结构传热所消耗。因此，建筑幕墙的节能对建筑节能来讲意义重大。节能型建筑幕墙是指其性能指标，主要是保温隔热性能和气密性两项物理性能，达到或高于现行的建筑节能设计标准要求的建筑幕墙。由于我国幅员广阔，南北方、东西部地理气候环境差异很大，不同的环境条件下对建筑幕墙的节能要求也不尽相同。A地区的节能幕墙对于B地区来讲并不一定能达到节能的基本要求。因此，节能型建筑幕墙的含义中除了性能指标外还有其对应的环境指标。2节能标准对建筑幕墙的要求公共建筑节能设计标准（GB50189-2005）将建筑幕墙分为透明幕墙和非透明幕墙两大类。根据建筑所处城市的建筑气候分区不同，标准对透明幕墙与非透明幕墙的保温隔热

3、性能和气密性均有很明确的要求。2.1 非透明幕墙非透明幕墙是指不具备自然采光、视觉通透特性的建筑幕墙，主要是指非透明面板材料（金属板、石材等）组成的幕墙和玻璃幕墙有后置墙体或保温隔热层的幕墙。一般位于楼板（楼板梁）、柱、剪力墙等部位。公共建筑节能设计标准将此类幕墙作为建筑物的实墙体进行考虑，对其热工性能的要求与外墙相同，见表1。非透明幕墙的传热系数限值 表1地区体形系数0.3传热系数K W/(m2K)0.3体形系数0.4传热系数K W/(m2K)严寒地区A区0.450.40严寒地区B区0.500.45寒冷地区0.600.50夏热冬冷 1.0夏热冬暖 1.52.2 透明幕墙透明幕墙是指可见光可直

4、接透射入室内的幕墙。透明幕墙对建筑能耗高低的影响主要有两个方面，一是玻璃等透明材料的传热系数大小影响到建筑物冬季采暖与夏季空调室内外的温差传热；另一方面是透过玻璃等透明材料的辐射得热。结合我国南北方、东西部地区气候差异大的现实，标准对不同气候区域、不同窗墙面积比的单一朝向的透明幕墙的传热系数与遮阳系数作了详细的要求，如表2、表3、表4、表5以及表6。对透明幕墙的气密性要求为不应低于建筑幕墙物理性能分级（GB/T15225）规定的3级。 严寒地区A区单一朝向透明幕墙传热系数限值 表2透明幕墙部位体形系数0.3传热系数K W/ (m2K)0.3体形系数0.4传热系数K W/ (m2K)窗墙面积比0

5、.2. 3.02.70.2 窗墙面积比0.32.82.50.3 窗墙面积比0.42.52.20.4 窗墙面积比0.52.01.70.5 窗墙面积比0.71.71.5 严寒地区B区单一朝向透明幕墙传热系数限值 表3透明幕墙部位体形系数0.3传热系数K W/(m2K)0.3体形系数0.4传热系数K W/(m2K)窗墙面积比0.2. 3.22.80.2 窗墙面积比0.32.92.50.3 窗墙面积比0.42.62.20.4 窗墙面积比0.52.11.80.5 窗墙面积比0.71.81.6 寒冷地区单一朝向透明幕墙传热系数和遮阳系数限值 表4透明幕墙部位体形系数0.30.3体形系数0.4传热系数K W

6、/(m2K)遮阳系数SC(东、南、西向/北向)传热系数K W/(m2K)遮阳系数SC(东、南、西向/北向)窗墙面积比0.23.53.00.2窗墙面积比0.33.02.50.3窗墙面积比0.42.70.70/2.30.70/0.4窗墙面积比0.52.30.60/2.00.60/0.5窗墙面积比0.72.00.50/1.80.50/注:有外遮阳时,遮阳系数=玻璃的遮阳系数外遮阳的遮阳系数；无外遮阳时，遮阳系数=玻璃的遮阳系数。 夏热冬冷地区单一朝向透明幕墙传热系数和遮阳系数限值 表5透明幕墙部位传热系数K W/(m2K)遮阳系数SC(东、南、西向/北向)窗墙面积比0.2 4.70.2窗墙面积比0.

7、3 3.5 0.55/0.3窗墙面积比0.4 3.0 0.50/0.600.4窗墙面积比0.5 2.8 0.45/0.550.5窗墙面积比0.7 2.5 0.40/0.50注:有外遮阳时,遮阳系数=玻璃的遮阳系数外遮阳的遮阳系数；无外遮阳时，遮阳系数=玻璃的遮阳系数。夏热冬暖地区单一朝向透明幕墙传热系数和遮阳系数限值 表6透明幕墙所在部位传热系数KW/(m2K)遮阳系数SC(东、南、西向/北向)窗墙面积比0.2 6.50.2窗墙面积比0.3 4.7 0.50/0.600.3窗墙面积比0.4 3.5 0.45/0.550.4窗墙面积比0.5 3.0 0.40/0.500.5窗墙面积比0.7 3.

8、0 0.35/0.45注:有外遮阳时,遮阳系数=玻璃的遮阳系数外遮阳的遮阳系数；无外遮阳时，遮阳系数=玻璃的遮阳系数。不难看出，公共建筑节能设计标准对建筑幕墙的要求，一是为减少温差传热而提出的对其传热系数K的要求，另一方面是为了减少辐射得热的遮阳系数的要求；对其气密性能方面的要求是为了减少空气流动造成热能耗。3节能型建筑幕墙的设计原则建筑幕墙的节能是在对建筑周边的自然环境，如光线、温度、风压、气候状况等充分分析和了解的基础上，针对建筑本身的朝向、高度、室内功能等特点，通过有效地系统技术和产品对室内环境起到适应和调整的过程。这个过程需要综合多种因素考虑，需要处理多种关系，如隔热和得热、采光和遮阳

9、、通风和热交换的关系，气密性、水密性和传热、隔声的关系等等。这个过程不应仅仅依据于单一的状态指标，如传统的传热系数K值就能够说明和解决的。因此，节能幕墙的设计应遵循如下原则：科学性：需综合、全面权衡各因素，充分考虑其功能、性能等诸多方面，合理选型（幕墙的型式和窗墙面积比）、选材和构造。适用性：结合环境因素与项目的具体情况，参照标准规定与地方要求，认真落实国家有关节能政策，同时要处理好建筑低能耗与高舒适度的关系。经济性：建筑幕墙只是建筑围护结构的一部分，只是建筑节能的一个方面，节能的考虑需全盘考虑，只有达到节能与经济的统一才能体现节能的作用与价值。原则上讲，建筑幕墙节能设计需要建筑师与幕墙设计师

10、（外围护）、暖通工程师（空调采暖）、室内设计师（采光）等充分协商，尽量达到各方面的统一。4非透明幕墙节能设计分析4.1 玻璃幕墙组成的非透明幕墙以常见的楼层结构梁处非透明玻璃幕墙为例。楼层高度为3.6m，非透明部分的高度为1.2m，分格宽度1.2m。钢筋混凝土结构梁宽度300mm高度500mm；楼板上反梁高度300mm宽度200mm。如图1、图2所示。结构梁部位玻璃幕墙是作为非透明幕墙，首先结构梁下部400mm需进行构造遮挡，设计采用保温棉加镀锌钢板处理。如图2。铝框宽度72mm，玻璃距梁面为150mm（封闭空气层），玻璃与保温棉的厚度选用需根据计算确定。从图示可以看出，通过围护结构的热量传递

11、，从外传到内经过三个部分，即玻璃幕墙部分、封闭空气层部分与墙体部分。图1 非透明幕墙分格剖面图(层高3600非透明幕墙部分高度1200)图2 节能的非透明玻璃幕墙构造图3 不节能的非透明玻璃幕墙构造以夏热冬暖地区为例，非透明幕墙的传热系数要求为K1.5 W/(m2K)，玻璃选用6mm钢化玻璃，保温棉选用40mm厚岩棉。根据民用建筑热工设计规范GB50176-93，其热工简化计算如下：玻璃幕墙部分热阻（以一个分格计算）： 铝框部分面积 A框=1.21.2-1.1281.128 = 0.168m2 玻璃部分面积 A玻=1.1281.128 = 1.272 m2 玻璃热阻 R玻=/=0.006/0.

12、76=0.008 (m2K) / W 铝框热阻 R框 = 0.10 (m2K) / W玻璃幕墙部分（按面积加权）热阻R1= ( R玻A玻+ R框A框 )/ ( A玻+ A框 ) =（0.0081.272+0.100.168）/（1.272+0.168）= 0.0187 (m2K) / W （1）封闭空气层部分热阻 （GB50176-93 附表2.4）：冬季 R空 = 0.18 (m2K) / W 夏季 R空 = 0.15 (m2K) / W （2）墙体部分热阻：结构梁部分热阻R梁1=/= 0.30/1.74 = 0.172 (m2K) / W 反梁部分热阻R梁2=/= 0.20/1.74 =

13、0.115 (m2K) / W 保温棉部分热阻R棉 =/= 0.04/0.050 = 0.800 (m2K) / W 墙体部分(按面积加权) 热阻R2= ( R梁1A梁1+ R梁2A梁2 + R棉A棉)/ ( A梁1+ A梁2 + A棉)=（0.1720.500+0.1150.300+0.8000.400）/（0.500+0.300+0.400）= 0.367(m2K) / W （3）由（1）（2）（3），根据GB50176-93公式附2.2和附2.4，非透明幕墙传热阻：冬季R0=Ri+R1+R空+ R2+Re =0.11+0.0187+0.18+0.367+0.04 =0.716 (m2K)

14、 / W 此非透明幕墙的传热系数（冬季）为： K=1/ R0=1/0.716=1.397W/(m2K)1.5W/(m2K) （4）夏季R0= Ri + R1+ R空+ R2+Re= 0.11+0.0187+0.15+0.367+0.05 =0.696(m2K) / W 此非透明幕墙的传热系数（夏季）为：K=1/ R0 =1/0.696 =1.437W/(m2K)1.5 W/(m2K) （5）由（4）（5）表明，6mm厚单层玻璃及40mm厚保温棉的构造能满足夏热冬暖地区的节能要求。采取同样的计算方法，该种非透明幕墙的构造适宜的气候地区域构造列表如表7。 示例非透明幕墙构造与适宜区域列表K单位：W

15、/(m2K) 表7玻璃铝型材保温棉厚度传热系数K(冬季)传热系数K(夏季)适合地区6mm单层普通40mm1.3971.437夏热冬暖6+9+6中空断热20mm1.4261.468夏热冬暖6mm单层普通90mm0.9530.972夏热冬冷6+9+6中空断热70mm0.9660.986夏热冬冷6mm单层断热190mm0.5810.588寒冷地区6+9+6中空断热170mm0.5880.595寒冷地区6mm单层断热240mm0.4870.491严寒B区6+9+6中空断热220mm0.4910.496严寒B区6mm单层断热280mm0.4310.434严寒A区6+9+6中空断热260mm0.4350.

16、438严寒A区6mm单层断热310mm0.3970.400严寒A区6+9+6中空断热300mm0.3890.392严寒A区从计算与列表可以看出：1玻璃幕墙部分的传热阻约为非透明部分（墙体）的5%，是封闭空气层的10%，封闭空气层的宽度超过60mm后对热阻的影响不大（计算取值不变），因而提高非透明玻璃幕墙热阻的办法应重点考虑提高玻璃幕墙后置墙体（保温板）的热阻。2单层玻璃完全能满足不同气候区域对玻璃幕墙组成的非透明幕墙的热工要求。3铝框因所占的面积比例较小，因而对非透明幕墙的传热系数影响不大，但寒冷与严寒地区因采暖时间长，为避免型材表面结露结霜，应选用断热型材。4从构造上看，热阻的计算将玻璃幕墙

17、、封闭空气层和墙体作为多层围护结构来考虑，所以空气层必须封闭。如图3示。当空气层不封闭时，透过玻璃幕墙的热量直接与室内空气层直接进行交换，墙体对热量的阻挡会有很大程度的降低，而达不到节能要求。4.2 铝板幕墙组成的非透明幕墙图4 非透明幕墙-铝板幕墙 图5 非透明幕墙-石材幕墙 以3mm单层铝板幕墙为例，节点构造如图4。保温棉为20mm厚岩棉加单层铝箔、后置墙体为120mm厚重砂浆砌筑粘土砖砌体，铝板幕墙与墙体间封闭空气层为100mm。 本非透明幕墙围护结构的隔热层依次为单层铝板、保温棉、封闭空气层、墙体。根据GB50176-93，热工计算如下：铝板热阻R铝=/ =0.003/203 =0.0

18、00015 (m2K) / W保温棉热阻R棉=/ =0.020/0.05 =0.40 (m2K) / W铝板幕墙部分热阻R幕= R铝+ R棉 = 0.60 (m2K) / W （6）封闭空气层部分热阻 （GB50176-93 附表2.4）：冬季R空 = 0.50 (m2K) / W夏季R空 = 0.37 (m2K) / W （7）墙体部分热阻R墙= 0.12/0.81=0.148 (m2K) / W （8）由（6）（7）（8）根据GB50176-93公式附2.2和附2.4，计算本非透明幕墙传热阻：冬季R0= Ri + R幕+ R空+ R墙+Re =0.11+0.40+0.50+0.148+0.

19、04 =1.198 (m2K) / W 此非透明幕墙的传热系数（冬季）为： K=1/ R0=1/1.198=0.835W/(m2K) 1.0 W/(m2K) （9）夏季R0= Ri + R幕+ R空+ R墙+Re =0.11+0.40+0.37+0.148+0.05 =1.078 (m2K) / W 此非透明幕墙的传热系数（夏季）为： K=1/ R0=1/1.078=0.928W/(m2K) 1.0 W/(m2K) （10）由（9）（10）表明此非透明幕墙（铝板幕墙）能满足夏热冬暖地区节能设计要求。采取同样的计算方式，该节点构造适宜的气候地区域构造列表如表8： 示例铝板幕墙构造与适宜区域列表K

20、单位：W/(m2K) 表8保温棉厚度传热系数(冬季)传热系数(夏季)适合地区0*1.2531.475夏热冬暖20mm0.8350.928夏热冬冷50mm0.5560.596寒冷地区70mm0.4550.481严寒B区80mm0.4390.417严寒A区95mm0.3710.388严寒A区*说明：保温棉厚度为0是指热阻计算时仅取空气层为单面铝箔的封闭空气层，保温棉未予考虑。无铝箔时冬季和夏季的K值分别为2.09 W/(m2K)与2.18 W/(m2K)，不能达到节能要求。从计算与列表可以看出：1铝板是热的良导体，其热阻可忽略不计。铝板幕墙的热阻取决于其后面的保温衬里材料。2铝板幕墙作为非透明幕墙

21、，采用合理的构造能满足不同气候区域的节能要求。3即使在夏热冬暖地区，铝板幕墙如不加衬保温材料也不能满足节能要求。4从计算模型来看，铝板幕墙与墙体间的空气层应保证封闭。实际工程中，当铝板幕墙后无后置墙体时，可通过加厚衬里保温棉的方法达到所在气候区域的节能要求，保温棉的厚度计算列表如表9。 无后置墙体时，铝板后衬保温棉厚度列表K单位：W/(m2K) 表9保温棉厚度传热系数(冬季)传热系数(夏季)适合地区30mm1.3331.316夏热冬暖45mm0.9520.943夏热冬冷80mm0.5710.568寒冷地区95mm0.4880.485严寒B区105mm0.4440.442严寒A区120mm0.3

22、920.391严寒A区如果铝板幕墙后置墙体的传热系数能达到一定的数值，铝板后可不加衬保温材料。无需加衬保温棉的情况，墙体传热系数K要求，如表10。无保温棉时后置墙体的传热系数要求K单位：W/(m2K) 表10后置墙体传热系数要求非透明幕墙传热系数适合地区1.93 1.5夏热冬暖1.181.0夏热冬冷0.660.6寒冷地区0.540.5严寒B区0.480.45严寒A区0.420.4严寒A区4.3 石材幕墙组成的非透明幕墙 以30mm石材幕墙为例，节点构造如图5。石材后加衬50mm厚保温棉、石材幕墙后置墙体为200mm厚重砂浆砌筑粘土砖砌体，石材与保温棉间为120厚空气层，保温棉与墙体间封闭空气层

23、为100mm。 本非透明幕墙围护结构的隔热层依次为石材、封闭空气层、保温棉、封闭空气层、墙体。根据GB50176-93，热工计算如下：花岗石板热阻R石=/= 0.03/3.49=0.0086(m2K) / W保温棉热阻R棉=/=0.050/0.05 =1.0(m2K) / W墙体部分热阻R墙=/=0.20/0.81=0.247 (m2K) / W 冬季传热阻为：R0= Ri + R石+ R空+ R 棉+ R空+ R墙+Re =0.11+0.0086+0.18+1.0+0.18+0.247+0.04 =1.77(m2K) / W 此非透明幕墙传热系数（冬季） K=1/ R0=1/1.77=0.5

24、66W/(m2K) 0.6 W/(m2K) （11）夏季传热阻为：R0= Ri + R+ R 棉+ R空+ R墙+Re =0.11+0.0086+0.18+1.0+0.18+0.247+0.05=1.72(m2K) / W 此非透明幕墙传热系数（夏季） K=1/R0=1/1.72=0.583W/(m2K)0.6 W/(m2K) （12）由（11）（12）可知此石材幕墙可以达到寒冷地区的节能要求。采取同样的方法计算，适合不同气候区域的类似构造石材幕墙的保温棉厚度如表11。示例石材幕墙构造适合区域列表K单位：W/(m2K) 表11保温棉厚度传热系数(冬季)传热系数(夏季)适合地区0*1.3061.

25、398夏热冬暖15mm0.9390.985夏热冬冷50mm0.5660.583寒冷地区65mm0.4840.496严寒B区80mm0.4230.432严寒A区90mm0.3900.398严寒A区*说明：保温棉厚度为0时，计算仍取有两个封闭空气间层的数据，实际应用需有挡板。如无隔开的两个空气层时冬季和夏季的K值分别为1.708W/(m2K)和 1.768W/(m2K)，不能满足夏热冬暖地区的节能要求。如石材幕墙后无后置墙体，采用增加保温棉厚度来达到节能要求时，保温棉厚度可参照表12选取。 无后置墙体时石材后衬保温棉厚度列表K单位：W/(m2K) 表12保温棉厚度传热系数(冬季)传热系数(夏季)适

26、合地区20mm1.3541.392夏热冬暖35mm0.9630.982夏热冬冷70mm0.5750.582寒冷地区85mm0.4910.495严寒B区100mm0.4280.431严寒A区110mm0.3940.397严寒A区5透明幕墙节能设计分析透明幕墙从目前的应用来看主要指玻璃幕墙，玻璃幕墙中玻璃与铝框面积相比，玻璃所占比例远大于铝框。因此，从控制得热与传热来讲，玻璃幕墙的节能设计重点在玻璃的选择上。一般建筑玻璃的选用会直接关系到建筑效果，所以在幕墙设计选用建筑玻璃时，一方面要注意其热工性能，另一方面需与建筑师充分沟通协商。表征玻璃热工性能的指标有遮阳系数Sc和传热系数U。遮阳系数直接反映

27、玻璃对阳光的遮阳效果，它体现的是玻璃的隔热性能，Sc值越低反映其隔热性能越好。传热系数反映玻璃温差的传热特性，它体现的是玻璃的保温性能，U值越低表明其保温性能越好。以保温为主的严寒地区、寒冷地区应选用传热系数较小的玻璃产品；夏热冬暖地区以隔热为主，应选用遮阳系数较小的玻璃产品。常用玻璃的热工性能参数见表13。中空玻璃充氩气后传热系数可降低0.20.3 W/(m2K)。着色玻璃的遮阳系数一般为0.550.85，阳光控制镀膜玻璃的遮阳系数一般为0.250.55，双银LOW-E中空玻璃的遮阳系数一般为0.300.60。常用玻璃的热工性能参数 表13玻璃类型普通单层玻璃9mm厚空气层的普通中空玻璃12

28、mm厚空气层的普通中空玻璃12mm厚空气层的中空LOW-E玻璃传热系数W/(m2.K)5.86.43.23.52.83.21.61.8遮阳系数0.30.90.20.80.20.80.250.66结束语公共建筑节能设计标准的颁布与实施，对建筑幕墙的节能设计提出了明确的要求，但如何正确地把握和执行标准，需要我们对它进行全面地理解。经过上述简单的构造设计分析，可以总结出在幕墙的节能设计时应注意如下几点：1建筑幕墙的节能构造设计应与项目所在的地理气候条件紧密地结合起来，合理地选用材料。节能型幕墙并不一定都要使用“节能”材料，选用“节能”材料如果构造设计不当同样也不能建造出节能型幕墙。2建筑幕墙的节能构造设计要与外围护结构传热计算模型相一致，如封闭空气层的设置，玻璃幕墙后非透明墙体的处理等都直接影响到节能效果。3普通的建筑幕墙通过构造上的设计完善，完全可以满足不同地理气候区域的节能要求。参考文献：1公共建筑节能设计标准（GB50189-2005）.中国建筑工业出版社，2005.2公共建筑节能设计标准宣贯辅导教材.中国建筑工业出版社，2005.3涂逢祥主编 节能窗技术.中国建筑工业出版社，2003.4民用建筑热工设计规范（GB50176-93）.中国建筑工业出版社，1993.5张芹 玻璃幕墙如何贯彻执行公共建筑节能设计标准.门窗幕墙信息.2005.9