幕墙保温与节能浅析

付宇 邬嘉 郭书军

摘要：近年来，随着我国国民经济的迅速发展，国家对环境保护节约能源、改善居住条件等问题极为重视，并相应地制定了一批技术法规和标准规范，幕墙保温节能尤其对严寒和寒冷地区的民用建筑采暖更具有突出的经济效益和社会意义。

关键词：幕墙、保温、节能

中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：

一、采暖民用建筑节能原理及途径

在冬季，为了保持室内温度，建筑物必须获得热量，主要从采暖设备的供热（70%-75%）、太阳辐射热（15%-20%）和内部得热（7%-8%）获得，这些热量再通过围护结构（外墙、门窗、屋顶）的传热（70%-80%）和空气渗透（20%-30%）向外散失。因此，对建筑物来说，节能的主要途径是减少建筑物外表面面积和加强围护结构保温，以减少传热耗能量，提高门窗的气密性，以减少空气渗透耗能量，最终达到节能的目的。因此围护结构保温尤为重要。

二、围护结构保温的方式

围护结构的保温主要是墙体的保温，新的节能标准要求围护结构节能50%，如哈尔滨地区外墙的传热系数 K=0.52，窗户的传热系数 K=2.5；沈阳地区外墙的传热系数 K=0.68，窗户的传热系数 K=3.0，若用单一材料外墙（如加气块、空心砖等）在严寒地区如哈尔滨外墙厚度需450mm（加气块）、1020mm（空心砖）。显然这是不可行的，因此，在严寒地区必须采用高效保温节能的保温墙体。目前国内主要有三种方式：

a、内保温复合外墙：即在主体结构内侧做保温结构，中间设置空气间层，以防止保温材料受潮，同时提高热阻，但缺点是在丁字墙及拐角等特殊部分形成薄弱节点难以处理。

b、保温材料夹芯复合外墙：是在主体围护墙内夹上一层保温材料，但该结构施工复杂，节点处理难度大，且造价相对较高。

c、外保温复合墙：是在主体结构外侧贴保温层，然后再做饰面层（如玻璃、石材、铝板面层等），它有以下特点：

①对主体结构有保护作用，减少热应力的影响

②有利于室内水蒸气通过墙体向外散发，避免水蒸气在墙体内凝结而使之受潮。

③有利于防止薄弱节点产生冷桥。

④由于保温材料贴在外侧，墙体减薄，使每户使用面积亦增加，经济价值十分可观。

三、外墙保温材料

材料的保温隔热性能好坏是由材料导热系数的大小决定的，导热系数愈小，保温、隔热性能愈好，建筑外墙保温材料主要有以下几种：

a、岩棉及其制品：以精选的玄武岩或绿岩为主要原料，经高温熔融制成的人造无机纤维。防火效果好，可耐8000C高温。

b、矿棉及其制品：是利用工业废料矿渣为主要原料，经熔化采用高速离心法或喷吹法工艺制成的棉丝状无机纤维。

c、玻璃棉及其制品：是以硅砂、石灰石等矿物为主要原料，经熔化将熔融玻璃液制成的无机纤维，保温效果比岩棉更好，但不耐高温。

d、聚苯乙烯泡沫塑料板（聚苯板）：是以聚苯乙烯树脂为基料，加入发泡剂等辅助材料，经加热发泡而成的轻质材料。

以上材料均具有容重小、隔热、吸声、导热系数低、不燃、化学稳定性好等特点，均适用于围护墙的保温。

四、幕墙建筑节能的设计原则

1.严寒地区、寒冷地区和温和地区的幕墙要进行冬季的保温设计；

2.我国目前尚没有专门的幕墙热工设计标准或规范，幕墙热工设计依据国家现行的《民用建筑热工设计规范》GB 50176、严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准JGJ26-2010、《采暖居住建筑节能检验标准》JGJ 132-2010、《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ 134-2010。

3.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。

4.幕墙传热的基本方式有三种：导热、对流换热和辐射换热。

五、铝合金门窗及幕墙保温节能技术

建筑的节能包含很多方面，而铝合金门窗及玻璃幕墙的节能是其重要组成部分。节能标准对铝合金门窗的保温性能提出了更高的要求。铝合金门窗、幕墙的节能主要是指通过产品的结构设计、材料选用等措施，使建筑物在使用过程中，以尽量少的能量消耗而获得理想的温度环境和光线环境的过程。铝合金窗及玻璃幕墙常见节能方法分以下几种：

（1）玻璃节能法

（2）减少空气渗透量

（3）铝合金断热型材节能法

（4）双（多）层结构体系节能法

（5）遮阳体系节能法

（一）玻璃节能法：

对于铝合金窗及玻璃幕墙来说，由于玻璃的面积占据立面的绝大部分，可以参与热交换的面积较大，就决定了玻璃是窗、玻璃幕墙节能的关键。

1. 根据玻璃是否镀膜及膜层材质可初步确定其节能效果，通常情况下，玻璃可分为以下几大类：1）浮法清玻璃2）热反射镀膜玻璃3）低辅射镀膜玻璃。这些玻璃传热系数虽然没有明显的变化，但由于膜层对光（能量）的控制能力不同，使其节能效果依次增加。

2. 根据玻璃结构形式，又可分以下几类：1）单层玻璃2）中空玻璃3）多层中空玻璃。其传热系数依次降低，即节能效果逐次增强。通过计算和实验数据显示，通常单片玻璃的传热系数K=6 W/m2•K左右，中空玻璃（普通）K=2.3—3.2 W/m2•K，而采用离线低辅射镀膜中空玻璃（中空层充惰性气体）K=1.4—1.8 W/m2•K。

3. 对玻璃除上述方法外，还可以采用贴节能膜方法，提高节能效果。

（二）减少空气渗透量

1． 密封条的设置：设置密封条是达到气密、隔声的必要措施之一。采用耐老化性、耐候性、耐冲击性和抗低温性能的三元乙丙胶条，提高铝合金门窗和幕墙密封性能。

2． 设计合理的结构形式减少空气渗透量。高性能平开窗的气密性等级可达到Ⅰ级，空气渗透量<0.5(m3/m.h), 推拉窗的气密性等级可达到Ⅱ-Ⅲ级，空气渗透量<2.5(m3/m.h)。

（三）铝合金断热型材节能法：

铝合金型材在窗及幕墙系统中，不但起着支承龙骨的作用，而且对节能效果也有较大影响。通常情况下，铝合金型材断面比玻璃面积小得多，为此，导热对节能效果的影响较大，

铝型材的传热阻：R0=Ri+R+Re

式中

R0-----铝型材的传热阻

Ri-----内表面换热阻， 取0.11 m2.K/W

R-----铝型材热阻，取0.002 m2.K/W

Re-----外表面换热阻， 冬季取0.04 m2.K/W

传热系数K0=1/ R0=1/（Ri+R +Re）

=1/（0.11+0.002+0.04）

=1/152=6.58 （W/ m2.K）

上式得出的计算结果是无断热铝型材的传热系数，与单层窗户的传热系数6.4 W/ m2.K基本相同，为此，我们开发了断热型材。根据断热铝型材加工方法的不同，分为灌注式断热铝型材和插条式断热铝型材。这两种形式的铝合金断热型材共同的特点都是在内、外两侧铝材中间采用有足够强度的低导热系数的隔离物质隔开。从而降低传热系数，增加热阻值。即使在炎热的夏季，当太阳暴晒的情况下，断热型材室外部分表面温度通常可达35—85℃，而室内仍可维持在24—28℃左右，有效地减少传到室内的热量，可减少制冷费用；而在寒冷的冬季，室外铝材的温度可与环境温度相当（一般-28℃—-20℃）而室内铝材仍然可以达到8—15℃，从而减少热量损失，节约冬季取暖的费用，从而达到节能目的。

（四）双（多）层结构体系节能法。

通常的窗及玻璃幕墙，在温暖地区，一般为单层结构，而在寒冷地区，则可以采用多层（双）层窗或双层幕墙/动态幕墙的方法，利用两层结构间的空气层（通过设计的空气层），降低系统总传热系数的办法，来实现节能目的。

（五）遮阳体系节能法：

由于铝合金窗及玻璃幕墙大面积采用玻璃，太阳的照射是辅射热。节能的本质就是如何实现在烈日炎炎的夏季将光（能量）挡在室外，或在寒冷的冬季能让充足的光（能量）传入室内。尽管建筑材料的研究人员做了不少的努力，但仍然难以找到理想的材料来解决这个问题。在铝合金窗和幕墙体系上融入遮阳技术也是节能的有效途径之一。在国外，已有系统的遮阳产品得到广泛应用，并取得显著节能效果，相信在国内也必然受到青睐。

参考文献

1．《夏热冬冷地区建筑节能技术》付祥钊主编

2.《建筑玻璃的节能特性》许武毅

3.《工程热力学》康乐明 李立家 吴家正 谭羽飞编

4.《夏热冬冷地区建筑节能设计标准》JGJ134-2001