玻璃幕墙的发展与节能设计的应用

容林彦

【摘 要】玻璃幕墙最多应用在建筑外围护结构上，其传热系数较大，建筑能耗较之普通建筑幕墙要大得多，因此玻璃幕墙节能设计在建筑节能中较为关键。本文就对玻璃幕墙进行节能设计，有效降低能耗，达到最大的节约能源和保护环境的战略目标。

【关键词】玻璃幕墙；建筑能耗；热功分析；节能设计

一、前言

玻璃幕墙作为建筑外围结构的重要组成部分，在建筑节能中发挥着越来越重要的作用。玻璃幕墙的环保节能程度已成为人们衡量幕墙品质的一个重要指标，而能耗的问题是建筑节能设计中不可缺少的重要环节。玻璃幕墙由支承结构体系与玻璃组成，相对建筑的主体结构有一定的位移能力，不分担主体结构所受作用的建筑外围结构或装饰机构。节能玻璃有着色玻璃、阳光控制镀膜玻璃、普通中空玻璃和LOW-E玻璃等。

二、建筑節能设计标准的重要技术参数

1.窗墙比。

《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）将窗墙比的上限定为0.7，是考虑到公共建筑风格越来越通透明亮的趋势。也就是说，某个立面即使是采用全玻璃幕墙，扣除各层楼板及楼板下面梁的面积（因为楼板及楼板下面梁与幕墙之间的间隙必须设置保温隔热材料），其窗墙比一般不超过0.7。

2.传热系数K。

传热系数是代表门窗内外温差是1K时，每平方米面积门窗上所流失的能量值。在本标准中K值的多少成为该建筑门窗节能是否达标的第一衡量标准。

3.遮阳系数Sc。

除严寒地区未对遮阳系数做明确量化比以外，其他三类地区均对门窗的遮阳系数有明确要求。对于寒冷地区而言外遮阳系数可以不做重点考虑，因为中空玻璃的遮阳系数一般在0.8左右加至窗框的所占整窗比例综合平均，达到相应要求难度不大。但就夏热冬暖地区而言，遮阳系数就需要给予关注。遮阳系数的多少成为该建筑门窗节能是否达标的第二衡量要求。

4.体形系数。

体形系数是指建筑物外表面积对比整体建筑物的建筑面积的比例。在本标准中，体形系数是严寒、寒冷地区对外门窗K值的第二分级标准。由于外表面积比例越大，就会导致建筑传热损失越大，而传热损失对室内外温差最为敏感，所以就冬季室内外温差较大的取暖地区而言，体形系数越大则外窗保温要求就越高。

三、建筑幕墙门窗系统主要材料的热工分析

建设筑幕墙门窗系统节能设计考虑的主要构件为玻璃及铝合金框架。

1.建筑幕墙玻璃。

玻璃的热工性能用两个参数来表征：

一是传热系数U值：U=Q1/（To-Ti）； To-室内温度，Ti-室外温度，Q1-由室外传入室内的热量。

二是遮阳系数Sc，它是玻璃的太阳能总透过率与3㎜无色透明玻璃太阳能总透过率的比值，即玻璃的遮阳系数是义为Sc=Q2/0.889 Q2-包括太阳的直接透射率和玻璃吸收太阳光后以热辐射的形式向室内的二次透射率。

2.幕墙门窗系数采用建筑玻璃的种类及选择。

依据《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）的要求，对严寒地区，根据不同的体型系数和窗墙比，传热系数的限值为1.3～2.7w/（㎡.k），只能部分满足节能设计要求，而Low-E中空玻璃，其传热系数为1.5～2.1w/（㎡k），可满足节能设计标准。

Low-E中空玻璃，特别是双银Low-E中空玻璃，不但导热系数低，保温性能良好，其遮阳系数也可降至0.3～0.6，隔热性非常好，可满足《公共建筑节能设计标准》在任何地区对玻璃传热系数和遮阳系数的要求，因此，建议设计上采用此种玻璃，以满足及提高建筑的节能设计标准的需求。

3.幕墙铝合金型材热工分析。

玻璃为执传导的主要部件外，构成幕墙门窗系统的另外一个构件—-铝合金型材对能量的传导也起到一定的影响作用，铝合金型材的框边与玻璃面积的比例达到8～18%，并且铝合金的热传导能力是玻璃的上百倍，传热系数达到203.0w/（㎡k），普通的铝合金框架将形成热桥产生能耗及结露，因此在设计中也应考虑铝合金框架对能耗的影响。

四、玻璃幕墙的节能设计原则及材料选择

1.节能设计原则。

在相关的建筑设计规范中，对建筑的隔热有着明确的规定和要求，因此在玻璃幕墙设计时，保温隔热性是重要的指标之一。在设计施行过程中，需要根据实际情况综合考虑不同地区气候特征，根据实际工程可参考下列原则：一是遵守国家法律法规及相关规范；二是要在充分考虑当地气候的情况下进行选材；三是要在冬天极寒地区进行保温设计、在夏季极热地区进行隔热、通风设计；四是在热工设计时，要对各种复杂的传热过程和传热方式进行分析和研究。

2.玻璃幕墙材料的选择。

（1）玻璃材料选择

玻璃幕墙和建筑外窗的能耗接近建筑总能耗的50%，要实现节能的目标，玻璃幕墙和建筑外窗材料的选择非常重要。因此，减少玻璃的能耗也就是减少幕墙耗能的关键所在，对于玻璃上的能耗来说，光学性和热学性能又是占主导地位的，也是节能设计考虑的主要指标《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015对透明幕墙的遮阳要求，通常采用板面自身遮阳和遮阳系统。目前，常用的玻璃有着色玻璃、阳光控制镀膜玻璃、普通中空玻璃和镀膜反射玻璃（即Low-E玻璃）等，具体我们通过不同地区的实际来进行探讨。严寒地区耗能主要是用在采暖上，对玻璃的传热系数要求高，一般采用中空玻璃，考虑其辐射，可进一步选择低辐射中空玻璃；相反，在炎热地区建筑的耗能主要用在制冷上，节能的主要方向是为提高围护系统的隔热效果，这时候就要求减小玻璃的遮阳系数来有效阻止阳光进入室内，板面自身遮阳往往采用阳光控制镀膜玻璃、着色玻璃、Low-E玻璃等。

（2）隔热材料选择

玻璃幕墙中的支撑构架几乎都是用铝合金材料，和玻璃相比，金属材料的导热系数更大，这就不可避免的会在普通玻璃幕墙中产生热桥现象，因此，采用断热桥铝型材是最好的，断热桥铝型材能够利用低导热系数材料来形成合理规格的隔热条，通过铝型材进行分割的原理来达到有效的节能效果。在实际工程中已有应用效果良好，经实践证明，在炎热的夏季，断桥铝型材在室外温度达到50℃左右时，室内温度仍然可维持在25℃左右，也就是说断桥铝型材能够有效的控制玻璃的传热作用，保持室内温度在一个适宜的范围内。

（3）保温材料选择

在玻璃幕墙层间梁位置，可采用保温岩棉和单片玻璃的组合，这样可以确保玻璃幕墙非透明部位达到保温要求。

五、玻璃幕墙节能材料的使用

玻璃幕墙和建筑外窗的能耗接近建筑总能耗的50%，要实现节能的目标，玻璃幕墙和建筑外窗材料的选择非常重要。目前，常用的玻璃有着色玻璃、阳光控制镀膜玻璃、普通中空玻璃和LOW-E玻璃等，随着科学技术的进步，各种具有独特功能的玻璃陆续问世，使玻璃的品种越来越多。如热反射镀膜玻璃有良好的控光性，对太阳辐射的反射率高达30%。可以有效的减少进入室内的热量、节约能耗。还有镀膜反射玻璃也是我们常说的LOW-E玻璃，它可以有效的吸收红外线，大大降低因辐射而造成的室内热能向室外的传递，达到理想的节能效果。

六、结论

通过以上分析，在进行玻璃幕墙门窗系统的节能设计时，对各种构件合理选择搭配使用，充分考虑影响能耗的传热系数、遮阳系数、窗墙比、玻璃的反射率、采光要求等各项参数；还应考虑到建筑物的地理位置、朝向，结合建筑物的使用要求，采取有效的措施增加保温材料、增加遮阳系统等进行全面系统的分析，以使得玻璃幕墙门窗系统的节能效果达到最高，满足节能要求。

参考文献：

[1]公共建筑节能设计标准（50189-205）.

[2]建筑节能技术 中国建筑业协会建筑节能专业委员会.

[3]民用建筑热工设计规范（GB50176-93）.