浅述幕墙热工性能设计

缪锦婷

(嘉特纳幕墙(上海)有限公司，上海 200021)

1 概述

如今门窗系统越来越多被玻璃幕墙形式所取代，应用越发广泛。玻璃幕墙相对门窗及石材铝板等形式建筑外观，能更好的提供采光性、美观性以及绝佳的视野感受。但伴随着其应用的广泛，建筑能耗也大大增加，并在社会总能源消耗的占比越来越大。因此加强围护结构的保温隔热性能，降低幕墙能耗成为了现在的一个重要课题。幕墙的热工性能主要有三类：幕墙整体的传热系数、遮阳系数及结露性能。本文主要探讨幕墙的传热系数，就热传递方式结合实际工程，利用BISCO软件，对幕墙热工性能进行了分析。

2 热量传递的基本方式

热传递的概念为：由温度差引起的一种热能传递物理现象。热传递包括三种形式：热传导、热对流和热辐射。只需物体内部或物体间存在温度差，热能就必定以以上三种方式中的一种或者多种从高温向低温处传递。

2.1 热传导

热传导是指在不同物体之间或同一物体内部存在温差时，物体内分子等微观振动、位移以及互相碰撞而产生能力传递现象。材料的热导率又称导热系数，反映材料的导热能力，不同材料的导热系数不同。一般金属导热系数较高，空气较小，列举一些材料的导热系数(见表1)。

表1 材料导热系数

由表1可见，金属材料导热率是空气的2 000倍。利用这一现象给生活带来便利的物品比比皆是，例如带木柄的不锈钢锅、杯垫等。

2.2 热对流

热对流的概念是指：流体内部由于温差，质点从高温到低温、低温到高温的循环热传递过程。热对流分为两种形式：自然对流和强制对流，自然对流是由自然温度差形成，强制对流是由压力差形成。例如热鸡蛋、冰可乐，在室温环境下，由于温差产生对流从而逐渐改变了自身的温度，这种就称为自然对流。再如风扇，通过压力差产生对流，降低温度，这就称为强制对流。对流传热系数是分析对流效应的重要参数，影响对流传热系数的因素包含传热面面积、流体性质、温度差值、流动方向、传热面粗糙程度等。

2.3 热辐射

热辐射是指物体以辐射电磁波的形式向外传递温度的现象。温度高于绝对零度的物体就能向周围发出热辐射，热辐射一般以长波为主，包含紫外线、可见光及红外线，成半球形直线传播，温度越高，辐射能也越大，见图1。热辐射传递无需介质，是真空中仅有的热传递模式。例如靠近火源取暖、灯光的温度等。辐射率主要取决于物体表面的性质，表面越粗糙，发射能力就越强。

3 工程中的应用

幕墙热工性能的提高方法最基础的原理就是改变热传递的三种方式，通过减少热导率，减少热对流，降低辐射率等，达到降低幕墙传热系数及减少结露的目的。下面分别展开讨论，如何运用热传递的三种方式，改善幕墙的热工性能。

3.1 热传导(导热率)

减少热传导的方式最直接的就是减少导热率，例如增加玻璃厚度、采用隐框形式幕墙、采用断桥隔热型材等。

传热系数是衡量玻璃热工性能的重要指标之一。面板传热系数是指面板中部区域双侧环境温度差为1 K时，在单位时间内通过单位面积玻璃的热量。玻璃传热系数越高，则通过玻璃的传热量也越高。

单一材料层的热阻R=t/λ,t为材料层厚度；λ为材料的导热系数。

单片玻璃传热阻为Rt=Rsi+Rg+Rse,Rsi为内表面换热阻，一般取0.13;Rse为外表面换热阻，一般取0.05。

玻璃的传热系数Ug=1/Rt。

我们对比一下一片6 mm厚的玻璃和一片10 mm厚的玻璃，从表2数值可看出玻璃厚度越厚，传热系数越小，对幕墙热工性能越有利。

表2 不同厚度玻璃的传热系数

增加热阻的另一种方法就是采用断桥隔热型材。通过在型材间加穿条式隔热型材或浇筑式隔热型材。在相同室内外环境下，面板均采用10 mm单片清玻，我们对无断热型材和断热型材进行了分析对比，见图2。

根据软件分析(见表3)，我们很清楚的看到加了隔热条后，室内框的温度明显升高，通过计算，我们得知隔热型材的传热系数相对无隔热型材小了将近一半。另外对于有开启扇或中空玻璃作为面板的结构，隔热位置最好保持在同一高度，使等温线更加平坦，且保持与外界的隔断，那么这个热工设计是非常合理的。

表3 有无隔热型材的传热系数

3.2 热对流(减少空气流动)

对流换热系数hc=4+4Vs，Vs为表面附近的气流速度,m/s。

由上式可知，影响对流换热系数最重要的指标就是气体流动速度。当采用中空玻璃面板时，中空层内气体不同，对玻璃的传热系数U值就会相应不同。一般为了降低玻璃的传热系数，中空层会采用惰性气体填充，如氩气等，目的就是为了减少气体的流动即减少热对流的影响。

通过WINDOW 6软件分析，我们得出8 mm+12A+8 mm的清玻填充空气，其传热系数U值为2.636 W/(m2·K)，而8 mm+12Ar+8 mm的清玻填充氩气，其传热系数U值为2.48 W/(m2·K)，若空气层厚度越大，则降幅更为显著。

另外，多隔空气腔同样能减少热对流，当空气层小于5 mm厚时，我们可以将空气看作简单的热传导材料，相应减少了热对流的传递方式，减少了热量的传递。同样我们利用BISCO软件做了两种形式的模拟，对比见图3。

通过计算框的传热系数(见表4)，得出胶条隔空气腔多的型材，框的传热系数更小。但要注意此方法对于空气腔面积占比较大的结构形式作用较大，如一些特殊构造要求的外围护结构，对于一般幕墙而言，采用更多的方法是改变玻璃，更有效直接。

表4 单、多腔型材的传热系数

3.3 热辐射(减少表面粗糙度)

辐射换热系数hr=4σεT3，其中，σ为常数，取5.67×10-8；ε为表面半球发射率，辐射率越高，则发射能量越高，吸收能量也越高；T为室内外辐射温度，因此从公式可看出表面半球发射率是辐射换热系数的重要指标。

对于玻璃面板而言，减少热辐射普遍采用的方法就是镀膜，热辐射对于玻璃的传热性能非常重要，玻璃镀膜可以有效阻止太阳辐射能尽可能少的进入室内，从而降低能耗。

我们对比一下6 mm+12A+6 mm的中空玻璃和6 mm Low-E+12A+6 mm的中空Low-E玻璃传热系数，结果一目了然，见表5。

另外，我们需要注意，一般南方炎热地区，Low-E膜镀在第二面上，而北方寒冷地区一般将Low-E膜镀在第三面，这样的设置，更能有效满足不同地区的需求。

表5 不同镀膜玻璃传热系数

除了玻璃镀膜，在型材上，我们可以考虑对断热型材前后两面进行涂层、抛光等处理，降低表面辐射率，但是费用较贵，不够经济。又或者可在断热空腔中添加岩棉，此做法既能减少辐射，又能减少对流，效果极佳。但是，同样的，和对流一样，对面积占比较小的位置作用就差很多。另外注意，型材空腔内加岩棉并不能降低型材传热系数，由于空气腔内温差较小，热辐射及对流较小，热量会选择最近的路线，即直接从铝框传递。

4 结语

通过热传递的三种方式，对幕墙设计进行改善，能有效提高玻璃幕墙热工性能，其中减少热传导的方法最为直接有效，但要注意热量过于集中传递易产生结露的问题。而对于热对流及热辐射，由于型材面积占比的问题，除了在玻璃镀膜及采用惰性气体填充中空层上应用较为广泛，对于型材而言，作用就不那么经济有效了。不过随着大跨度结构及特殊装饰要求的幕墙不断增多，相信今后这两种方式会得到更多的应用。