玻璃幕墙与建筑节能.docx

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玻璃幕墙与建筑节能

玻璃幕墙与建筑节能

《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005（2005年4月4日发布、2005年7月1日实施，GB50189-93同时废止）适用于新建、改建和扩建公共建筑节能设计。

目前我国建设高潮持续不断，每年建成的房屋面积高达16亿～20亿平方米，超过所有发达国家年建成建筑面积的总和，可见建筑规模极其巨大。

在我国历史上，这几十年是房屋建设高潮期，如此巨大的建筑规模，在世界上是空前的，这段高潮过后，很可能不会再度出现。

遗憾的是，不仅既有的近400亿平方米建筑中的99％为高耗能建筑，新建建筑中95％以上仍属于高耗能建筑。

我国到2002年只在城市中累计建成节能建筑2.3亿平方米（包括节能率30％及50％的建筑），仅占全国城市建筑面积的2.1％。

2004年我国建成使用幕墙的建筑一亿平方米（使用幕墙约4000万平方米，其中玻璃幕墙约1400万平方米，玻璃幕墙中约有7％达到《公共建筑节能设计标准》规定的要求；石材幕墙、金属幕墙约有25％达到《公共建筑节能设计标准》规定的要求）就是说玻璃幕墙节能设计达标率优于新建建筑（5％）平均水平，那种认为采用玻璃幕墙的建筑就是耗能建筑的议论是没有根据的，国家也没有“叫停玻璃幕墙”。

2005年建设部组织玻璃幕墙安全检查，检查中检查了北京市80年代建成的长城饭店（图1）、京广中心（图2）等采用玻璃幕墙的建筑的热工性能，检查后认为它们达到《公共建筑节能设计标准》的要求，说明只要按节能要求设计，采用玻璃幕墙的建筑的热工性能是完全可以达到《公共建筑节能设计标准》要求的。

玻璃幕墙采用的玻璃，可以通过二次加工（镀膜、中空、中空充惰性气体）降低传热系数，达到传热系数K≈1.5W/（m2·K）的水平，要达到传热系数K≤1.5W/（m2·K）的水平，就要在玻璃幕墙内侧后置墙体或用保温隔热材料进行保温隔热处理[达到传热系数K≤1.5W/（m2·K）]，而墙体和保温隔热材料均为不透光材料，即在玻璃幕墙内侧后置墙体或放置保温隔热材料后，这一部分为非透明幕墙，它一般位于楼板（楼板梁）部位，不会影响建筑使用功能，金属幕墙、石材幕墙等幕墙，没有透明玻璃幕墙所要求的自然采光、视觉通透等功能要求，此类幕墙采取保温隔热措施，比较容易达到传热系数K≤1.5W/（m2·K）。

为了达到节能目标，非透明幕墙[石材幕墙（图3）、金属幕墙（图4）、玻璃幕墙有后置墙体部位（图5~6）、玻璃幕墙有后置保温隔热层部位（图7）等都属于非透明幕墙]不小于同一朝向玻璃幕墙墙面的0.3，其余≤0.7部分采用加工玻璃或玻璃（保持透光），并使其传热系数达到予定值[K=1.5~6.5W/（m2·K）]。

同一朝向上玻璃幕墙的窗墙比是指未用保温隔热材料进行保温隔热处理的透明幕墙[传热系数K＞1.5W/（m2·K）]与同一朝向上外墙面积的比值，要求窗墙比≤0.7；用保温隔热材料进行保温隔热处理部分或有后置墙体的非透明幕墙（达到传热系数K≤1.5W/（m2·K））与同一朝向上外墙面积的比值要求≥0.3，而不是说玻璃幕墙最多只能占到墙面的70%。

图1长城饭店

图2

图3非透明幕墙—石材幕墙

图4非透明幕墙—金属幕墙

图5非透明幕墙—玻璃幕墙后置混凝土墙体

图6非透明幕墙—玻璃幕墙后置混凝土梁上砌砖墙

图7非透明幕墙—玻璃幕墙后置保温隔热层

我国新建建筑中高耗能建筑单位建筑面积采暖能耗为发达国家新建建筑的3倍以上。

2002年全国空调高峰负荷已达到4500kwh，相当于2.5个三峡电站建成后的满负荷出力。

这种只考虑眼前短期利益，放肆浪费能源的行为普遍存在。

按照目前建筑能耗水平发展，到2020年，我国建筑能耗将达到10.89亿tce（吨标准煤），超过2000年的3倍；空调高峰负荷将相当于10个三峡电站满负荷出力。

问题相当严重，情况十分紧迫，建筑节能已是国家的重大战略问题，如果国家从现在起就下定决心抓紧建筑节能工作，对新建建筑全面强制实施建筑节能设计标准，并对既有建筑有步骤地推行节能改造，则到2020年，我国建筑能耗可减少3.35亿tce（吨标准煤），空调高峰负荷可减少约8000万kwh（大约接近4.5个三峡电站的满负荷出力，相应可减少电力建设投资约6000亿元），由此造成的能源紧张状况必将大为缓解。

如果再加大工作力度，要求2020年建筑能耗达到发达国家20世纪末的水平，则节能效果将更为巨大。

如果继续放任自流，错过当前这段大好机遇，不给予高度重视，不采取坚决有效的措施，则将长期大大加重国家能源负担，对我国经济社会的可持续发展产生严重障碍，对能源安全和大气环境造成重大威胁。

建设部下发的《关于发展节能省地型住宅和公共建筑的指导意见》中，对于节能的总体目标要求：

“到2010年，全国城镇新建建筑实现节能50％；既有建筑节能改造逐步开展，大城市完成应改造面积的25％，中等城市完成15％，小城市完成10％；城乡新增建设用地占用耕地的增长幅度要在现有基础上力争减少20％；建筑建造和使用过程的节水率在现有基础上提高20％以上；新建建筑对不可再生资源的总消耗比现在下降10％。

　　到2020年，北方和沿海经济发达地区和特大城市新建建筑实现节能65％的目标，绝大部分既有建筑完成节能改造；城乡新增建设用地占用耕地的增长幅度要在2010年目标基础上再大幅度减少；争取建筑建造和使用过程的节水率比2010年再提高10％；新建建筑对不可再生资源的总消耗比2010年再下降20％。

”

玻璃幕墙建筑节能设计要求：

“在冬季最大限度的利用自然能来取暖，多获得热量和减少热损耗；夏季最大限度减少得热并利用自然能降温、冷却，以达到节能目的。

透明幕墙对建筑耗能高低的影响主要有两个方面，一是透明幕墙的热工性能影响到冬季采暖，夏季空调室内外温差传热；另外就是幕墙的透明材料（如玻璃）受太阳辐射影响而造成的建筑室内的得热。

冬季，通过透明幕墙进入室内的太阳辐射热有利于建筑的节能，因此减少透明幕墙的传热系数，抑制室温传热是降低透明幕墙热损耗的主要途径之一；夏季通过透明幕墙进入室内的太阳辐射热成为空调降温的主要负荷，因此，减少进入室内的太阳辐射热以及减少透明幕墙的温度传热都是降低空调能耗的途径。

在严寒和寒冷地区，采暖期室内外温差传热的热量损失占主导地位。

因此，对幕墙的传热系数的要求高于南方地区。

反之，在夏热冬暖和夏热冬冷地区，空调期太阳辐射得热所引起的负荷可能成了主要矛盾，因此，对幕墙的玻璃（或其他透明材料）的遮阳系数的要求高于北方地区。

”

要求玻璃幕墙按《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005的规定，根据建筑所处的气候区和窗墙比选择玻璃（或其他透明材料），非透明幕墙部位采取隔热措施（透明幕墙部位根据需要采用外遮阳措施），使玻璃幕墙（透明幕墙和非透明幕墙）的传热系数和玻璃的遮阳系数符合《公共建筑节能设计标准》的规定（表1），而这些要求是完全可以做到或经过努力可以做到的。

表1围护结构传热系数和遮阳系数限值

地

区

围护结构部位

体形系数≤0.3

0.3＜体形系数≤0.4

传热系数K

W/（m2·K）

遮阳系数SC

（东、南、西向/北向）

传热系数K

W/（m2·K）

遮阳系数SC

（东、南、西向/北向）

严

寒

A

区

外墙（包括非透明幕墙）

≤0.45

≤0.40

单一朝向外窗（包括透明幕墙）

窗墙面积比≤0.2

≤3.0

≤2.7

0.2＜窗墙面积比≤0.3

≤2.8

≤2.5

0.3＜窗墙面积比≤0.4

≤2.5

≤2.2

0.4＜窗墙面积比≤0.5

≤2.0

≤1.7

0.5＜窗墙面积比≤0.7

≤1.7

≤1.5

严

寒B

区

外墙（包括非透明幕墙）

≤0.50

≤0.45

单一朝向外窗（包括透明幕墙）

窗墙面积比≤0.2

≤3.2

≤2.8

0.2＜窗墙面积比≤0.3

≤2.9

≤2.5

0.3＜窗墙面积比≤0.4

≤2.6

≤2.2

0.4＜窗墙面积比≤0.5

≤2.1

≤1.8

0.5＜窗墙面积比≤0.7

≤1.8

≤1.6

寒

冷

地

区

外墙（包括非透明幕墙）

≤0.60

≤0.50

单一朝向外窗（包括透明幕墙）

窗墙面积比≤0.2

≤3.5

—

≤3.0

—

0.2＜窗墙面积比≤0.3

≤3.0

—

≤2.5

—

0.3＜窗墙面积比≤0.4

≤2.7

≤0.70/—

≤2.3

≤0.70/—

0.4＜窗墙面积比≤0.5

≤2.3

≤0.60/—

≤2.0

≤0.60/—

0.5＜窗墙面积比≤0.7

≤2.0

≤0.50/—

≤1.8

≤0.50/—

传热系数KW/（m2·K）

遮阳系数SC（东、南、西向/北向）

夏热冬

冷

地

区

外墙（包括非透明幕墙）

≤1.0

单一朝向外窗（包括透明幕墙）

窗墙面积比≤0.2

≤4.7

—

0.2＜窗墙面积比≤0.3

≤3.5

≤0.55/—

0.3＜窗墙面积比≤0.4

≤3.0

≤0.50/0.6

0.4＜窗墙面积比≤0.5

≤2.8

≤0.45/0.55

0.5＜窗墙面积比≤0.7

≤2.5

≤0.40/0.5

夏热冬暖

地

区

外墙（包括非透明幕墙）

≤1.5

单一朝向外窗（包括透明幕墙）

窗墙面积比≤0.2

≤6.5

—

0.2＜窗墙面积比≤0.3

≤4.7

≤0.50/0.6

0.3＜窗墙面积比≤0.4

≤3.5

≤0.45/0.55

0.4＜窗墙面积比≤0.5

≤3.0

≤0.40/0.50

0.5＜窗墙面积比≤0.7

≤3.0

≤0.35/0.45

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。

国家规划改变我国能源结构，使太阳能、风能等可再生能源发电达到发电总量的4%左右。

建设部建筑节能“十五”计划纲要提出要开发利用太阳能、地热能、地下水、风能等可再生能源，累计建成太阳能建筑8000万平方米，利用其他可再生能源的建筑500万平方米。

他指出了玻璃幕墙要从耗能建筑向“产”能建筑发展的方向，采用光伏发电技术即发展光电幕墙，使玻璃幕墙向太阳能要电，玻璃幕墙不仅“亮”起来，而且“电”起来。

下面举例说明根据建筑所处的气候区和窗墙比选择玻璃（或其他透明材料），使玻璃幕墙（透明幕墙和非透明幕墙）的传热系数和玻璃的遮阳系数符合《公共建筑节能设计标准》的要求。

例1一建筑长30m、宽10m、高20m求体形系数。

解：

S=F/V=（30×20×2+10×20×2+40×50）/（30×10×20）=0.267

例2求分格为1800×2100幕墙透光部分传热系数。

A．单层玻璃幕墙玻璃T=10mm，铝框（普通型材）宽60mm。

铝框部分面积A铝=2.1×1.8-2.04×1.74=0.23m2

玻璃部分面积A玻=2.04×1.74=3.55m2

玻璃传热阻R=δ/λ=0.01/0.76=0.013（m2·K）/W

铝框传热阻R=0.10

幕墙透光部分面积加权传热阻R=（R玻A玻+R铝A铝）/（A玻+A铝）

=（0.013×3.55+0.10×0.23）/（3.55+0.23）=0.0183（m2·K）/W

单层玻璃幕墙玻璃T=10mm，铝框（断热型材）宽60mm。

铝框部分面积A铝=2.1×1.8-2.04×1.74=0.23m2

玻璃部分面积A玻=2.04×1.74=3.55m2

玻璃传热阻R=δ/λ=0.01/0.76=0.013（m2·K）/W

铝框传热阻R=0.15

幕墙透光部分面积加权传热阻R=（R玻A玻+R铝A铝）/（A玻+A铝）

=（0.013×3.55+0.15×0.23）/（3.55+0.23）=0.0213（m2·K）/W

B．中空玻璃幕墙6+9+6中空玻璃，铝框（普通型材）宽60mm。

铝框部分面积A铝=2.1×1.8-2.04×1.74=0.23m2

玻璃部分面积A玻=2.04×1.74=3.55m2

玻璃传热阻R=δ/λ+R空+δ/λ=0.006/0.76+0.12+0.006/0.76=0.136（m2·K）/W

铝框传热阻R=0.10

幕墙透光部分面积加权传热阻R=（R玻A玻+R铝A铝）/（A玻+A铝）

=（0.136×3.55+0.10×0.23）/（3.55+0.23）=0.134（m2·K）/W

中空玻璃幕墙6+9+6中空玻璃，铝框（断热型材）宽60mm。

铝框部分面积A铝=2.1×1.8-2.04×1.74=0.23m2

玻璃部分面积A玻=2.04×1.74=3.55m2

玻璃部分传热阻R=δ/λ+RA+δ/λ=0.006/0.76+0.12+0.006/0.76=0.136（m2·K）/W

铝框部分传热阻R=0.15

幕墙透光部分面积加权传热阻R=（R玻A玻+R铝A铝）/（A玻+A铝）

=（0.136×3.55+0.15×0.23）/（3.55+0.23）=0.137（m2·K）/W

例3求分格为1800×2100幕墙不透光部分传热系数（K≤1.0W/（m2·K））。

A．单层玻璃T=10mm，铝框（普通型材）宽60mm，后加35mm保温棉、80mm封闭空气层。

普通型材单层玻璃幕墙传热阻R=0.0183（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热阻

冬季R0=Ri+R+R棉+R空+Re=0.11+0.0183+0.035/0.05+0.18+0.04=1.048（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数冬季K=1/R0=1/1.048=0.954W/（m2·K）

幕墙不透光部分传热阻

夏季R0=Ri+R+R棉+R空+Re=0.11+0.0183+0.035/0.05+0.15+0.05=1.028（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数夏季K=1/R0=1/1.028=0.963＜1.0W/（m2·K）

B．6+9+6中空玻璃，铝框（普通型材）宽60mm，后加30mm保温棉、80mm封闭空气层。

普通型材中空玻璃幕墙传热阻R=0.134（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热阻

冬季R0=Ri+R+R棉+R空+Re=0.11+0.134+0.03/0.05+0.18+0.04=1.064（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数冬季K=1/R0=1/1.064=0.940W/（m2·K）

幕墙不透光部分传热阻

夏季R0=Ri+R+R棉+R空+Re=0.11+0.134+0.03/0.05+0.15+0.05=1.044（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数夏季K=1/R0=1/1.044=0.958＜1.0W/（m2·K）

C．单层铝板T=3mm，后加35mm保温棉、80mm封闭空气层。

铝板传热阻R=0.003/203=0.000015（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热阻

冬季R0=Ri+R+R棉+R空+Re=0.11+0.000015+0.035/0.05+0.18+0.04=1.030（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数冬季K=1/R0=1/1.030=0.971W/（m2·K）

幕墙不透光部分传热阻

夏季R0=Ri+R+R棉+R空+Re=0.11+0.000015+0.035/0.05+0.15+0.05=1.010（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数夏季K=1/R0=1/1.010=0.990＜1.0W/（m2·K）

D．花岗石板T=30mm，后加35mm保温棉、80mm封闭空气层。

花岗石板传热阻冬季R=0.03/3.49=0.0086（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热阻

冬季R0=Ri+R+R棉+R空+Re=0.11+0.0086+0.035/0.05+0.18+0.04=1.039（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数冬季K=1/R0=1/1.039=0.962W/（m2·K）

幕墙不透光部分传热阻

夏季R0=Ri+R+R棉+R空+Re=0.11+0.0086+0.035/0.05+0.15+0.05=1.019（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数夏季K=1/R0=1/1.019=0.981＜1.0W/（m2·K）

例4求分格为1800×2100幕墙不透光部分传热系数（K≤0.45W/（m2·K））。

A．单层玻璃T=10mm，铝框（断热型材）宽60mm，后加100mm保温棉、80mm封闭空气层。

断热型材单层玻璃幕墙传热阻R=0.0213（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热阻

冬季R0=Ri+R+R棉+R空+Re=0.11+0.0213+0.10/0.05+0.18+0.04=2.35（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数冬季K=1/R0=1/2.35=0.426W/（m2·K）

幕墙不透光部分传热阻

夏季R0=Ri+R+R棉+R空+Re=0.11+0.0213+0.10/0.05+0.15+0.05=2.33（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数夏季K=1/R0=1/2.33=0.429＜0.45W/（m2·K）

B．6+9+6中空玻璃，铝框（断热型材）宽60mm，后加95mm保温棉、80mm封闭空气层。

断热型材中空玻璃幕墙传热阻R=0.137（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热阻

冬季R0=Ri+R+R棉+R空+Re=0.11+0.137+0.095/0.05+0.18+0.04=2.367（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数冬季K=1/R0=1/2.367=0.422W/（m2·K）

幕墙不透光部分传热阻

夏季R0=Ri+R+R棉+R空+Re=0.11+0.137+0.095/0.05+0.15+0.05=2.347（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数夏季K=1/R0=1/2.347=0.426＜0.45W/（m2·K）

C．单层铝板T=3mm，后加100mm保温棉、80mm封闭空气层。

铝板传热阻R=0.003/203=0.000015（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热阻

冬季R0=Ri+R+R棉+R空+Re=0.11+0.000015+0.10/0.05+0.18+0.04=2.330（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数冬季K=1/R0=1/2.330=0.429W/（m2·K）

幕墙不透光部分传热阻

夏季R0=Ri+R+R棉+R空+Re=0.11+0.000015+0.10/0.05+0.15+0.05=2.310（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数夏季K=1/R0=1/2.310=0.433＜0.45W/（m2·K）

D．花岗石板T=30mm，后加100mm保温棉、80mm封闭空气层。

花岗石板传热阻冬季R=0.03/3.49=0.0086（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热阻

冬季R0=Ri+R+R棉+R空+Re=0.11+0.0086+0.10/0.05+0.18+0.04=2.339（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数冬季K=1/R0=1/2.339=0.428W/（m2·K）

幕墙不透光部分传热阻

夏季R0=Ri+R+R棉+R空+Re=0.11+0.0086+0.10/0.05+0.15+0.05=2.319（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数夏季K=1/R0=1/2.319=0.431＜0.45W/（m2·K）

例5求设置在常规的墙体外侧的玻璃幕墙，分格为1800×2100幕墙不透光部分传热系数（K≤0.45W/（m2·K））。

钢筋混凝土梁（宽250mm、高400mm）上砌重砂浆砌筑粘土砖砌体（宽120mm、高800mm）

钢筋混凝土梁传热阻R=0.25/1.74=0.144（m2·K）/W

重砂浆砌筑粘土砖砌体传热阻R=0.12/0.81=0.148（m2·K）/W

（按面积加权）传热阻R=（0.144×0.4+0.148×0.8）/（0.4+0.8）=0.147（m2·K）/W

A．单层玻璃T=10mm，铝框（断热型材）宽60mm，后加90mm保温棉、80mm封闭空气层。

断热型材单层玻璃幕墙传热阻R=0.0213（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热阻

冬季R0=Ri+R+R棉+R空+R墙+Re=0.11+0.0213+0.09/0.05+0.18+0.147+0.04=2.298（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数冬季K=1/R0=1/2.298=0.435W/（m2·K）

幕墙不透光部分传热阻

夏季R0=Ri+R+R棉+R空+R墙+Re0.11+0.0213+0.09/0.05+0.15+0.147+0.05=2.278（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数夏季K=1/R0=1/2.278=0.439＜0.45W/（m2·K）

B．6+9+6中空玻璃，铝框（断热型材）宽60mm，后加85mm保温棉、80mm封闭空气层。

断热型材中空玻璃幕墙传热阻R=0.137（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热阻

冬季R0=Ri+R+R棉+R空+R墙+Re=0.11+0.137+0.085/0.05+0.18+0.147+0.04=2.314（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数冬季K=1/R0=1/2.314=0.432W/（m2·K）

幕墙不透光部分传热阻

夏季R0=Ri+R+R棉+R空+R墙+Re=0.11+0.137+0.085/0.05+0.15+0.147+0.05=2.294（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热系数夏季K=1/R0=1/2.294=0.436＜0.45W/（m2·K）

C．单层铝板T=3mm，后加90mm保温棉、80mm封闭空气层。

铝板传热阻R=0.003/203=0.000015（m2·K）/W

幕墙不透光部分传热阻

冬季R0=Ri+R+R棉+R空+R墙+Re=0.11+0.000015+0.09/0.05+0.18+0.147+0.04=2.277（m2·K）/W