幕墙节能设计.doc

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中国建筑装饰幕墙工程

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

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CHINABUILDINGDECORATION2006年第1期/总第188期

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%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KW/（m2·K）

0.3＜体形系数≤0.4

传热系数KW/（m2·K）

严寒地区A区

≤0.45

≤0.40

严寒地区B区

≤0.50

≤0.45

寒冷地区

≤0.60

≤0.50

夏热冬冷

≤1.0

夏热冬暖

≤1.5

2.2透明幕墙

透明幕墙是指可见光可直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

KW/（m2·K）

0.3＜体形系数≤0.4

传热系数

KW/（m2·K）

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

KW/（m2·K）

0.3＜体形系数≤0.4

传热系数

KW/（m2·K）

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≤0.3

0.3＜体形系数≤0.4

传热系数

KW

/（m2·K）

遮阳系数SC

（东、南、西向/北向）

传热系数KW

/（m2·K）

遮阳系数SC

（东、南、西向/北向）

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/—

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

KW/（m2·K）

遮阳系数SC

（东、南、西向/北向）

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

≤0.50/0.60

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

≤0.40/0.50

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K

W/（m2·K）

遮阳系数SC

（东、南、西向/北向）

窗墙面积比≤0.2

≤6.5

—

0.2＜窗墙面积比≤0.3

≤4.7

≤0.50/0.60

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

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、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（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，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K≤1.5W/（m2·K），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=1.2×1.2-1.128×1.128=0.168m2

玻璃部分面积A玻=1.128×1.128=1.272m2

玻璃热阻R玻=δ/λ=0.006/0.76=0.008（m2·K）/W

铝框热阻R框=0.10（m2·K）/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）

=（0.008×1.272+0.10×0.168）/（1.272+0.168）

=0.0187（m2·K）/W

（1）

封闭空气层部分热阻（GB50176-93附表2.4）：

冬季R空=0.18（m2·K）/W

夏季R空=0.15（m2·K）/W

（2）

墙体部分热阻：

结构梁部分热阻

R梁1=δ/λ=0.30/1.74=0.172（m2·K）/W

反梁部分热阻

R梁2=δ/λ=0.20/1.74=0.115（m2·K）/W

保温棉部分热阻

R棉=δ/λ=0.04/0.050=0.800（m2·K）/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）

=（0.172×0.500+0.115×0.300+0.800×0.400）/

（0.500+0.300+0.400）

=0.367（m2·K）/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（m2·K）/W

此非透明幕墙的传热系数（冬季）为：

K=1/R0

=1/0.716

=1.397W/（m2·K）≤1.5W/（m2·K）（4）

夏季

R0=Ri+R1+R空+R2+Re

=0.11+0.0187+0.15+0.367+0.05

=0.696（m2·K）/W

此非透明幕墙的传热