節(jié)能型建筑幕墻的構(gòu)造設(shè)計

1、-作者xxxx-日期xxxx節(jié)能型建筑幕墻的構(gòu)造設(shè)計【精品文檔】節(jié)能型建筑幕墻的構(gòu)造設(shè)計方大集團股份有限公司設(shè)計院 謝士濤 董格林【提 要】文章針對公共建筑節(jié)能設(shè)計標準（GB50189-2005）對建筑幕墻的節(jié)能要求，對節(jié)能型建筑幕墻的節(jié)點構(gòu)造設(shè)計進行了探討，可供建筑師和幕墻設(shè)計人員進行建筑幕墻設(shè)計時參考。【關(guān)鍵詞】建筑幕墻 節(jié)能 構(gòu)造設(shè)計【精品文檔】1節(jié)能型建筑幕墻的含義建筑節(jié)能是指節(jié)約采暖供熱、空調(diào)制冷、采光照明以及調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣、濕度、改變居室環(huán)境質(zhì)量的能源消耗，還包括利用太陽能、地熱(水)能源的綜合技術(shù)工程。目前我國的公共建筑特別是大型商場、高檔旅館酒店、高檔辦公樓等建筑的全年能耗中，大

2、約50%60%消耗于空調(diào)制冷與采暖系統(tǒng)，而在空調(diào)采暖能耗中，大約20%50%由外圍護結(jié)構(gòu)傳熱所消耗。因此，建筑幕墻的節(jié)能對建筑節(jié)能來講意義重大。節(jié)能型建筑幕墻是指其性能指標，主要是保溫隔熱性能和氣密性兩項物理性能，達到或高于現(xiàn)行的建筑節(jié)能設(shè)計標準要求的建筑幕墻。由于我國幅員廣闊，南北方、東西部地理氣候環(huán)境差異很大，不同的環(huán)境條件下對建筑幕墻的節(jié)能要求也不盡相同。A地區(qū)的節(jié)能幕墻對于B地區(qū)來講并不一定能達到節(jié)能的基本要求。因此，節(jié)能型建筑幕墻的含義中除了性能指標外還有其對應(yīng)的環(huán)境指標。2節(jié)能標準對建筑幕墻的要求公共建筑節(jié)能設(shè)計標準（GB50189-2005）將建筑幕墻分為透明幕墻和非透明幕墻兩大

3、類。根據(jù)建筑所處城市的建筑氣候分區(qū)不同，標準對透明幕墻與非透明幕墻的保溫隔熱性能和氣密性均有很明確的要求。2.1 非透明幕墻非透明幕墻是指不具備自然采光、視覺通透特性的建筑幕墻，主要是指非透明面板材料（金屬板、石材等）組成的幕墻和玻璃幕墻有后置墻體或保溫隔熱層的幕墻。一般位于樓板（樓板梁）、柱、剪力墻等部位。公共建筑節(jié)能設(shè)計標準將此類幕墻作為建筑物的實墻體進行考慮，對其熱工性能的要求與外墻相同，見表1。非透明幕墻的傳熱系數(shù)限值 表1地區(qū)體形系數(shù)傳熱系數(shù)K W/(m2·K)體形系數(shù)傳熱系數(shù)K W/(m2·K)嚴寒地區(qū)A區(qū)5嚴寒地區(qū)B區(qū)0.500.45寒冷地區(qū)夏熱冬冷 1.0夏

4、熱冬暖2.2 透明幕墻透明幕墻是指可見光可直接透射入室內(nèi)的幕墻。透明幕墻對建筑能耗高低的影響主要有兩個方面，一是玻璃等透明材料的傳熱系數(shù)大小影響到建筑物冬季采暖與夏季空調(diào)室內(nèi)外的溫差傳熱；另一方面是透過玻璃等透明材料的輻射得熱。結(jié)合我國南北方、東西部地區(qū)氣候差異大的現(xiàn)實，標準對不同氣候區(qū)域、不同窗墻面積比的單一朝向的透明幕墻的傳熱系數(shù)與遮陽系數(shù)作了詳細的要求，如表2、表3、表4、表5以及表6。對透明幕墻的氣密性要求為不應(yīng)低于建筑幕墻物理性能分級（GB/T15225）規(guī)定的3級。 嚴寒地區(qū)A區(qū)單一朝向透明幕墻傳熱系數(shù)限值 表2透明幕墻部位體形系數(shù)傳熱系數(shù)K W/ (m2·K)體形系數(shù)傳

5、熱系數(shù)K W/ (m2·K)窗墻面積比0.2. 窗墻面積比 窗墻面積比 窗墻面積比2.01.7 窗墻面積比1.71.5 嚴寒地區(qū)B區(qū)單一朝向透明幕墻傳熱系數(shù)限值 表3透明幕墻部位體形系數(shù)傳熱系數(shù)K W/(m2·K)體形系數(shù)傳熱系數(shù)K W/(m2·K)窗墻面積比0.2. 窗墻面積比 窗墻面積比 窗墻面積比 窗墻面積比0.71.81.6 寒冷地區(qū)單一朝向透明幕墻傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)限值 表4透明幕墻部位體形系數(shù)體形系數(shù)傳熱系數(shù)K W/(m2·K)遮陽系數(shù)SC(東、南、西向/北向)傳熱系數(shù)K W/(m2·K)遮陽系數(shù)SC(東、南、西向/北向)窗墻面積比

6、0.2窗墻面積比0.3窗墻面積比0.70/0.70/0.4窗墻面積比0.60/0.60/0.5窗墻面積比2.00.50/1.80.50/注:有外遮陽時,遮陽系數(shù)=玻璃的遮陽系數(shù)´外遮陽的遮陽系數(shù)；無外遮陽時，遮陽系數(shù)=玻璃的遮陽系數(shù)。 夏熱冬冷地區(qū)單一朝向透明幕墻傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)限值 表5透明幕墻部位傳熱系數(shù)K W/(m2·K)遮陽系數(shù)SC(東、南、西向/北向)窗墻面積比0.2窗墻面積比 3.5 0.55/0.3窗墻面積比 0.500.4窗墻面積比 2.8 0.450.5窗墻面積比 2.5 0.40注:有外遮陽時,遮陽系數(shù)=玻璃的遮陽系數(shù)´外遮陽的遮陽系數(shù)；無外

7、遮陽時，遮陽系數(shù)=玻璃的遮陽系數(shù)。夏熱冬暖地區(qū)單一朝向透明幕墻傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)限值 表6透明幕墻所在部位傳熱系數(shù)KW/(m2·K)遮陽系數(shù)SC(東、南、西向/北向)窗墻面積比 6.50.2窗墻面積比 4.7 0.3窗墻面積比 3.5 0.450.4窗墻面積比 3.0 0.40.5窗墻面積比 3.0 0.3注:有外遮陽時,遮陽系數(shù)=玻璃的遮陽系數(shù)´外遮陽的遮陽系數(shù)；無外遮陽時，遮陽系數(shù)=玻璃的遮陽系數(shù)。不難看出，公共建筑節(jié)能設(shè)計標準對建筑幕墻的要求，一是為減少溫差傳熱而提出的對其傳熱系數(shù)K的要求，另一方面是為了減少輻射得熱的遮陽系數(shù)的要求；對其氣密性能方面的要求是為了減少空

8、氣流動造成熱能耗。3節(jié)能型建筑幕墻的設(shè)計原則建筑幕墻的節(jié)能是在對建筑周邊的自然環(huán)境，如光線、溫度、風壓、氣候狀況等充分分析和了解的基礎(chǔ)上，針對建筑本身的朝向、高度、室內(nèi)功能等特點，通過有效地系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)品對室內(nèi)環(huán)境起到適應(yīng)和調(diào)整的過程。這個過程需要綜合多種因素考慮，需要處理多種關(guān)系，如隔熱和得熱、采光和遮陽、通風和熱交換的關(guān)系，氣密性、水密性和傳熱、隔聲的關(guān)系等等。這個過程不應(yīng)僅僅依據(jù)于單一的狀態(tài)指標，如傳統(tǒng)的傳熱系數(shù)K值就能夠說明和解決的。因此，節(jié)能幕墻的設(shè)計應(yīng)遵循如下原則：科學性：需綜合、全面權(quán)衡各因素，充分考慮其功能、性能等諸多方面，合理選型（幕墻的型式和窗墻面積比）、選材和構(gòu)造。適用性

9、：結(jié)合環(huán)境因素與項目的具體情況，參照標準規(guī)定與地方要求，認真落實國家有關(guān)節(jié)能政策，同時要處理好建筑低能耗與高舒適度的關(guān)系。經(jīng)濟性：建筑幕墻只是建筑圍護結(jié)構(gòu)的一部分，只是建筑節(jié)能的一個方面，節(jié)能的考慮需全盤考慮，只有達到節(jié)能與經(jīng)濟的統(tǒng)一才能體現(xiàn)節(jié)能的作用與價值。原則上講，建筑幕墻節(jié)能設(shè)計需要建筑師與幕墻設(shè)計師（外圍護）、暖通工程師（空調(diào)采暖）、室內(nèi)設(shè)計師（采光）等充分協(xié)商，盡量達到各方面的統(tǒng)一。4非透明幕墻節(jié)能設(shè)計分析4.1 玻璃幕墻組成的非透明幕墻以常見的樓層結(jié)構(gòu)梁處非透明玻璃幕墻為例。樓層高度為m，非透明部分的高度為m，分格寬度1.2m。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁寬度300mm高度500mm；樓板上反

10、梁高度300mm寬度200mm。如圖1、圖2所示。結(jié)構(gòu)梁部位玻璃幕墻是作為非透明幕墻，首先結(jié)構(gòu)梁下部400mm需進行構(gòu)造遮擋，設(shè)計采用保溫棉加鍍鋅鋼板處理。如圖2。鋁框?qū)挾?2mm，玻璃距梁面為150mm（封閉空氣層），玻璃與保溫棉的厚度選用需根據(jù)計算確定。從圖示可以看出，通過圍護結(jié)構(gòu)的熱量傳遞，從外傳到內(nèi)經(jīng)過三個部分，即玻璃幕墻部分、封閉空氣層部分與墻體部分。圖1 非透明幕墻分格剖面圖(層高3600非透明幕墻部分高度1200)圖2 節(jié)能的非透明玻璃幕墻構(gòu)造圖3 不節(jié)能的非透明玻璃幕墻構(gòu)造以夏熱冬暖地區(qū)為例，非透明幕墻的傳熱系數(shù)要求為K1.5 W/(m2·K)，玻璃選用6mm鋼化玻璃

11、，保溫棉選用40mm厚巖棉。根據(jù)民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范GB50176-93，其熱工簡化計算如下：玻璃幕墻部分熱阻（以一個分格計算）： 鋁框部分面積 A框=1.2×1.2-1.128×1.128 = 0.168m2 玻璃部分面積 A玻=1.128×1.128 = 1.272 m2 玻璃熱阻 R玻=/=008 (m2·K) / W 鋁框熱阻 R框 = 0 (m2·K) / W玻璃幕墻部分（按面積加權(quán)）熱阻R1= ( R玻A玻+ R框A框 )/ ( A玻+ A框 ) =（08×1.272+0.10×0.168）/（1.272+0.1

12、68）= 187 (m2·K) / W （1）封閉空氣層部分熱阻 （GB50176-93 附表2.4）：冬季 R空 (m2·K) / W 夏季 R空 (m2·K) / W （2）墻體部分熱阻：結(jié)構(gòu)梁部分熱阻R梁1=/0 = 72 (m2·K) / W 反梁部分熱阻R梁2=/= 0.20/1.74 = 0.115 (m2·K) / W 保溫棉部分熱阻R棉 =/= 0.04/0.050 = 00 (m2·K) / W 墻體部分(按面積加權(quán)) 熱阻R2= ( R梁1A梁1+ R梁2A梁2 + R棉A棉)/ ( A梁1+ A梁2 + A棉)=

13、（0.172×0.500+0.115×0.300+0.800×0.400）/（0.500+0.300+0.400）= 7(m2·K) / W （3）由（1）（2）（3），根據(jù)GB50176-93公式附2.2和附2.4，非透明幕墻傳熱阻：冬季R0=Ri+R1+R空+ R2+Re =+0.04 =0.716 (m2·K) / W 此非透明幕墻的傳熱系數(shù)（冬季）為： K=1/ R0=1/0.716=1.397W/(m2·K)1.5W/(m2·K) （4）夏季R0= Ri + R1+ R空+ R2+Re= +0.15+0.367 =

14、0.696(m2·K) / W 此非透明幕墻的傳熱系數(shù)（夏季）為：K=1/ R0 =1.437W/(m2·K)1.5 W/(m2·K) （5）由（4）（5）表明，6mm厚單層玻璃及40mm厚保溫棉的構(gòu)造能滿足夏熱冬暖地區(qū)的節(jié)能要求。采取同樣的計算方法，該種非透明幕墻的構(gòu)造適宜的氣候地區(qū)域構(gòu)造列表如表7。 示例非透明幕墻構(gòu)造與適宜區(qū)域列表K單位：W/(m2·K) 表7玻璃鋁型材保溫棉厚度傳熱系數(shù)K(冬季)傳熱系數(shù)K(夏季)適合地區(qū)6mm單層普通40mm夏熱冬暖6+9+6中空斷熱20mm夏熱冬暖6mm單層普通90mm夏熱冬冷6+9+6中空斷熱70mm夏熱冬冷

15、6mm單層斷熱190mm寒冷地區(qū)6+9+6中空斷熱170mm寒冷地區(qū)6mm單層斷熱240mm91嚴寒B區(qū)6+9+6中空斷熱220mm嚴寒B區(qū)6mm單層斷熱280mm嚴寒A區(qū)6+9+6中空斷熱260mm嚴寒A區(qū)6mm單層斷熱310mm嚴寒A區(qū)6+9+6中空斷熱300mm嚴寒A區(qū)從計算與列表可以看出：1玻璃幕墻部分的傳熱阻約為非透明部分（墻體）的5%，是封閉空氣層的10%，封閉空氣層的寬度超過60mm后對熱阻的影響不大（計算取值不變），因而提高非透明玻璃幕墻熱阻的辦法應(yīng)重點考慮提高玻璃幕墻后置墻體（保溫板）的熱阻。2單層玻璃完全能滿足不同氣候區(qū)域?qū)ΣＡ粔M成的非透明幕墻的熱工要求。3鋁框因所占的

16、面積比例較小，因而對非透明幕墻的傳熱系數(shù)影響不大，但寒冷與嚴寒地區(qū)因采暖時間長，為避免型材表面結(jié)露結(jié)霜，應(yīng)選用斷熱型材。4從構(gòu)造上看，熱阻的計算將玻璃幕墻、封閉空氣層和墻體作為多層圍護結(jié)構(gòu)來考慮，所以空氣層必須封閉。如圖3示。當空氣層不封閉時，透過玻璃幕墻的熱量直接與室內(nèi)空氣層直接進行交換，墻體對熱量的阻擋會有很大程度的降低，而達不到節(jié)能要求。4.2 鋁板幕墻組成的非透明幕墻圖4 非透明幕墻-鋁板幕墻 圖5 非透明幕墻-石材幕墻 以3mm單層鋁板幕墻為例，節(jié)點構(gòu)造如圖4。保溫棉為20mm厚巖棉加單層鋁箔、后置墻體為120mm厚重砂漿砌筑粘土磚砌體，鋁板幕墻與墻體間封閉空氣層為100mm。 本非

17、透明幕墻圍護結(jié)構(gòu)的隔熱層依次為單層鋁板、保溫棉、封閉空氣層、墻體。根據(jù)GB50176-93，熱工計算如下：鋁板熱阻R鋁=/ = =0.000015 (m2·K) / W保溫棉熱阻R棉=/ (m2·K) / W鋁板幕墻部分熱阻R幕= R鋁+ R棉 (m2·K) / W （6）封閉空氣層部分熱阻 （GB50176-93 附表2.4）：冬季R空 = 0.50 (m2·K) / W夏季R空 = 0.37 (m2·K) / W （7）墻體部分熱阻R墻=0.148 (m2·K) / W （8）由（6）（7）（8）根據(jù)GB50176-93公式附2.

18、2和附2.4，計算本非透明幕墻傳熱阻：冬季R0= Ri + R幕+ R空+ R墻+Re =+0.50+0.148+0.04 =1.198 (m2·K) / W 此非透明幕墻的傳熱系數(shù)（冬季）為： K=1/ R0=1/1.198=0.835W/(m2·K) 1.0 W/(m2·K) （9）夏季R0= Ri + R幕+ R空+ R墻+Re =+0.37+0. =1.078 (m2·K) / W 此非透明幕墻的傳熱系數(shù)（夏季）為： K=1/ R0=1/1.078=0.928W/(m2·K) 1.0 W/(m2·K) （10）由（9）（10）

19、表明此非透明幕墻（鋁板幕墻）能滿足夏熱冬暖地區(qū)節(jié)能設(shè)計要求。采取同樣的計算方式，該節(jié)點構(gòu)造適宜的氣候地區(qū)域構(gòu)造列表如表8： 示例鋁板幕墻構(gòu)造與適宜區(qū)域列表K單位：W/(m2·K) 表8保溫棉厚度傳熱系數(shù)(冬季)傳熱系數(shù)(夏季)適合地區(qū)0*夏熱冬暖20mm夏熱冬冷50mm寒冷地區(qū)70mm嚴寒B區(qū)80mm嚴寒A區(qū)95mm嚴寒A區(qū)*說明：保溫棉厚度為0是指熱阻計算時僅取空氣層為單面鋁箔的封閉空氣層，保溫棉未予考慮。無鋁箔時冬季和夏季的K值分別為2.09 W/(m2·K)與2.18 W/(m2·K)，不能達到節(jié)能要求。從計算與列表可以看出：1鋁板是熱的良導體，其熱阻可忽略

20、不計。鋁板幕墻的熱阻取決于其后面的保溫襯里材料。2鋁板幕墻作為非透明幕墻，采用合理的構(gòu)造能滿足不同氣候區(qū)域的節(jié)能要求。3即使在夏熱冬暖地區(qū)，鋁板幕墻如不加襯保溫材料也不能滿足節(jié)能要求。4從計算模型來看，鋁板幕墻與墻體間的空氣層應(yīng)保證封閉。實際工程中，當鋁板幕墻后無后置墻體時，可通過加厚襯里保溫棉的方法達到所在氣候區(qū)域的節(jié)能要求，保溫棉的厚度計算列表如表9。 無后置墻體時，鋁板后襯保溫棉厚度列表K單位：W/(m2·K) 表9保溫棉厚度傳熱系數(shù)(冬季)傳熱系數(shù)(夏季)適合地區(qū)30mm夏熱冬暖45mm夏熱冬冷80mm寒冷地區(qū)95mm嚴寒B區(qū)105mm嚴寒A區(qū)120mm嚴寒A區(qū)如果鋁板幕墻后

21、置墻體的傳熱系數(shù)能達到一定的數(shù)值，鋁板后可不加襯保溫材料。無需加襯保溫棉的情況，墻體傳熱系數(shù)K要求，如表10。無保溫棉時后置墻體的傳熱系數(shù)要求K單位：W/(m2·K) 表10后置墻體傳熱系數(shù)要求非透明幕墻傳熱系數(shù)適合地區(qū)1.93 夏熱冬暖夏熱冬冷寒冷地區(qū)嚴寒B區(qū)嚴寒A區(qū)嚴寒A區(qū)4.3 石材幕墻組成的非透明幕墻 以30mm石材幕墻為例，節(jié)點構(gòu)造如圖5。石材后加襯50mm厚保溫棉、石材幕墻后置墻體為200mm厚重砂漿砌筑粘土磚砌體，石材與保溫棉間為120厚空氣層，保溫棉與墻體間封閉空氣層為100mm。 本非透明幕墻圍護結(jié)構(gòu)的隔熱層依次為石材、封閉空氣層、保溫棉、封閉空氣層、墻體。根據(jù)GB

22、50176-93，熱工計算如下：花崗石板熱阻R石=/= 086(m2·K) / W保溫棉熱阻R棉=/=0.050/0.05 =(m2·K) / W墻體部分熱阻R墻=/=0.247 (m2·K) / W 冬季傳熱阻為：R0= Ri + R石+ R空+ R 棉+ R空+ R墻+Re +0.18+0.247+0.04 =1.77(m2·K) / W 此非透明幕墻傳熱系數(shù)（冬季） K=1/ R0=1/1.77=0.566W/(m2·K) 0.6 W/(m2·K) （11）夏季傳熱阻為：R0= Ri + R+ R 棉+ R空+ R墻+Re +0

23、.18+0.=1.72(m2·K) / W 此非透明幕墻傳熱系數(shù)（夏季） K=1/R0=1/=0.583W/(m2·K)0.6 W/(m2·K) （12）由（11）（12）可知此石材幕墻可以達到寒冷地區(qū)的節(jié)能要求。采取同樣的方法計算，適合不同氣候區(qū)域的類似構(gòu)造石材幕墻的保溫棉厚度如表11。示例石材幕墻構(gòu)造適合區(qū)域列表K單位：W/(m2·K) 表11保溫棉厚度傳熱系數(shù)(冬季)傳熱系數(shù)(夏季)適合地區(qū)0*夏熱冬暖15mm夏熱冬冷50mm寒冷地區(qū)65mm嚴寒B區(qū)80mm嚴寒A區(qū)90mm嚴寒A區(qū)*說明：W/(m2·K)和W/(m2·K)，不能

24、滿足夏熱冬暖地區(qū)的節(jié)能要求。如石材幕墻后無后置墻體，采用增加保溫棉厚度來達到節(jié)能要求時，保溫棉厚度可參照表12選取。 無后置墻體時石材后襯保溫棉厚度列表K單位：W/(m2·K) 表12保溫棉厚度傳熱系數(shù)(冬季)傳熱系數(shù)(夏季)適合地區(qū)20mm夏熱冬暖35mm夏熱冬冷70mm寒冷地區(qū)85mm嚴寒B區(qū)100mm嚴寒A區(qū)110mm嚴寒A區(qū)5透明幕墻節(jié)能設(shè)計分析透明幕墻從目前的應(yīng)用來看主要指玻璃幕墻，玻璃幕墻中玻璃與鋁框面積相比，玻璃所占比例遠大于鋁框。因此，從控制得熱與傳熱來講，玻璃幕墻的節(jié)能設(shè)計重點在玻璃的選擇上。一般建筑玻璃的選用會直接關(guān)系到建筑效果，所以在幕墻設(shè)計選用建筑玻璃時，一方面要注意其熱工性能，另一方面需與建筑師充分溝通協(xié)商。表征玻璃熱工