幕墻鋁型材的熱工設(shè)計(jì)

　　【中國(guó)幕墻網(wǎng)】玻璃幕墻(以下簡(jiǎn)稱“幕墻”)是現(xiàn)代化建筑的主要外圍護(hù)結(jié)構(gòu)之一，其節(jié)能已成為我國(guó)建筑節(jié)能的重要一環(huán)。本文就幕墻的節(jié)能進(jìn)行技術(shù)分析、計(jì)算，對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。

　　一、幕墻建筑節(jié)能的設(shè)計(jì)原則

　　我國(guó)幅員遼闊，當(dāng)北方還是冰天雪地的時(shí)候，南方已是春暖花開(kāi)的季節(jié)。本文提出下列措施，作為幕墻建筑節(jié)能的設(shè)計(jì)原則：(1)嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)和溫和地區(qū)的幕墻，要進(jìn)行冬季的保溫設(shè)計(jì)，夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的幕墻，要進(jìn)行夏季的隔熱設(shè)計(jì)。(2)我國(guó)目前尚沒(méi)有專門的幕墻熱工設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，幕墻熱工設(shè)計(jì)依據(jù)國(guó)家現(xiàn)行的外墻和窗戶熱工設(shè)計(jì)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和參考國(guó)外的有關(guān)熱工設(shè)計(jì)規(guī)程。(3)進(jìn)行幕墻熱工設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)其復(fù)雜的傳熱過(guò)程和傳熱方式進(jìn)行分析和研究。幕墻的傳熱過(guò)程大致有3種途徑：幕墻外表面與周圍空氣和外界環(huán)境間的換熱：外表面與周圍空氣間的對(duì)流換熱，外表面與外界環(huán)境間的輻射換熱，外表面與空間的各種長(zhǎng)波(如電磁波、紅外線等產(chǎn)生的長(zhǎng)波)輻射換熱；幕墻內(nèi)表面與室內(nèi)空氣和室內(nèi)環(huán)境間的換熱：內(nèi)表面與室內(nèi)空氣間的對(duì)流換熱，內(nèi)表面與室內(nèi)環(huán)境間的輻射換熱；幕墻和金屬框格的傳熱：通過(guò)單層玻璃的熱流傳熱，通過(guò)金屬框格傳熱，通過(guò)玻璃的鍍膜層減少輻射換熱。(4)幕墻的傳熱系數(shù)由建筑物的外形和所處地區(qū)的氣候條件、型材的傳熱系數(shù)和玻璃的傳熱系數(shù)等綜合確定。

　　二、鋁型材的熱工設(shè)計(jì)型材是幕墻的主要受力構(gòu)件。目前,幕墻絕大部分采用鋁型材和彩板型材。本文以鋁型材為例進(jìn)行熱工分析和計(jì)算。

　　１、鋁型材的熱絕緣系數(shù)計(jì)算

　　根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《熱工規(guī)范》）規(guī)定,鋁型材的熱絕緣系數(shù)Ｒ為:Ｒ＝δ／λ式中:Ｒ-材料層的熱絕緣系數(shù)（ｍ２·Ｋ／Ｗ）;δ-材料層的厚度（ｍ）;λ-材料的導(dǎo)熱系數(shù)〔取２０３Ｗ／（ｍ·Ｋ）〕。設(shè)一根矩形實(shí)心鋁型材,厚度為１００ｍｍ,其熱絕緣系數(shù)Ｒ為:Ｒ＝０．０００５ｍ２·Ｋ／Ｗ上述計(jì)算結(jié)果沒(méi)有考慮實(shí)際工程中所采用的是空心鋁型材。而厚度為１００ｍｍ厚的矩形空心鋁型材,兩邊的壁厚一般分別為１２ｍｍ,空心鋁型材實(shí)際可導(dǎo)熱的厚度僅為兩邊的壁厚部分（共２４ｍｍ）。實(shí)心鋁型材與空心鋁型材的熱絕緣系數(shù)比例為１００∶２４,空心鋁型材的熱絕緣系數(shù)Ｒ為:Ｒ＝０．００２ｍ２·Ｋ／Ｗ

　　２、鋁型材的傳熱熱絕緣系數(shù)計(jì)算

　　根據(jù)《熱工規(guī)范》,鋁型材的傳熱熱絕緣系數(shù)Ｒ０為:Ｒ０＝Ｒｉ+Ｒ+Ｒｅ式中:Ｒｉ-鋁型材內(nèi)表面換熱熱絕緣系數(shù)（取０．１１ｍ２·Ｋ／Ｗ）（下同）;Ｒｅ-鋁型材外表面換熱熱絕緣系數(shù)（取０．０４ｍ２·Ｋ／Ｗ）（下同）;Ｒ-鋁型材熱絕緣系數(shù)（取０．００２ｍ２·Ｋ／Ｗ）。Ｒ０＝０．１１+０．０４+０．００２＝０．１５２ｍ２·Ｋ／Ｗ

　　３、鋁型材的傳熱系數(shù)計(jì)算

　　根據(jù)《熱工規(guī)范》,鋁型材的傳熱系數(shù)Ｋ０為:

　　Ｋ０＝１／Ｒ０

　　式中:Ｒ０-鋁型材的傳熱熱絕緣系數(shù),取０．１５２ｍ２·Ｋ／Ｗ。

　　Ｋ０＝１／０．１５２＝６．５８Ｗ／（ｍ２·Ｋ）

　　上式得出的計(jì)算結(jié)果是無(wú)斷熱鋁型材的基本傳熱系數(shù),這與《熱工規(guī)范》表４．４．１中單層窗戶的傳熱系數(shù)６．４Ｗ／（ｍ２·Ｋ）基本相同。

　　４、斷熱鋁型材的基本設(shè)計(jì)要求

　　斷熱鋁型材亦稱隔熱鋁型材或絕熱鋁型材,由鋁與塑料（或其它隔熱材料）復(fù)合而成,其中間塑料隔熱層主要生產(chǎn)工藝有嵌入式、擠壓式和填充式等。Ａ、斷熱鋁型材的傳熱過(guò)程十分復(fù)雜,傳熱系數(shù)很難計(jì)算,一般只有通過(guò)檢測(cè)獲得數(shù)據(jù)。參照ＤＩＮ４１０８《高層建筑的隔熱》（１９８１．８）（下稱“ＤＩＮ４１０８規(guī)程”）規(guī)定,斷熱鋁型材的基本傳熱系數(shù)Ｋ０不大于３．５Ｗ／（ｍ２·Ｋ）。Ｂ、斷熱鋁型材的中間塑料層的最小厚度,按ＤＩＮ４１０８規(guī)程規(guī)定,最小應(yīng)為７ｍｍ。Ｃ、斷熱鋁型材的中間塑料層的設(shè)計(jì),必須滿足型材的整體強(qiáng)度和剛度的要求。

　　三、幕墻玻璃傳熱系數(shù)的比較

　　嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的冬季，由于單層玻璃幕墻(下稱“單玻幕墻”)的傳熱系數(shù)較大，導(dǎo)致室溫降低，并且很容易在幕墻的內(nèi)表面形成蒸氣水珠和產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象。為了有效地改善上述地區(qū)幕墻的傳熱系數(shù)，采用斷熱鋁中空玻璃幕墻(下稱“斷熱幕墻”)是重要的措施之一。D1N4108規(guī)程規(guī)定，斷熱幕墻的傳熱系數(shù)Ｋ0不大于3.5W／(㎡?K)。玻璃的傳熱系數(shù)依據(jù)《熱工規(guī)范》計(jì)算。

　　3.1、單層玻璃(8ｍｍ)的傳熱系數(shù)計(jì)算

　　(1)、單層玻璃的熱絕緣系數(shù)：Ｒ＝0.011ｍ2?Ｋ／Ｗ

　　(2)、單層玻璃的傳熱熱絕緣系數(shù)：Ｒ0＝Ｒｉ+Ｒ+Ｒｅ＝0.11+0.011+.0.4＝0.161ｍ2?Ｋ／Ｗ

　　(3)、單層玻璃的傳熱系數(shù)Ｋ0為：Ｋ0＝1／Ｒ0＝6.21Ｗ／(ｍ2?Ｋ)

　　3.2、中空玻璃(8+10+6)的傳熱系數(shù)計(jì)算

　　(1)、中空玻璃的熱絕緣系數(shù)Ｒ為：Ｒ＝Ｒ1+Ｒａ+Ｒ2＝0．159ｍ2?Ｋ／Ｗ式中：Ｒ1-外層玻璃熱絕緣系數(shù)(取0．011ｍ2?Ｋ／Ｗ)；Ｒ2-內(nèi)層玻璃熱絕緣系數(shù)(取0．008ｍ2?Ｋ／Ｗ)；Ｒａ-冬季一般空氣層熱絕緣系數(shù)(取0．14ｍ2?Ｋ／Ｗ)；

　　(2) 、中空玻璃的傳熱熱絕緣系數(shù)Ｒ0為：Ｒ0＝Ｒｉ+Ｒ+Ｒｅ＝0．11+0．159+0．04＝0．309ｍ2?Ｋ／Ｗ(3)中空玻璃的傳熱系數(shù)Ｋ0為：Ｋ0＝1／Ｒ0＝3．24Ｗ／(ｍ2?Ｋ)

　　3.3、單層玻璃與中空玻璃傳熱系數(shù)的比較

　　以上計(jì)算表明：?jiǎn)螌硬ＡУ膫鳠嵯禂?shù)比中空玻璃的傳熱系數(shù)大48%，說(shuō)明中空玻璃的節(jié)能效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單層玻璃。

　　四、幕墻建筑節(jié)能的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

　　在我國(guó)，人們十分重視建筑成本的控制，而容易忽略通過(guò)適當(dāng)?shù)卦黾咏ㄖ�成本而產(chǎn)生的建筑節(jié)能效果所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。下面，我們通過(guò)計(jì)算和分析，對(duì)幕墻的建筑節(jié)能效果作出綜合評(píng)價(jià)。

　　(1)、設(shè)位于北京市區(qū)的一幢商業(yè)建筑，幕墻面積為10000ｍ2，建筑的層高均小于4ｍ，北京市每年的采暖天數(shù)為129ｄ，考慮每天實(shí)際采暖10ｈ。分別按使用單玻幕墻和斷熱幕墻這2種方案計(jì)算其耗熱量。根據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(ＧＢＪ19-87)(以下簡(jiǎn)稱《暖通規(guī)范》)的規(guī)定，幕墻的基本耗熱量為：Ｑ＝αＦＫ(ｔｎ-ｔｗｎ)式中：Ｑ-幕墻的基本耗熱量(Ｗ)；α-幕墻的溫差修正系數(shù)，取1．0；Ｆ-幕墻面積，為10000ｍ2；Ｋ-幕墻的傳熱系數(shù)，單玻幕墻取6．4Ｗ／(ｍ2?Ｋ)，斷熱幕墻取3．5Ｗ／(ｍ2?Ｋ)；ｔｎ-冬季室內(nèi)計(jì)算溫度，取19℃；ｔｗｎ-采暖室外計(jì)算溫度，取-9℃。為簡(jiǎn)便計(jì)算，上式中設(shè)定：①幕墻的結(jié)構(gòu)類型為Ⅰ型；②采暖室外計(jì)算溫度取采暖室外計(jì)算(干球)溫度值；③未考慮通過(guò)幕墻的開(kāi)窗、孔洞或屋頂、地面侵入室內(nèi)的冷空氣的耗熱量；④未考慮通過(guò)幕墻縫隙滲入室內(nèi)的冷空氣的耗熱量；⑤未考慮建筑的朝向；⑥Ｑ僅為理論計(jì)算值。單玻幕墻的基本耗熱量Ｑ1＝1792ｋＷ；斷熱幕墻的基本耗熱量Ｑ2＝980ｋＷ。

　　(2)、單玻幕墻比斷熱幕墻每年采暖多消耗的熱量(熱能)轉(zhuǎn)換為電能Ｅ：Ｅ＝(1792-980)×129×10＝1047480ｋＷ?ｈ

　　(3)、斷熱幕墻與單玻幕墻建筑節(jié)能效果的經(jīng)濟(jì)比較

　　設(shè)單玻幕墻的單位造價(jià)為1300元／ｍ2，斷熱幕墻的單位造價(jià)為1800元／㎡，則初始投資增加500萬(wàn)元。北京市的電價(jià)(假定10年內(nèi)不變)為0．70元／(ｋＷ?ｈ)，功率因素為0．9，單玻幕墻比斷熱幕墻每年采暖多支出的電費(fèi)82萬(wàn)元設(shè)人民幣的年利率為5%(假定10年內(nèi)不變)，單玻幕墻與斷熱幕墻建筑節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效益比較見(jiàn)表1。由表1比較得知，斷熱幕墻到第7年即可收回全部所增加的建筑成本，到第10年，斷熱幕墻建筑節(jié)能所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益要比單玻幕墻多256萬(wàn)元。這說(shuō)明，斷熱幕墻的建筑節(jié)能所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的。

　　5、結(jié)論

　　(1)、幕墻是我國(guó)近20年來(lái)發(fā)展起來(lái)的集新技術(shù)、新材料和新結(jié)構(gòu)為一體的新型建筑材料，我國(guó)每年有數(shù)百萬(wàn)平方米的幕墻投入使用，并以10%的速度繼續(xù)增長(zhǎng)。因此，幕墻的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)十分重要。

　　(2)、根據(jù)本文的技術(shù)分析、計(jì)算以及建筑節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益的評(píng)價(jià)，幕墻的建筑節(jié)能工作對(duì)建筑投資者、對(duì)社會(huì)都是十分有利的，用于建筑節(jié)能的投資完全可以收回，并能在幕墻的使用期內(nèi)給投資者創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

　　(3)、采用斷熱幕墻的結(jié)構(gòu)形式是幕墻建筑節(jié)能的最有效的途徑。