现代幕墙建筑设计中的节能设计探讨

　　【摘要】能源问题是当前世界各国普遍重视的问题，并已被列为人类面临的四大生存问题之一。在全世界的能源消耗中，无论是发达国家还是发展中国家，玻璃幕墙能耗在建筑总能耗中所占的比重都是很大的，约为30%～60%。因此，在世界范围内能源问题日益紧迫、建筑能耗不断增长的今天，世界各国又都将建筑节能工作列为工作中的重点。因此，本文针对幕墙节能设计进行探讨分析。
　　【关键词】玻璃幕墙;节能设计
　　0、前言
　　随着社会的进步和经济的快速发展，现在玻璃幕墙在高层办公写字楼商务酒店建筑中的风靡程度有增无减，几乎是世界各大城市高层建筑立面的一致选择。虽然玻璃幕墙可以减少传统混凝土外墙大量的钢筋、混凝土使用量，对于减少高耗能建材使用所达到的能源、资源节约有很大的帮助；但玻璃幕墙作为建筑外围护结构，其自身的保温、隔热性能均远不及传统墙体，通常是传统墙体热损失的6～7倍。玻璃幕墙的能耗可以占到整个建筑能耗的50%左右,可见玻璃幕墙节能在我国公共建筑的节能中有极其重要的作用和地位。
　　1、节能型玻璃幕墙的设计原则
　　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,节能玻璃幕墙的设计应遵循如下原则:
　　(1)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。幕墙的传热系数由建筑物的外形和所处地区的气候条件、型材的传热系数和玻璃的传热系数等综合确定。
　　(2)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。
　　(3)经济性:建筑玻璃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。
　　(4)进行幕墙热工设计时,必须对其复杂的传热过程和传热方式进行分析和研究。
　　2、建筑玻璃选择
　　节能玻璃家族有着色玻璃、阳光控制镀膜玻璃、普通中空玻璃和Low-E玻璃等，一般来说，仅采用单片着色玻璃或单片阳光控制镀膜玻璃是不能满足节能要求的，通过着色玻璃、阳光控制镀膜玻璃、Low-E玻璃和透明浮法玻璃不同单片组成中空玻璃可满足节能要求，即玻璃的传热系数和遮阳系数都符合要求。
　　3、型材选择(断热型材和断热爪件)
　　隐框玻璃幕墙的铝框不直接参加传递室内外热量，因此可采用一般铝型材。明框玻璃幕墙的铝框直接参与室内外热量的传递，因此应采用断热铝型材，消除铝型材的冷桥效应。点支式玻璃幕墙的爪件应采用断热爪件。
　　4、遮阳系统
　　对于夏热冬暖地区、夏热冬冷地区和寒冷地区，夏季阳光辐射强烈，是夏季制冷能耗主要根源，因此《公共建筑节能设计标准》(GB50189)中对透明幕墙的遮阳有明确要求。通常遮阳可分为两类：一类是面板自身遮阳，如阳光控制镀膜玻璃、着色玻璃、Low-E玻璃、丝网印刷釉面玻璃等；另一类为遮阳系统。遮阳系统可分为外遮阳和内遮阳，外遮阳又可分为水平遮阳、垂直遮阳、综合遮阳和挡板遮阳；内遮阳可分为遮阳帘和遮阳百叶等。依据遮阳系统的控制方式可分为固定式、活动式、人工控制和智能化控制。
　　水平遮阳系统一般适用于南朝向、太阳高度角大的地区，任意朝向水平遮阳挑出板挑出长度按式
　　(1) 计算：
　　L＝H×coths×cosγs,w(1)
　　式中,L为水平板挑出长度，m；H为两水平板间距，m；hs为太阳高度角；γs,w为太阳方位角和墙方位角之差。
　　水平板两翼挑出长度按式(2)计算：
　　D＝H×coths×sinγs,w(2)
　　式中，D为两翼挑出长度，m。
　　5、简易权衡判断法
　　围护结构的外窗、透明幕墙和屋顶透明部分的热工性能一般用传热系数和遮阳系数表征，外墙、非透明幕墙和屋顶非透明部分的热工性能，仅用传热系数表征。设建筑物某朝向的总面积为S，透明部分(包括外窗和透明幕墙)面积为Sl，透明部分的传热系数和遮阳系数分别为K1和Sc1，非透明部分(包括外墙和非透明幕墙)面积为S2，非透明部分的传热系数为K2(K2满足标准要求即可，与讨论结果无关，不作特殊要求)，S＝S1+S2，室内外温差为△T，太阳辐射照度为I，则单位时间内通过该朝向由室外传人室内的热量Q1为：
　　Q1＝0.889Sc1SlI+△TK1Sl+△TK2S2(3)
　　在《公共建筑节能设计标准》(GB50189)中，对于寒冷地区、夏热冬冷地区和夏热冬暖地区，当窗墙面积比e1＝0.7时(记为外)，对于不同朝向，遮阳系数都有限值要求，令Sc1，取限值(记为Sc1*)。对于不同地区，当窗墙面积比e1＝0.7时，传热系数也有限值要求，令K1取限值(记为K1*)。则在同等室内外温差和同等阳光辐射照度的条件下，单位时间内，该朝向由室外传人室内最大热量Q*为
　　Q*＝0.889Sc1*Sl*I+△TK1*Sl*+△TK2S2(4)
　　即该朝向的窗墙面积比和透明部分的热工参数都取限值。现将透明部分的面积加大至S3,透明部分的遮阳系数和传热系数分别调整为Sc3；和K3，非透明部分的面积缩小至S4，非透明部分的传热系数仍为K2，S＝S3；+S4，室内外温差和太阳辐射照度不变，则单位时间内通过该朝向由室外传人室内的热量Q2为：
　　Q2=0.889Sc3S3I+△TK3S3+△TK2S4(5)
　　令
　　0.889Sc1*Sl*I=0.889Sc3S3I(6)
　　有
　　Sc1*Sl*=Sc2S3(7)
　　用S除式(7)两边，得
　　=(8)
　　则Sl*／S和S3／S分别为两种情况的窗墙面积比，分别记为e1*和e2，由式（6)得
　　Sc3=
　　由式(9)可见，当窗墙面积比e2>0.7时，只要透明部分的遮阳系数限值按式(8)取值，则可保证太阳光通过透明部分射向室内的热量与窗墙面积比为0.7时，遮阳系数取其对应限值的透明部分传递的太阳能严格相同，与太阳辐射照度无关，即在任何地区、任何季节、任何时候，两者都成立，即
　　0.889Sc3S3I=(10)
　　△TK1*S1*=△TK3S3(11)
　　用S除式（11）两边，得
　　=（12）
　　则S1*／S和S3／S分别为两种情况的窗墙面积比，分别记为e1*和e2，由式(12)得
　　K3=(13)
　　由式(13)可见，当窗墙面积比e2>0.7时，只要透明部分的传热系数限值按式(13)取值，则可保证通过透明部分传递的环境热量与窗墙面积比为0.7时，传热系数取其对应限值的透明部分传递的环境热量严格相同，与室内外温差无关，即在任何地区、任何季节、任何时候，两者都成立，即
　　△TK3S3==△TK1*S3.=△TK1*S1*
　　对于非透明部分，由于窗墙面积比大于0.7时的面积、S4小于窗墙面积比为0.7时的S2，所以有
　　△TK2S4＜△TK2S4
　　所以
　　Q2＜Q*
　　综上所述，当窗墙面积比大于0.7时，只要透明部分的遮阳系数限值和传热系数限值分别按式(9)和式(13)取值，非透明部分的传热系数保持不变，则可保证通过该朝向传递的室内外热量小于窗墙面积比等于0.7时，透明部分的遮阳系数和传热系数分别取标准规定的对应限值时传递的室内外热量，从原理上已经满足《公共建筑节能设计标准》(GB50189)的要求，不必再进行整体的权衡计算。由于上述计算仅限于该朝向一个平面，而不是通常意义上的整体权衡计算，故称该方法为简易权衡判断设计法。该方法的特点是设计取值和权衡判断同时完成。对于屋顶，当其透明部分大于屋顶总面积的20％时，只要其遮阳系数限值和传热系数限值分别按式(9)和式(13)取值(注：e*＝0.2)，从原理上已经满足《公共建筑节能设计标准》(GB50189)的要求，不必再进行整体的权衡计算。
　　如果一定要进行整体权衡判断，应用上述的简易权衡判断设计法，也使得整体权衡判断变得非常简单。按《公共建筑节能设计标准》(GB50189)的规定，此时所设计建筑需要进行权衡判断的唯一原因是：某朝向(例如南向)窗墙面积比e超过0，7，其他方面符合标准。其过程如下：
　　①构建参照建筑。其他方面与设计建筑完全相同，南朝向窗墙面积比取e*＝0.7，传热系数取限值K*，遮阳系数取限值Sc*（严寒地区对此参数无要求）。
　　②调整设计建筑的参数。南朝向透明部分的传热系数按K＝K*e*／e取值；南朝向透明部分的遮阳系数按Sc＝Sc*e*／e取值，其他方面不动。
　　③计算参照建筑全年采暖和空调能耗q1；计算设计建筑全年采暖和空调能耗q2。
　　④比较q1和q2，如果q2不大于q1，权衡判断通过；如果q2大于q1，权衡判断不通过，还需对设计建筑围护结构热工参数进行调整，直至q2不大于q1为止。由此可见，权衡判断并不需要一定计算出q1和q2，只要能够证明q2不大于q1即可。
　　⑤设计建筑和参照建筑的内部构造完全相同，屋顶、地面、东朝向、北朝向和西朝向围护结构的热工参数完全相同，因此参照建筑和设计建筑在这些部位产生的能耗也完全相同；在南朝向透明部分相关的能耗也完全相同，两座建筑唯一产生能耗差异的部位是南朝向的不透明部分，而这部分能耗一定与各自的面积成正比，而其他条件完全相同，如室内外温度、阳光辐射照度、室内使用条件、传热系数等，因此有下式成立：
　　q2—q1＝A(S4—S2)＜0
　　式中,A为大于0的正数；S4为窗墙面积比大于0.7时非透明部分的面积；S2为窗墙面积比等于0.7时非透明部分的面积。
　　显然S4<S2，所以上式成立，证明q2小于q1，整体权衡判断完成。
　　由上述可见，应用简易权衡判断设计法，即使按照标准规定进行整体权衡判断，也使得判断过程变得极为简单。之所以有这样的结果，是因为采用简易权衡判断设计法设计的透明幕墙，该朝向透明部分加大造成该朝向热工性能的损失完全由提高透明部分自身热工性能来补偿，与非透明部分无关。尽管该朝向透明部分在几何尺寸上超过0.7限值，但在传递室内外热能方面完全等价于窗墙面积比等于0.7传热系数和遮阳系数分别取限值的效果，而它超出0.7窗墙面积比部分(S3一S2)占据的几何空间在传递室内外热能方面等价于绝热部分，即这部分所对应的传热系数和遮阳系数为0，所以才会有尽管窗墙面积比超过0.7，但如果按简易权衡判断设计法进行设计，该朝向的热工性能不但没有降低，反而有所提高。
　　6、结语
　　随着窗墙面积比的增加，对玻璃的保温隔热性能的要求也在增加，在现代化玻璃技术飞速发展的今天，可选择的玻璃品种很多，如Low-E中空玻璃、双银Low-E中空玻璃、Low-E双层中空玻璃、真空玻璃、阳光控制镀膜玻璃和室内外遮阳系统等。只要坚定地依据科学理论、尊重客观事实、优化设计理念，那么我们的幕墙节能设计才能达到真正意义上的完美设计。

《现代幕墙建筑设计中的节能设计探讨》

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