玻璃幕墙建筑的设计原则与物理性能分析

玻璃幕墙是我国近20年来发展起来的集新技术、新材料和新结构为一体的新型建筑材料，我国每年有数百万平方米的幕墙投入使用，并以10%的速度继续增长。因此，幕墙的建筑节能设计十分重要。
 

1、幕墙建筑节能的设计原则

一、严寒地区、寒冷地区和温和地区的幕墙，要进行冬季的保温设计，夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的幕墙，要进行夏季的隔热设计。

二、我国目前尚没有专门的幕墙热工设计标准或规范，幕墙热工设计依据国家现行的外墙和窗户热工设计的有关标准、规范和参考国外的有关热工设计规程。
 

三、进行玻璃幕墙热工设计时，必须对其复杂的传热过程和传热方式进行分析和研究。幕墙的传热过程大致有3种途径：①幕墙外表面与周围空气和外界环境间的换热：外表面与周围空气间的对流换热，外表面与外界环境间的辐射换热，外表面与空间的各种长波辐射换热;②幕墙内表面与室内空气和室内环境间的换热：内表面与室内空气间的对流换热，内表面与室内环境间的辐射换热;③幕墙和金属框格的传热：通过单层玻璃的热流传热，通过金属框格传热，通过玻璃的镀膜层减少辐射换热。

四、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、铝型材的热工设计
 

型材是幕墙的主要受力构件。目前，幕墙绝大部分采用铝型材和彩板型材。本文以铝型材为例进行热工分析和计算。
 

2.1、铝型材的热绝缘系数计算
 

根据《民用建筑热工设计规范》(以下简称《热工规范》)规定，铝型材的热绝缘系数R为：R=δ/λ式中：R-材料层的热绝缘系数(m2·K/W);δ-材料层的厚度(m);λ-材料的导热系数〔取203W/(m·K)〕。设一根矩形实心铝型材，厚度为100mm，其热绝缘系数R为：R=0。0005m2·K/W上述计算结果没有考虑实际工程中所采用的是空心铝型材。而厚度为100mm厚的矩形空心铝型材，两边的壁厚一般分别为12mm，空心铝型材实际可导热的厚度仅为两边的壁厚部分(共24mm)。实心铝型材与空心铝型材的热绝缘系数比例为100∶24，空心铝型材的热绝缘系数R为：R=0。002m2·K/W
 

2.2、铝型材的传热热绝缘系数计算
 

根据《热工规范》，铝型材的传热热绝缘系数R0为：R0=Ri+R+Re式中：Ri-铝型材内表面换热热绝缘系数(取0。11m2·K/W)(下同);Re-铝型材外表面换热热绝缘系数(取0。04m2·K/W)(下同);R-铝型材热绝缘系数(取0。002m2·K/W)。R0=0.11+0。04+0。002=0。152m2·K/W
 

2.3、铝型材的传热系数计算
 

根据《热工规范》，铝型材的传热系数K0为：K0=1/R0式中：R0-铝型材的传热热绝缘系数，取0152m2·K/W。K0=1/0。152=6。58W/(m2·K)

上式得出的计算结果是无断热铝型材的基本传热系数，这与《热工规范》表4。4。1中单层窗户的传热系数6。4W/(m2·K)基本相同。
 

2。4、断热铝型材的基本设计要求
 

断热铝型材亦称隔热铝型材或绝热铝型材，由铝与塑料(或其它隔热材料)复合而成，其中间塑料隔热层主要生产工艺有嵌入式、挤压式和填充式等。
 

(1)断热铝型材的传热过程十分复杂，传热系数很难计算，一般只有通过检测获得数据。参照DIN4108《高层建筑的隔热》(1981。8)(下称“DIN4108规程”)规定，断热铝型材的基本传热系数K0不大于3。5W/(m2·K)。
 

(2) 断热铝型材的中间塑料层的最小厚度，按DIN4108规程规定，最小应为7mm。
 

(3) 断热铝型材的中间塑料层的设计，必须满足型材的整体强度和刚度的要求。

玻璃幕墙传热系数的比较
 

严寒地区和寒冷地区的冬季，由于单层玻璃幕墙(下称“单玻幕墙”)的传热系数较大，导致室温降低，并且很容易在幕墙的内表面形成蒸气水珠和产生结冰现象。为了有效地改善上述地区幕墙的传热系数，采用断热铝中空玻璃幕墙(下称“断热幕墙”)是重要的措施之一。DIN4108规程规定，断热幕墙的传热系数K0不大于3。5W/(m2·K)。玻璃的传热系数依据《热工规范》计算。
 

3.1、单层玻璃(8mm)的传热系数计算
 

(1) 单层玻璃的热绝缘系数：R=0。011m2·K/W

(2) 单层玻璃的传热热绝缘系数：R0=Ri+R+Re=0。11+0。011+。0。4=0。161m2·K/W

(3) 单层玻璃的传热系数K0为：K0=1/R0=6。21W/(m2·K)
 

3.2、中空玻璃(8+10+6)的传热系数计算
 

(1)中空玻璃的热绝缘系数R为：R=R1+Ra+R2=0.159m2·K/W式中：R1-外层玻璃热绝缘系数(取0.011m2·K/W);R2-内层玻璃热绝缘系数(取0.008m2·K/W);Ra-冬季一般空气层热绝缘系数(取0.14m2·K/W);

(2)中空玻璃的传热热绝缘系数R0为：R0=Ri+R+Re=0.11+0.159+0.04=0.309m2·K/W(3)中空玻璃的传热系数K0为：K0=1/R0=3.24W/(m2·K)

3.3、单层玻璃与中空玻璃传热系数的比较
 

以上计算表明：单层玻璃的传热系数比中空玻璃的传热系数大48%，说明中空玻璃的节能效果远远大于单层玻璃。