玻璃幕墙热工分析及性能提升思路

章一峰 浙江共济幕墙有限公司

1 案例概况

玻璃幕墙建筑广泛应用于高层建筑领域，尤其是超高层建筑几乎无一例外都采用了玻璃幕墙，但超高层建筑毕竟只是少数，不具备典型性。本文以浙江省嘉兴市海宁市某栋23.1m高的行政楼为例，分析其玻璃幕墙节能性能（图1）。

图1 建筑立面图

本工程幕墙型式选择较为常见的明框幕墙体系，玻璃采用6mm+12A+6mmLow-E玻璃，横梁为比较常见的开口型材，通过角码与立柱连接（图2）。

图2 玻璃幕墙标准系统

为避免出现节能空洞，同时也为了保证分户防火性能，杜绝相邻户型间出现串烟串火现象，在玻璃幕墙两侧与其他幕墙体系相连处设置保温防火棉进行隔断。本工程在防火棉外侧以2mm铝单板封修，效果更精美（图3）。

基于以上项目特性，对玻璃幕墙的面板、型材及辅助材料等进行热工计算分析，以确定此套玻璃幕墙系统在该区域本项目中的匹配程度。

2 玻璃模型热工分析

2.1 热工分析基本信息

玻璃幕墙系统中，玻璃占比较大，因此玻璃节能尤为重要，本工程采用6mm+12A+6mmLow-E钢化玻璃。

图3 与相邻幕墙收口节点

本工程位于海宁市，属于夏热冬冷地区，热工有限元分析采用的各项基本参数如下：

室内空气温度：Tin= 20℃；

室外空气温度：Tout= -20℃；

室内对流换热系数：hc.in= 3.6W/(m2·K)；

室外对流换热系数：hc.out= 16W/(m2·K)。

该节点所采用的各项材料相关特性见表1。

热工有限元分析的节点模型如图4所示。

图4 节点模型示意图

表1 玻璃各项材料相关特性

2.2 热工分析模型信息

热工有限元分析的节点模型材料如图5所示（各种材料按照深浅进行区分）。

图5 模型材料示意图

节点进行三角化后的计算模型示意图如图6。

图6 节点三角化示意图

2.3 热工分析温度分布图

通过幕墙节能计算软件“豪沃克”有限元分析，得到节点模型的温度分布如图7所示。

图7 温度分布图

2.4 热工分析U值计算

经有限元分析得到，热工节点模型整体热流为：5.75547W/m；

节点模型室外部分长度为：0.0914273m；

节点模型室内表面温度为20℃；

节点模型室外表面温度为-20℃；

室内外温差为40℃。

所以该节点模型整体U值为：

2.5 热工分析热流分布

经过有限元分析，得到模型各单元的热流分布如图8所示。

图8 模型各单元的热流分布图

3 热工有限元分析计算

3.1 热工分析基本信息

热工有限元分析采用的各项基本参数如下：

室内空气温度：Tin= 20℃；

室外空气温度：Tout=-20℃；

室内对流换热系数：hc.in= 3.6W/(m2·K)；

室外对流换热系数：hc.out= 16W/(m2·K)。

根据JGJ/T 151—2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》7.1.2第2条规定，应用一块导热系数λ=0.03W/(m·K)的板材替代实际的玻璃（或其他镶嵌板），板材的厚度等于所替代面板的厚度，且嵌入框的深度按照面板嵌入的实际尺寸，可见部分的板材宽度bp不应小于200mm。

幕墙节点所采用的各项材料相关特性见表2。

表2 幕墙节点所采用的各项材料相关特性表

热工有限元分析的节点模型经简化后如图9所示。

图9 节点模型示意图

3.2 热工分析模型信息

为方便区分各主辅材在热工计算中的贡献，节点模型各种材料按照深浅进行区分。

图10 模型材料分色示意图

节点进行三角化后的计算模型示意图如图11。

图11 节点三角化示意图

3.3 热工分析温度分布图

经过有限元分析热量通过幕墙系统传递与损耗路径，得到节点模型的温度分布如图12所示。

图12 温度分布图

3.4 热工分析U值计算

经有限元分析得到，热工节点模型整体热流为：22.5599W/m；

节点模型室外部分长度为：0.274848m；

节点模型室外部分总投影长度为：0.26m；

节点模型板材投影长度为：0.2m；

节点模型框投影长度为：0.06m；

节点模型室内表面温度为：20℃；

节点模型室外表面温度为：-20℃；

室内外温差为：40℃。

根据JGJ/T 151—2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》7.1.2-1计算替代面板的U值。

替代板材厚度：

板块热阻：

替代板块总热阻：

所以替代面板的U值：

3.5 热工分析热流分布

经过有限元分析，得到模型各单元的热流分布如图13所示。

图13 单元热流图

3.6 框与玻璃系统(或其他镶嵌板)接缝的线传热系数计算说明

根据JGJ/T 151—2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》7.1.3第1条规定，计算框与玻璃系统（或其它镶嵌板）接缝的线传热系数ψ时，用实际的玻璃体系（或其它镶嵌板）替代导热系数λ=0.03W（/m·K）的板材，其它尺寸不改变。

在本有限元分析计算中，考虑该节点在室内外标准条件下流过的热流。

使用实际模型再次进行有限元分析，模型具体材料特性见表3。

表3 本模型材料特性表

图14 模型材料分色示意图

3.7 线传热系数计算模型温度分布图

经过有限元分析，得到节点模型的温度分布如图15所示。

图15 温度分布图，整体热流量为30.055W/m

3.8 线传热系数计算模型热流向量图

经过有限元分析，得到模型各单元的热流分布，如图16所示。

图16 单元热流图，整体热流量为30.055W/m

3.9 框与玻璃系统(或其他镶嵌板)接缝的线传热系数计算

经有限元分析得到，热工节点模型整体热流为：30.0555W/m；

节点模型室外部分长度为：0.274848m；

节点模型板材投影长度为：0.2m；

节点模型框投影长度为：0.06m；

节点模型室内表面温度为：20℃；

节点模型室外表面温度为：-20℃；

室内外温差为：40℃。

根据JGJ/T 151—2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》7.1.3-2：

热工有限元分析的节点模型材料按照深浅对各种材料进行区分，如图14所示。

式中：

ψ——框与玻璃（或其他镶嵌板）接缝的线传热系数，W/(m·K)；

L——框截面整体线传热系数，W/(m·K)；

Ug— —玻璃的传热系数，W/(m2·K)；

bg— —玻璃可见部分的宽度，m；

Tn.in— —室内环境温度，K；

Tn.out——室外环境温度，K。

将已知条件代入上面公式中，有：

4 幕墙整体U值计算

4.1 幕墙整体热工计算原理

根据JGJ/T 151—2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》4.3.1条规定，单幅幕墙的传热系数Ucw应按照下式计算：

式中：

Ucw— —单幅幕墙的传热系数，W/(m2·K)；

Ag— —玻璃或透明面板面积，m2；

Lg— —玻璃或透明面板边缘长度，m；

Ug— —玻璃或透明面板传热系数，W/(m2·K)，应按《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》第6章的规定计算；

ψg——玻璃或透明面板边缘的线传热系数，W/(m·K)，应按《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》第7章的规定计算；

Ap— —非透明面板面积，m2；

Lp——非透明面板边缘长度，m；

Up— —非透明面板传热系数，W/(m2·K)；

ψp— —非透明面板边缘的线传热系数，W/(m·K)，应按《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》第7章的规定计算；

Af——框面积，m2；

Uf— —框的传热系数，W/(m2·K)，应按《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》第7章的规定计算。

4.2 幕墙整体热工计算

当前幕墙/门窗各部分传热系数如表4～表6所示。

各处框的传热系数及面积见表4。

表4 幕墙框属性

各处玻璃或透明面板的传热系数及面积见表5。

表5 幕墙玻璃属性

各处玻璃或透明面板边缘的线传热系数及边缘长度见表6。

表6 幕墙边缘属性

所以当前单幅幕墙的整体U值为2.37712W/(m2·K)。

5 幕墙节能提升思路

经过以上模拟计算，提升玻璃幕墙节能效果需要通过改变幕墙所处的环境、提升面板配置、调整型材传热系数以及提升辅材节能属性等方面进行深化，主要思路如下。

5.1 改变幕墙所处环境

玻璃幕墙直接暴露在日光下，阳光对于玻璃的侵蚀是全方位无遮挡的，因此夏季室外玻璃表面温度甚至能高达70℃以上，通过在幕墙系统上增加室外遮阳体系，将其与幕墙结合，可降低阳光照射面。阿布扎比投资委员会新总部大楼项目外遮阳系统完全打开时甚至能将整个外立面包裹起来，该工程使用的Mashrabiya智能遮阳系统，颠覆了传统的遮阳形式。将机电、遮阳与幕墙巧妙地结合在一起，使玻璃幕墙节能有了一个新的设计思路。当建筑幕墙遭受阳光直射时，遮阳系统呈全开状态，从而为建筑提供全方位遮挡。随着太阳的移动，遮阳系统可随时间逐渐呈现半张或关闭状态，从而实现根据外部环境的变化对大楼的内部温度、光线灯进行智能地自我调节（图17）。

图17 阿布扎比投资委员会新总部大楼表皮剖析

5.2 提升玻璃面板配置

幕墙玻璃面板应用至今已经产生了众多品种，如中空玻璃、真空玻璃、Low-E玻璃、夹层玻璃……等，提升玻璃面板配置能有效提升建筑节能效果，主要方法有：

a)增加玻璃厚度，如6mm厚升级成8mm或更厚；

b)增加间隔条厚度（但不宜过厚，超过18mm会产生对流）；

c)增加玻璃数量，如将单片玻璃更换成中空玻璃或者三玻两腔玻璃；

d)增加玻璃镀膜数量，如将热反射膜或单银玻璃替换成双银、三银玻璃；

e)中空层处理，如抽真空、充惰性气体（氩气、氙气、氪气）、增加玻璃内遮阳帘（图18）；

图18 玻璃内遮阳帘窗

f)玻璃暖边技术的应用，玻璃合片时边缘密封系统种类繁多，主要为间隔条（框）、密封胶和分子筛。间隔条在两层玻璃之间，起分隔玻璃板的作用，形成密闭的空间，既能保证气体层的封闭，其自身也具有一定的隔热作用，常见的有框架式刚性间隔系统、条状式非刚性间隔系统等。

玻璃面板配置见表7。

5.3 幕墙型材

表7 不同配置玻璃性能比较

幕墙型材同样直接与室外接触，其隔热属性非常重要，常用的断桥型材本身隔热性能比较好，除此之外可采用增加墙体、填充发泡剂、注胶型材、硬质聚氨酯隔热型材（图19）、木龙骨（图20）等工艺来提升其型材属性。

5.4 辅材

密封胶、三元乙丙胶条、螺钉、泡沫棒、保温棉、发泡剂等辅材在幕墙工程总造价中虽然占比不大，但在节能环节起着纽带作用，衔接着各大主材，是整体保温节能系统中的闭环，为避免出现木桶短板效应，不容忽视。

图19 硬质聚氨酯隔热型材

图20 实木玻璃幕墙立柱

6 总结

随着玻璃幕墙应用的日渐广泛，其热工性能的提升也显得极为关键。优秀的幕墙系统不仅安全可靠、精巧美观，对于使用者的居住体验也发挥着不可替代的作用，既要让室外的景致与室内空间发生互动，又不使能量通过大块面的玻璃幕墙形成损耗，平衡好以上条件是评价幕墙系统优劣的核心要素，也是幕墙从业人员在设计新系统时应考虑的重点。