點支承玻璃幕墻系統的節能分析

一、引言
    按照“十一五”期間單位GDP能耗節約20%的總目標的要求，建筑節能的任務是在此期間節約1.1億噸標準煤，可見任務十分艱巨。而建筑門窗幕墻則是消耗采暖空調用能的主要部位，也是建筑節能的關鍵環節。目前，我國建筑門窗幕墻行業仍然處于高速發展時期，各類建筑門窗幕墻技術在我國的成功應用，推動了行業的發展。特別是點支承玻璃幕墻系統，由于它具有視線通透，簡潔明快，能夠將建筑內外空間與裝飾功能有機地融為一體的特點，受到了建筑設計師的青睞，在工程實踐中得到了大量應用，因此對點支承玻璃幕墻系統進行節能分析，找到提高這類幕墻系統能源效率的有效方塊與徐釋一具有十分重要的意義。


二、系統的特點
　　我們知道，建筑幕墻(building curtain wall)是由支承結構體系與面板組成的、可相對主體結構有一定位移能力、不分擔主體結構所受作用的建筑外圍護結構或裝飾性結構。按照不同的分類標準，可以分為不同的幕墻種類。如可以分為構件式幕墻和單元式幕墻;按照幕墻面板的不同又可以分為玻璃幕墻、石材幕墻、金屬板幕墻和陶土板幕墻等。而玻璃幕墻則是由玻璃面板、支承結構、支承裝置組成的結構體系，因其具有良好的建筑效果，在國內外得到了迅速發展，并展示了廣闊的應用前景。全玻幕墻是由玻璃面板和玻璃肋構成的建筑幕墻，點支承玻璃幕墻則是由玻璃面板、點支承裝置和支承結構構成的建筑幕墻，它具有通透性高，支承結構簡潔明快的特點。隨著玻璃工藝的提高和大量公共建筑的興建，點支承玻璃幕墻在國內外應用也越來越廣泛。


    點支承玻璃幕墻系統結構的主要特點為玻璃面板的支承狀況是點支承結構，其面板全部采用玻璃。對點支承玻璃幕墻系統進行節能分析，必然要依據其結構的特點。目前，對玻璃幕墻系統進行節能分析，主要關注兩個方面的熱工性能參數.即傳熱系數和遮陽系數。


    1、幕墻單元的傳熱系數U_cw
    對點支承玻璃幕墻系統而言，由于它沒有傳統意義上的框和不透明板，其面板幾乎都是玻璃，所以其傳熱系數U_cw幾乎與玻璃系統的傳熱系數U_g相同。


    2、幕墻單元的太陽能總透射比g_t可采用下式計算

　　式中   A_g——透明面板的面積(m²)；

       　　g_g——透明面板的太陽能總透射比；

       　　A_p——非透明面板的面積(m²));

       　　g_p——非透明面板的太陽能總透射比;

       　　A_f——框的面積(m²));

       　　g_f——框的太陽能總透射比。


    對點支承玻璃幕墻系統而言，其太陽能總透射比g_t的計算也可以簡化為:g_t =g_g。


    幕墻的遮陽系數S_c應為幕墻的太陽能總透射比與標準3mm厚透明玻璃的太陽能總透射比的比值。

　　式中S_c——幕墻的遮陽系數;

      g_t——幕墻的太陽能總透射比。


　　由此可見，點支承玻璃幕墻系統的熱工性能主要取決于玻璃面板的熱工性能。但同時我們也應該看到，點支承玻璃幕墻系統是一個完整的結構體系，它是由多種元素按照其結構體系組成的一個系統，其整體熱工性能必然與組成系統的各個要素有關，同時也與系統的結構和所處環境相互關聯。


三、節能分析
　　依據系統論的觀點和方法對點支承玻璃幕墻系統統進行節能分析，可以為提高系統節能效果找到一些有效方法與途徑。


    系統論的核心思想是系統的整體觀點。它的創始人貝塔朗菲強調，任何系統都是一個有機的整體，它不是各個部分的機械組合或簡單相加，系統的整體功能是各要素在孤立狀態下所沒有的新質。用亞里斯多德的名言“整體大于部分之和”，可以對系統的整體觀進行直觀說明。而系統論的基本思想方法，就是把所研究和處理的對象，當作一個系統，分析系統的結構和功能，研究系統、要素、環境三者的相互關系和變動的規律性，并用優化系統的觀點看問題。優化系統的目的，就是要提高系統的整體性能。


    要提高點支承玻璃幕墻系統的整體節能效果，主要考慮以下幾方面的因素。


    1、合理設計
    幕墻節能，設計是關鍵。根據點支承玻璃幕墻系統所處位置的朝向，合理選擇窗墻比，同時根據其所處地理位置，選擇適當的建筑遮陽設計。這些對保證系統的整體節能性能都將起到至關重要的作用。如在冬季，要盡量利用太陽中的輻射熱量提高室內的溫度，但在夏季，太陽輻射通過玻璃幕墻系統進入室內，是室內溫度過高的原因。這就要求在幕墻系統的設計階段，處理好這些問題。對點支承玻璃幕墻系統來說，由于其窗墻比相對較大，朝南、東和西向與朝北向的幕墻系統，就必須根據其所處地理位置選擇不一樣的建筑遮陽設計。以幕墻系統處于夏熱冬冷地區為例，由于該地區夏季多晴天，而冬季陰雨天氣較多，太陽輻射的熱量是東西向最大，因此，在進行系統設計時，就必須考慮系統所處環境的特點，采用相應的系統結構，對系統進行優化設計，操高系統的整體節能效果。


　　2、玻璃的選用
　　由于點支承玻璃幕墻面板幾乎都是玻璃，因此，玻璃性能的好壞，對整個系統的節能效果的影響是非常大的。玻璃的選用主要考慮室內采光的舒適性，玻璃的抗風壓性能等強度指標。對玻璃系統的節能指標而言，主要考慮玻璃的保溫、隔熱性能。而具體就是落實到玻璃的傳熱系數和遮陽系數。


　　(1) 玻璃的傳熱系數
　　對單片玻璃來說，其傳熱系數與玻璃的導熱系數之間寸存在以下關系。

　　U_g——玻璃的傳熱系數(W/m².K);

　　λ——玻璃的導傳系數(W/m.K);

　　δ——玻璃的厚度(m);


    從式中看出，盡管玻璃的導熱系數λ較小(如表1所示)，但因用于幕墻系統的玻璃厚度一般較小，單層玻璃的傳熱能力仍然很高，其傳熱系數較大。而干燥、靜止的氣體導熱系數非常低(如表2所示)，利用氣體的這種特性，將兩片玻璃或多片玻璃用干燥氣體隔開，制成中空玻璃，其中干燥的不流動氣體層阻斷了熱傳導的途徑，從而可大大降低中空玻璃的傳熱系數。


    為了提高玻璃的保溫性能，需要降低玻璃的傳熱系數。現代科技的發展，為人們找到了一些有效的途徑。如采用LOW一E玻璃，可以大大降低玻璃的傳熱系數;但我們知道，單純從玻璃本身去找提高玻璃熱工性能的潛力是有限的，而利用玻璃，采用不同結構，設計制作玻璃系統，將為玻璃系統熱工性能的提高開辟一條更寬廣的途徑。人們可以利用不同結構的玻璃組合，制成比單層玻璃傳熱系數低得多的滿足不同需求的玻璃系統。

    (2)玻璃的遮陽系數
    降低玻璃遮陽系數的方法有許多種:如在玻璃表面鍍膜，在制造玻璃的過程中加人色劑制成著色玻璃，在玻璃表面涂沫或印刷色油料并燒結成彩釉玻璃等。


    著色玻璃的遮陽性能之所以優于透明玻璃，是因為當太陽光通過時，它能吸收部分太陽輻射能而減少其進人室內，但由于玻璃吸收太陽輻射能而使自身溫度升高，增加了溫差傳熱，降低了保溫效果。


    彩釉玻璃則是利用覆蓋在玻璃表面的釉料控制陽光的直接透過，從而減少太陽的輻射熱進人室內。


    (3)利用玻璃“制造”能量
    利用現代科學技術，讓玻璃“制造”能量已經實現。利用玻璃的透光性能，配合現代光電技術和產品，將光能轉化為電能，將為建筑節能開創更光明的前景。不久前德國旭格公司提出了Energy²的概念，他們認為，通過現代科學技術手段，在降低能量消耗，提高能量的利用率的同時，還能夠制造出能量，其節能效果已經不再是一個相加的關系，綜合效果會比相加的效果更大，這是系統論整體觀的具體體現。


    總之，通過玻璃的制造復合技術，可以得到滿足不同節能要求的節能玻璃產品，從而為提高點支承玻璃幕墻系統的整體節能效果提供有力
支持。


    3、集成創新
    在節能方面，人們有這樣的經驗:“節能技術的疊加不一定能達到節能效果。多個一流的節能技術，未必能集成出一流的節能效果;多個二流的節能技術，卻有可能集成出一流的宜居環境。”簡單地說，1+1怎么才能大于2?


    人們熟悉的“短板”理論用于解釋節能技術的運用與效果是有一定道理的。”一個水桶能裝多少水只取決于最短的那塊板。”也就是說，在節能工作中，不論采用了多少“長板”，如果存在很多的節能薄弱環節，也就是“短板”，節能效果將大打折扣，甚至前功盡棄。比如說，在設計建造點支承玻璃幕墻系統時，我們采用雙層中空LOW一E玻璃，這樣的幕墻產品顯然會比普通單層玻璃幕墻系統節能效果有所增加，但它必須和外遮陽系統配套使用，否則節能效果會大打折扣。因此，要讓1+1的技術集成，真正產生大于2的效果? 集成創新的思想必須在節能工作中牢固樹立起來。系統論告訴我們，只有對系統進行優化，才能提高整個系統的綜合性能。


四、結論
    綜上所述，利用系統論的觀點和方法對點支承玻璃幕墻系統進行節能分析，能夠為節能工作找到一些切實可行的方法和途徑。利用現代科技成果，全面提高玻璃系統的節能效果，是實現點支承玻璃系統整體節能的關鍵環節之一。但要清楚的看到，在點支承玻璃幕墻系統中任何節能技術的應用，都必須整合設計，集成創新，因為只有建立在優化結構基礎之上的系統，才是一個整體性能優良的系統。

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