点支承玻璃幕墙系统的节能分析

一、引言
    按照“十一五”期间单位GDP能耗节约20%的总目标的要求，建筑节能的任务是在此期间节约1.1亿吨标准煤，可见任务十分艰巨。而建筑门窗幕墙则是消耗采暖空调用能的主要部位，也是建筑节能的关键环节。目前，我国建筑门窗幕墙行业仍然处于高速发展时期，各类建筑门窗幕墙技术在我国的成功应用，推动了行业的发展。特别是点支承玻璃幕墙系统，由于它具有视线通透，简洁明快，能够将建筑内外空间与装饰功能有机地融为一体的特点，受到了建筑设计师的青睐，在工程实践中得到了大量应用，因此对点支承玻璃幕墙系统进行节能分析，找到提高这类幕墙系统能源效率的有效方块与徐释一具有十分重要的意义。


二、系统的特点
　　我们知道，建筑幕墙(building curtain wall)是由支承结构体系与面板组成的、可相对主体结构有一定位移能力、不分担主体结构所受作用的建筑外围护结构或装饰性结构。按照不同的分类标准，可以分为不同的幕墙种类。如可以分为构件式幕墙和单元式幕墙;按照幕墙面板的不同又可以分为玻璃幕墙、石材幕墙、金属板幕墙和陶土板幕墙等。而玻璃幕墙则是由玻璃面板、支承结构、支承装置组成的结构体系，因其具有良好的建筑效果，在国内外得到了迅速发展，并展示了广阔的应用前景。全玻幕墙是由玻璃面板和玻璃肋构成的建筑幕墙，点支承玻璃幕墙则是由玻璃面板、点支承装置和支承结构构成的建筑幕墙，它具有通透性高，支承结构简洁明快的特点。随着玻璃工艺的提高和大量公共建筑的兴建，点支承玻璃幕墙在国内外应用也越来越广泛。


    点支承玻璃幕墙系统结构的主要特点为玻璃面板的支承状况是点支承结构，其面板全部采用玻璃。对点支承玻璃幕墙系统进行节能分析，必然要依据其结构的特点。目前，对玻璃幕墙系统进行节能分析，主要关注两个方面的热工性能参数.即传热系数和遮阳系数。


    1、幕墙单元的传热系数U_cw
    对点支承玻璃幕墙系统而言，由于它没有传统意义上的框和不透明板，其面板几乎都是玻璃，所以其传热系数U_cw几乎与玻璃系统的传热系数U_g相同。


    2、幕墙单元的太阳能总透射比g_t可采用下式计算

　　式中   A_g——透明面板的面积(m²)；

       　　g_g——透明面板的太阳能总透射比；

       　　A_p——非透明面板的面积(m²));

       　　g_p——非透明面板的太阳能总透射比;

       　　A_f——框的面积(m²));

       　　g_f——框的太阳能总透射比。


    对点支承玻璃幕墙系统而言，其太阳能总透射比g_t的计算也可以简化为:g_t =g_g。


    幕墙的遮阳系数S_c应为幕墙的太阳能总透射比与标准3mm厚透明玻璃的太阳能总透射比的比值。

　　式中S_c——幕墙的遮阳系数;

      g_t——幕墙的太阳能总透射比。


　　由此可见，点支承玻璃幕墙系统的热工性能主要取决于玻璃面板的热工性能。但同时我们也应该看到，点支承玻璃幕墙系统是一个完整的结构体系，它是由多种元素按照其结构体系组成的一个系统，其整体热工性能必然与组成系统的各个要素有关，同时也与系统的结构和所处环境相互关联。


三、节能分析
　　依据系统论的观点和方法对点支承玻璃幕墙系统统进行节能分析，可以为提高系统节能效果找到一些有效方法与途径。


    系统论的核心思想是系统的整体观点。它的创始人贝塔朗菲强调，任何系统都是一个有机的整体，它不是各个部分的机械组合或简单相加，系统的整体功能是各要素在孤立状态下所没有的新质。用亚里斯多德的名言“整体大于部分之和”，可以对系统的整体观进行直观说明。而系统论的基本思想方法，就是把所研究和处理的对象，当作一个系统，分析系统的结构和功能，研究系统、要素、环境三者的相互关系和变动的规律性，并用优化系统的观点看问题。优化系统的目的，就是要提高系统的整体性能。


    要提高点支承玻璃幕墙系统的整体节能效果，主要考虑以下几方面的因素。


    1、合理设计
    幕墙节能，设计是关键。根据点支承玻璃幕墙系统所处位置的朝向，合理选择窗墙比，同时根据其所处地理位置，选择适当的建筑遮阳设计。这些对保证系统的整体节能性能都将起到至关重要的作用。如在冬季，要尽量利用太阳中的辐射热量提高室内的温度，但在夏季，太阳辐射通过玻璃幕墙系统进入室内，是室内温度过高的原因。这就要求在幕墙系统的设计阶段，处理好这些问题。对点支承玻璃幕墙系统来说，由于其窗墙比相对较大，朝南、东和西向与朝北向的幕墙系统，就必须根据其所处地理位置选择不一样的建筑遮阳设计。以幕墙系统处于夏热冬冷地区为例，由于该地区夏季多晴天，而冬季阴雨天气较多，太阳辐射的热量是东西向最大，因此，在进行系统设计时，就必须考虑系统所处环境的特点，采用相应的系统结构，对系统进行优化设计，操高系统的整体节能效果。


　　2、玻璃的选用
　　由于点支承玻璃幕墙面板几乎都是玻璃，因此，玻璃性能的好坏，对整个系统的节能效果的影响是非常大的。玻璃的选用主要考虑室内采光的舒适性，玻璃的抗风压性能等强度指标。对玻璃系统的节能指标而言，主要考虑玻璃的保温、隔热性能。而具体就是落实到玻璃的传热系数和遮阳系数。


　　(1) 玻璃的传热系数
　　对单片玻璃来说，其传热系数与玻璃的导热系数之间寸存在以下关系。

　　U_g——玻璃的传热系数(W/m².K);

　　λ——玻璃的导传系数(W/m.K);

　　δ——玻璃的厚度(m);


    从式中看出，尽管玻璃的导热系数λ较小(如表1所示)，但因用于幕墙系统的玻璃厚度一般较小，单层玻璃的传热能力仍然很高，其传热系数较大。而干燥、静止的气体导热系数非常低(如表2所示)，利用气体的这种特性，将两片玻璃或多片玻璃用干燥气体隔开，制成中空玻璃，其中干燥的不流动气体层阻断了热传导的途径，从而可大大降低中空玻璃的传热系数。


    为了提高玻璃的保温性能，需要降低玻璃的传热系数。现代科技的发展，为人们找到了一些有效的途径。如采用LOW一E玻璃，可以大大降低玻璃的传热系数;但我们知道，单纯从玻璃本身去找提高玻璃热工性能的潜力是有限的，而利用玻璃，采用不同结构，设计制作玻璃系统，将为玻璃系统热工性能的提高开辟一条更宽广的途径。人们可以利用不同结构的玻璃组合，制成比单层玻璃传热系数低得多的满足不同需求的玻璃系统。

    (2)玻璃的遮阳系数
    降低玻璃遮阳系数的方法有许多种:如在玻璃表面镀膜，在制造玻璃的过程中加人色剂制成着色玻璃，在玻璃表面涂沫或印刷色油料并烧结成彩釉玻璃等。


    着色玻璃的遮阳性能之所以优于透明玻璃，是因为当太阳光通过时，它能吸收部分太阳辐射能而减少其进人室内，但由于玻璃吸收太阳辐射能而使自身温度升高，增加了温差传热，降低了保温效果。


    彩釉玻璃则是利用覆盖在玻璃表面的釉料控制阳光的直接透过，从而减少太阳的辐射热进人室内。


    (3)利用玻璃“制造”能量
    利用现代科学技术，让玻璃“制造”能量已经实现。利用玻璃的透光性能，配合现代光电技术和产品，将光能转化为电能，将为建筑节能开创更光明的前景。不久前德国旭格公司提出了Energy²的概念，他们认为，通过现代科学技术手段，在降低能量消耗，提高能量的利用率的同时，还能够制造出能量，其节能效果已经不再是一个相加的关系，综合效果会比相加的效果更大，这是系统论整体观的具体体现。


    总之，通过玻璃的制造复合技术，可以得到满足不同节能要求的节能玻璃产品，从而为提高点支承玻璃幕墙系统的整体节能效果提供有力
支持。


    3、集成创新
    在节能方面，人们有这样的经验:“节能技术的叠加不一定能达到节能效果。多个一流的节能技术，未必能集成出一流的节能效果;多个二流的节能技术，却有可能集成出一流的宜居环境。”简单地说，1+1怎么才能大于2?


    人们熟悉的“短板”理论用于解释节能技术的运用与效果是有一定道理的。”一个水桶能装多少水只取决于最短的那块板。”也就是说，在节能工作中，不论采用了多少“长板”，如果存在很多的节能薄弱环节，也就是“短板”，节能效果将大打折扣，甚至前功尽弃。比如说，在设计建造点支承玻璃幕墙系统时，我们采用双层中空LOW一E玻璃，这样的幕墙产品显然会比普通单层玻璃幕墙系统节能效果有所增加，但它必须和外遮阳系统配套使用，否则节能效果会大打折扣。因此，要让1+1的技术集成，真正产生大于2的效果? 集成创新的思想必须在节能工作中牢固树立起来。系统论告诉我们，只有对系统进行优化，才能提高整个系统的综合性能。


四、结论
    综上所述，利用系统论的观点和方法对点支承玻璃幕墙系统进行节能分析，能够为节能工作找到一些切实可行的方法和途径。利用现代科技成果，全面提高玻璃系统的节能效果，是实现点支承玻璃系统整体节能的关键环节之一。但要清楚的看到，在点支承玻璃幕墙系统中任何节能技术的应用，都必须整合设计，集成创新，因为只有建立在优化结构基础之上的系统，才是一个整体性能优良的系统。

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