繆錦婷

(嘉特納幕墻(上海)有限公司，上海 200021)

1 概述

如今門窗系統(tǒng)越來越多被玻璃幕墻形式所取代，應(yīng)用越發(fā)廣泛。玻璃幕墻相對(duì)門窗及石材鋁板等形式建筑外觀，能更好的提供采光性、美觀性以及絕佳的視野感受。但伴隨著其應(yīng)用的廣泛，建筑能耗也大大增加，并在社會(huì)總能源消耗的占比越來越大。因此加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，降低幕墻能耗成為了現(xiàn)在的一個(gè)重要課題。幕墻的熱工性能主要有三類：幕墻整體的傳熱系數(shù)、遮陽系數(shù)及結(jié)露性能。本文主要探討幕墻的傳熱系數(shù)，就熱傳遞方式結(jié)合實(shí)際工程，利用BISCO軟件，對(duì)幕墻熱工性能進(jìn)行了分析。

2 熱量傳遞的基本方式

熱傳遞的概念為：由溫度差引起的一種熱能傳遞物理現(xiàn)象。熱傳遞包括三種形式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。只需物體內(nèi)部或物體間存在溫度差，熱能就必定以以上三種方式中的一種或者多種從高溫向低溫處傳遞。

2.1 熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)是指在不同物體之間或同一物體內(nèi)部存在溫差時(shí)，物體內(nèi)分子等微觀振動(dòng)、位移以及互相碰撞而產(chǎn)生能力傳遞現(xiàn)象。材料的熱導(dǎo)率又稱導(dǎo)熱系數(shù)，反映材料的導(dǎo)熱能力，不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)不同。一般金屬導(dǎo)熱系數(shù)較高，空氣較小，列舉一些材料的導(dǎo)熱系數(shù)(見表1)。

表1 材料導(dǎo)熱系數(shù)

由表1可見，金屬材料導(dǎo)熱率是空氣的2 000倍。利用這一現(xiàn)象給生活帶來便利的物品比比皆是，例如帶木柄的不銹鋼鍋、杯墊等。

2.2 熱對(duì)流

熱對(duì)流的概念是指：流體內(nèi)部由于溫差，質(zhì)點(diǎn)從高溫到低溫、低溫到高溫的循環(huán)熱傳遞過程。熱對(duì)流分為兩種形式：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流，自然對(duì)流是由自然溫度差形成，強(qiáng)制對(duì)流是由壓力差形成。例如熱雞蛋、冰可樂，在室溫環(huán)境下，由于溫差產(chǎn)生對(duì)流從而逐漸改變了自身的溫度，這種就稱為自然對(duì)流。再如風(fēng)扇，通過壓力差產(chǎn)生對(duì)流，降低溫度，這就稱為強(qiáng)制對(duì)流。對(duì)流傳熱系數(shù)是分析對(duì)流效應(yīng)的重要參數(shù)，影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素包含傳熱面面積、流體性質(zhì)、溫度差值、流動(dòng)方向、傳熱面粗糙程度等。

2.3 熱輻射

熱輻射是指物體以輻射電磁波的形式向外傳遞溫度的現(xiàn)象。溫度高于絕對(duì)零度的物體就能向周圍發(fā)出熱輻射，熱輻射一般以長波為主，包含紫外線、可見光及紅外線，成半球形直線傳播，溫度越高，輻射能也越大，見圖1。熱輻射傳遞無需介質(zhì)，是真空中僅有的熱傳遞模式。例如靠近火源取暖、燈光的溫度等。輻射率主要取決于物體表面的性質(zhì)，表面越粗糙，發(fā)射能力就越強(qiáng)。

3 工程中的應(yīng)用

幕墻熱工性能的提高方法最基礎(chǔ)的原理就是改變熱傳遞的三種方式，通過減少熱導(dǎo)率，減少熱對(duì)流，降低輻射率等，達(dá)到降低幕墻傳熱系數(shù)及減少結(jié)露的目的。下面分別展開討論，如何運(yùn)用熱傳遞的三種方式，改善幕墻的熱工性能。

3.1 熱傳導(dǎo)(導(dǎo)熱率)

減少熱傳導(dǎo)的方式最直接的就是減少導(dǎo)熱率，例如增加玻璃厚度、采用隱框形式幕墻、采用斷橋隔熱型材等。

傳熱系數(shù)是衡量玻璃熱工性能的重要指標(biāo)之一。面板傳熱系數(shù)是指面板中部區(qū)域雙側(cè)環(huán)境溫度差為1 K時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積玻璃的熱量。玻璃傳熱系數(shù)越高，則通過玻璃的傳熱量也越高。

單一材料層的熱阻R=t/λ,t為材料層厚度；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

單片玻璃傳熱阻為Rt=Rsi+Rg+Rse,Rsi為內(nèi)表面換熱阻，一般取0.13;Rse為外表面換熱阻，一般取0.05。

玻璃的傳熱系數(shù)Ug=1/Rt。

我們對(duì)比一下一片6 mm厚的玻璃和一片10 mm厚的玻璃，從表2數(shù)值可看出玻璃厚度越厚，傳熱系數(shù)越小，對(duì)幕墻熱工性能越有利。

表2 不同厚度玻璃的傳熱系數(shù)

增加熱阻的另一種方法就是采用斷橋隔熱型材。通過在型材間加穿條式隔熱型材或澆筑式隔熱型材。在相同室內(nèi)外環(huán)境下，面板均采用10 mm單片清玻，我們對(duì)無斷熱型材和斷熱型材進(jìn)行了分析對(duì)比，見圖2。

根據(jù)軟件分析(見表3)，我們很清楚的看到加了隔熱條后，室內(nèi)框的溫度明顯升高，通過計(jì)算，我們得知隔熱型材的傳熱系數(shù)相對(duì)無隔熱型材小了將近一半。另外對(duì)于有開啟扇或中空玻璃作為面板的結(jié)構(gòu)，隔熱位置最好保持在同一高度，使等溫線更加平坦，且保持與外界的隔斷，那么這個(gè)熱工設(shè)計(jì)是非常合理的。

表3 有無隔熱型材的傳熱系數(shù)

3.2 熱對(duì)流(減少空氣流動(dòng))

對(duì)流換熱系數(shù)hc=4+4Vs，Vs為表面附近的氣流速度,m/s。

由上式可知，影響對(duì)流換熱系數(shù)最重要的指標(biāo)就是氣體流動(dòng)速度。當(dāng)采用中空玻璃面板時(shí)，中空層內(nèi)氣體不同，對(duì)玻璃的傳熱系數(shù)U值就會(huì)相應(yīng)不同。一般為了降低玻璃的傳熱系數(shù)，中空層會(huì)采用惰性氣體填充，如氬氣等，目的就是為了減少氣體的流動(dòng)即減少熱對(duì)流的影響。

通過WINDOW 6軟件分析，我們得出8 mm+12A+8 mm的清玻填充空氣，其傳熱系數(shù)U值為2.636 W/(m2·K)，而8 mm+12Ar+8 mm的清玻填充氬氣，其傳熱系數(shù)U值為2.48 W/(m2·K)，若空氣層厚度越大，則降幅更為顯著。

另外，多隔空氣腔同樣能減少熱對(duì)流，當(dāng)空氣層小于5 mm厚時(shí)，我們可以將空氣看作簡單的熱傳導(dǎo)材料，相應(yīng)減少了熱對(duì)流的傳遞方式，減少了熱量的傳遞。同樣我們利用BISCO軟件做了兩種形式的模擬，對(duì)比見圖3。

通過計(jì)算框的傳熱系數(shù)(見表4)，得出膠條隔空氣腔多的型材，框的傳熱系數(shù)更小。但要注意此方法對(duì)于空氣腔面積占比較大的結(jié)構(gòu)形式作用較大，如一些特殊構(gòu)造要求的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)于一般幕墻而言，采用更多的方法是改變玻璃，更有效直接。

表4 單、多腔型材的傳熱系數(shù)

3.3 熱輻射(減少表面粗糙度)

輻射換熱系數(shù)hr=4σεT3，其中，σ為常數(shù)，取5.67×10-8；ε為表面半球發(fā)射率，輻射率越高，則發(fā)射能量越高，吸收能量也越高；T為室內(nèi)外輻射溫度，因此從公式可看出表面半球發(fā)射率是輻射換熱系數(shù)的重要指標(biāo)。

對(duì)于玻璃面板而言，減少熱輻射普遍采用的方法就是鍍膜，熱輻射對(duì)于玻璃的傳熱性能非常重要，玻璃鍍膜可以有效阻止太陽輻射能盡可能少的進(jìn)入室內(nèi)，從而降低能耗。

我們對(duì)比一下6 mm+12A+6 mm的中空玻璃和6 mm Low-E+12A+6 mm的中空Low-E玻璃傳熱系數(shù)，結(jié)果一目了然，見表5。

另外，我們需要注意，一般南方炎熱地區(qū)，Low-E膜鍍?cè)诘诙嫔?，而北方寒冷地區(qū)一般將Low-E膜鍍?cè)诘谌?，這樣的設(shè)置，更能有效滿足不同地區(qū)的需求。

表5 不同鍍膜玻璃傳熱系數(shù)

除了玻璃鍍膜，在型材上，我們可以考慮對(duì)斷熱型材前后兩面進(jìn)行涂層、拋光等處理，降低表面輻射率，但是費(fèi)用較貴，不夠經(jīng)濟(jì)。又或者可在斷熱空腔中添加巖棉，此做法既能減少輻射，又能減少對(duì)流，效果極佳。但是，同樣的，和對(duì)流一樣，對(duì)面積占比較小的位置作用就差很多。另外注意，型材空腔內(nèi)加巖棉并不能降低型材傳熱系數(shù)，由于空氣腔內(nèi)溫差較小，熱輻射及對(duì)流較小，熱量會(huì)選擇最近的路線，即直接從鋁框傳遞。

4 結(jié)語

通過熱傳遞的三種方式，對(duì)幕墻設(shè)計(jì)進(jìn)行改善，能有效提高玻璃幕墻熱工性能，其中減少熱傳導(dǎo)的方法最為直接有效，但要注意熱量過于集中傳遞易產(chǎn)生結(jié)露的問題。而對(duì)于熱對(duì)流及熱輻射，由于型材面積占比的問題，除了在玻璃鍍膜及采用惰性氣體填充中空層上應(yīng)用較為廣泛，對(duì)于型材而言，作用就不那么經(jīng)濟(jì)有效了。不過隨著大跨度結(jié)構(gòu)及特殊裝飾要求的幕墻不斷增多，相信今后這兩種方式會(huì)得到更多的應(yīng)用。