幕墙铝型材的热工设计
玻璃幕墙(以下简称“幕墙”)是现代化建筑的主要外围护结构之一，其节能已成为我国建筑节
能的重要一环。本文就幕墙的节能进行技术分析、计算，对节能效果进行经济评价。
一 幕墙建筑节能的设计原则
我国幅员辽阔，当北方还是冰天雪地的时候，南方已是春暖花开的季节。本文提出下列措施，
作为幕墙建筑节能的设计原则：(1)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。(2)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。(3)进行幕墙热工设计时，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：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(如电磁
波、红外线等产生的长波)辐射换热；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；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。(4)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。
二、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。
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∶２
４,空心铝型材的热绝缘系数Ｒ为:Ｒ＝０．００２ｍ２·Ｋ／Ｗ
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
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０．１５２ｍ２·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。
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。Ａ、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）。Ｂ、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７
ｍｍ。Ｃ、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。
三、幕墙玻璃传热系数的比较
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。D1N4108规程规定
，断热幕墙的传热系数Ｋ0不大于3.5W／(㎡?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)；Ｒ
ａ-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。
四、 幕墙建筑节能的经济评价
在我国，人们十分重视建筑成本的控制，而容易忽略通过适当地增加建筑成本而产生的建筑节
能效果所带来的经济效益和社会效益。下面，我们通过计算和分析，对幕墙的建筑节能效果作出综
合评价。
(1) 设位于北京市区的一幢商业建筑，幕墙面积为10000ｍ2，建筑的层高均小于4ｍ，北京市
每年的采暖天数为129ｄ，考虑每天实际采暖10ｈ。分别按使用单玻幕墙和断热幕墙这2种方案计算
其耗热量。根据《采暖通风与空气调节设计规范》(ＧＢＪ19-87)(以下简称《暖通规范》)的规定
，幕墙的基本耗热量为：Ｑ＝αＦＫ(ｔｎ-ｔｗｎ)式中：Ｑ-幕墙的基本耗热量(Ｗ)；α-幕墙的
温差修正系数，取1．0；Ｆ-幕墙面积，为10000ｍ2；Ｋ-幕墙的传热系数，单玻幕墙取6．4Ｗ／(
ｍ2?Ｋ)，断热幕墙取3．5Ｗ／(ｍ2?Ｋ)；ｔｎ-冬季室内计算温度，取19℃；ｔｗｎ-采暖室外计
算温度，取-9℃。为简便计算，上式中设定：①幕墙的结构类型为Ⅰ型；②采暖室外计算温度取采
暖室外计算(干球)温度值；③未考虑通过幕墙的开窗、孔洞或屋顶、地面侵入室内的冷空气的耗热
量；④未考虑通过幕墙缝隙渗入室内的冷空气的耗热量；⑤未考虑建筑的朝向；⑥Ｑ仅为理论计算
值。单玻幕墙的基本耗热量Ｑ1＝1792ｋＷ；断热幕墙的基本耗热量Ｑ2＝980ｋＷ。
(2) 单玻幕墙比断热幕墙每年采暖多消耗的热量(热能)转换为电能Ｅ：Ｅ＝(1792-980)×129
×10＝1047480ｋＷ?ｈ
(3)断热幕墙与单玻幕墙建筑节能效果的经济比较
设单玻幕墙的单位造价为1300元／ｍ2，断热幕墙的单位造价为1800元／㎡，则初始投资增加
500万元。北京市的电价(假定10年内不变)为0．70元／(ｋＷ?ｈ)，功率因素为0．9，单玻幕墙比
断热幕墙每年采暖多支出的电费82万元设人民币的年利率为5%(假定10年内不变)，单玻幕墙与断热
幕墙建筑节能的经济效益比较见表1。由表1比较得知，断热幕墙到第7年即可收回全部所增加的建
筑成本，到第10年，断热幕墙建筑节能所产生的经济效益要比单玻幕墙多256万元。这说明，断热
幕墙的建筑节能所产生的经济效益是十分明显的。
5、结论
(1) 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。
(2) 根据本文的技术分析、计算以及建筑节能经济效益的评价，幕墙的建筑节能工作对建筑投
资者、对社会都是十分有利的，用于建筑节能的投资完全可以收回，并能在幕墙的使用期内给投资
者创造良好的经济效益和社会效益。
(3) 采用断热幕墙的结构形式是幕墙建筑节能的最有效的途径。
