在过去的几年，人们对世界发达地区日益增长的排放和全球变暖趋势的关注呈不断上升趋势。由于建筑业在目前的能源消耗中占有相当大的比重，因此，建筑物在实现并保持长期的节能和可持续发展方面意义重大。

　　为了向建筑物业主和规范撰写者提供具有经济效益的数据，以便其选择适当的翻新方案（针对现有建筑物而言）、或者为在不同系统间做出选择（针对新建项目而言）提供比较，评估建筑物的节能效率是很重要的。节能型门窗幕墙系统采用耐久材质，因其能够防止空气和水的渗透而避免老化，故而可长期保持有效特性，并对于实现能耗成本的最小化（加热与照明）发挥着重要作用。

　　本研究调查了不同气候条件下、采用不同的门窗幕墙系统和材质的商业建筑及其他建筑物的能耗情况。研究是采用Lawrence Berkeley国家实验室开发的Therm and Window软件和Carli Inc.开发的EFEN软件进行模拟。所评估的门窗系统是有机硅结构装配玻璃门窗幕墙系统与机械固定式玻璃幕墙系统的对比。

　　结果显示低U值（传热系数）与低空气渗透率相结合，可实现最低的能耗，从而获得最佳的节能效果。

　　引言

　　美国能源部能源效率与可再生能源设计办公室发表了一份“整体建筑设计”方案。该方案，在设计阶段通过将建筑物的各个子系统和各部分整合为一个工作模型，对建筑物所有各组成部分予以通盘考虑。为了了解“整体建筑设计”方案的诸多优越性，有必要在项目一开始即将材料专家、专业施工人员和表示同意的业主/租用者集聚在一起。

　　“商业建筑能耗占美国能源消耗总量的17%。通过建造能源用量更少、耗电需求更低的建筑物，便可实现更好的建筑坚固度和更广的电网覆盖范围。这降低了对化石燃料的需求，从而减少了对环境的不利影响。”[1]

　　欧盟委员会的网站显示欧共体的能耗统计数据也同样惊人。“建筑物能源需求占欧盟能源需求量的40%。这表明建筑业是具有最大节能潜力的一个领域。”[3] 在被消耗的能源中，有相当大一部分为商业建筑物所消耗。

　　世界各大城市随处可见的新开工建设项目，无不彰显出全球主要商业建筑物所特有的结构魅力。由世界顶级建筑设计事务所设计的玻璃与金属结构，乃是兼具艺术感和功能性的佳作。这些设计都考虑到了人在工作场所的舒适感受，因而可让工作人员在那样的环境中保持较高的工作效率。而建筑物业主亦须提供这样的舒适环境，以吸引高端租户及/或员工。而租户及其员工则支付租金、能源费和管理费。目前，我们意识到能源问题必须重视，因为低效地使用能源会造成过高的成本负担和大量的二氧化碳排放物。我们在生活的方方面面都要提高能源使用效率，这是非常重要，因为这样可减少温室气体排放、降低运营成本。公众对于京都议定书、二氧化碳排放 、能源价格的上涨以及全球经济衰退等问题的关注，已使其意识到减少能源消耗的必要性。

　　商业建筑物采用了玻璃和高度工艺化的装配系统，因而可使建筑物内外都呈现出光彩夺目的立面效果。 如今的幕墙组合体较以往任何时候都显得更为迷人、也更有效率。基于铝材的耐久墙面外饰，为每一栋大楼增添了彰显特性的斑斓色彩。还有具有多种颜色和不同反射特性的玻璃供您选择。如今，大多数商业建筑的玻璃装配组合件纷纷采用中空玻璃，这是因为中空玻璃较单板玻璃可实现更高的节能效率。

　　下列图1所记录的是不同类型玻璃装配组合件的U值。正如多数商业建筑物的演变所呈现的那样，在U值性能中也实现了一重大改变：把单片玻璃改进成中空玻璃单元，从而降低了能耗。加注惰性气体（如氩气）、开发低辐射系数（Low-E）镀膜以及增加第三块玻璃等举措，都在不断地提高商业建筑物立面的热效能。下图所示为不同中空玻璃（IG）构造（假定玻璃块之间有一段12mm的玻璃间距、而低辐射系数镀膜的辐射率为5%）的中心玻璃块的传热值(Ug)。[4]

　　可见，双腔(三层玻璃)、填充氩气的中空玻璃单元(其中两块玻璃是低辐射系数镀膜的玻璃)，能够达到0.7 W/(m2oK)的Ug值。

　　通过使用其它填充气体—如氪或氙—还可进一步提高这一数值。氪气或氙气分别可使Ug值达到约0.6 和0.5 W/(m2oK)的水平。但是，人们总是会考虑对立面所采取的这些附加措施以及相应地对业主支付费用的提高。如上所述，本图显示的是中心玻璃块的传热值。

　　典型的墙体（非玻璃）的Ug值均在0.3-0.6 W/(m2oK)范围内。此外，屋顶的Ug值则在0.15-0.3 W/(m2oK)范围内。人们希望提高可视装配系统的百分比、及其与屋顶和墙面相比而言在热效能方面的相对无效，这使全球范围内人们关注的焦点，集中在了如何提高玻璃装配系统的热效能上。

　　随着人们对大块镶玻璃的青睐，可提高玻璃装配系统效能的技术也日益突显其重要性。人们研发出了可以最大限度地透射光线的各种特种镀膜，这实现了最少的照明费用，而且在炎热的季节里还可将不需要的热量阻挡在建筑物外面。针对寒冷季节而开发的镀膜可吸收太阳热能，并且到了晚上仍可以使建筑物保温。 

　　但是，对于框架系统和附着方法却从未曾以同样方式加以研究。在框架制作和附着方法方面对细节的关注同等重要，这不仅限于初始的热效能，而且还必须了解长期的效能。一般的框架均采用铝材制成，而铝是迄今为止导热性最好的金属之一。目前已有多种材料和技术，如胶条、有机硅胶条、结构胶装配、湿式密封胶、聚氨酯热阻断材料以及聚酰胺热阻断材料，可用于铝制框架的热阻断，并隔绝室内外的环境。

　　在本文中，我们结合不同的空气渗透率评价了高性能和低性能的玻璃装配以及两种常用的附着方法 ，同时还将商业建筑物外墙的温度差异和能耗情况作了比较。

　　图1：不同类型玻璃构件的Ug值

　　图2所示为一种采用压力杆以机械方式将玻璃附着到建筑物外墙上的装配系统。这是考虑提高热效能的常见装配系统。其外侧的铝型材装配挡块，被每隔236mm安置的一枚钢制螺栓固定在内框架上；而一个高性能塑料胶条则将内、外框架隔离开。在出现热胀冷缩、以及因为建筑物动荷载变化而发生的移动时，玻璃仍可在胶条范围内移动。

　　图2  热效能提高的干式胶条密封装配系统

　　图3所示的是采用湿式有机硅用于附着的玻璃装配系统。该系统以有机硅结构胶作为粘合剂／密封胶，其可连续的将玻璃固定在框架上，而同时又将玻璃密封以防止空气和水的渗透。有机硅结构胶可以吸收玻璃和框架间因为热胀冷缩、以及因风吹、地震和住户产生的负荷改变造成建筑物动荷载偏移而引起的不同位移。这是有机硅结构胶装配系统的一大重要特性。在历经多年这样日复一日的位移之后，有机硅结构胶仍可将玻璃保持在原位，同时防止空气和水的渗透。

　　图3 有机硅结构胶装配系统

　　图4所示为干式胶条密封装配的非断裂铝制系统。该系统在建筑物内部至建筑物外部之间有连续的铝料。这种系统通常比其它系统便宜，并且是气候温和地区（内外温差一般都很小）最为常用的系统。

　　图4 干式胶条密封装配的非断裂铝制系统

　　二维传热模型Therm  

　　Therm 5.2是Lawrence Berkeley 国家实验室(LBNL)开发的一套计算机程序，其可供对热传递有兴趣的公众使用。利用该程序可以计算二维热传递在建筑构件（诸如门窗、墙壁、地基、屋顶和电气用具）中的效果。Therm的热传递分析可用来评估产品的能效。由于可以输入与本地气候模式相关的临界条件，因此可以对诸如冷凝、水气的侵害、热侵蚀以及构造的完整性等问题的直接关联性做出预测或解释。

　　Therm二维导热热传递分析是一种有限元运算法，其可模拟建筑产品的几何学。[5]

　　WINDOW

　　WINDOW 5.2是一套公开发售的计算机程序，其用于计算整个窗户的热效能指数（如：U值、太阳得热系数、遮阳系数以及可见光透射率等）。WINDOW 5.2提供了一种通用的热传递分析法，其与“美国国家门窗等级评定委员会（NFRC）”开发并更新的、符合ISO 15099 标准的评级程序相一致。该套程序可用来设计并开发新产品、协助教学人员讲授通过窗户的热传递原理，并帮助公共事务管理人员确立建筑物能耗规范。利用Therm建模，便可将信息输入到该WINDOW程序中。Therm的结果可以与WINDOW的玻璃中心光学与热传递模型一起用来确定整个窗户产品的U值和太阳得热系数。[6]

　　EFEN能源分析

　　由DesignBuilder 软件公司设计的能源分析程序EFEN，其可用于对商业建筑物中可选的门窗系统进行评估。EFEN是采用EnergyPlus模拟引擎和智能化建筑物生成器的新一代能源分析工具。该套程序适用于各种可选门窗系统的快速比较能源分析以及预测整栋建筑物的能源使用量，另外还可为各种不同类型建筑物预测其适用的暖通空调设备(HVAC)规格。其可以使用定点特定的气候数据来预测年度的以及最大的能源负荷。EFEN程序可接受各类不同门窗系统、不同建筑物设计以及不同定位的输入值，以得出极其符合用户需求的结果。该程序还可以输入门窗系统的空气泄漏率，利用增加的非必要的空气泄漏量来模拟降低能效的情形。[7]

　　本文结合了这些建模工具，以此评估关于外墙系统处于炎热和寒冷气候条件下的不同玻璃装配系统所产生的效果。玻璃装配的附着方法对于该系统的总体热传递和能源消耗具有一定的影响。

　　为简单起见，仅选择一种铝制框架系统作为研究。基本框架为50mm宽、100mm深，3mm厚度，详见图2－图4。我们注意到，由于采用不同类型的附着方法，因此基本框架有些许变化。

　　以上图2和图3所显示的模型是利用Therm程序绘制和制作，其使用了两种不同类型的中空玻璃。这两种中空玻璃内外侧都是6mm厚的玻璃，玻璃之间的空气层间距为14mm。第一个系统采用两块6mm厚的透明玻璃，而第二个系统其内侧玻璃是一块透明玻璃，外侧玻璃是一块在第二面进行三重低辐射镀膜处理的透明玻璃。图5显示为这两种中空玻璃单元的模型。

　　图5:  两种不同中空玻璃单元的构成与特性的研究

　　对两种中空玻璃间隔条的模拟旨在显示间隔条的不同热传递率的作用效果。其中一个模型采用有干燥剂填充的铝间隔条，而另一个模型则采用含干燥剂的有机硅泡沫条。两种间隔条都采用丁基胶(PIB)作为第一道密封和有机硅胶作为第二道密封。图6所示为两种中空玻璃的间隔条。

　　图6 两种类型中空玻璃的构造

　　我们对于两种不同的玻璃附着到框架上的装配系统、两种不同的中空玻璃构造以及两种不同的中空玻璃间隔条系统作了比较。比较系通过下列方式进行：

　　1. 机械固定中空玻璃系统，使用三元乙丙橡胶条(EPDM)将外部机械牵制材料与内部框架间保持热隔离的标准方法，和使用有机硅结构胶附着中空玻璃，并在外部施打湿式的耐候密封胶而构成的密闭接合系统相比较。

　　2. 三重低辐射镀膜高性能中空玻璃单元与仅采用透明玻璃的标准中空玻璃单元相比较。

　　3. 铝间隔条与暖边有机硅泡沫间隔条相比较。

　　结果与讨论

　　在应用热模拟软件时，分别计算了框架和玻璃中心的热传递系数。Therm 的计算系基于输入该程序中的NFRC 100 标准中所提出的要求或其它临界条件。根据要求，Therm还可以提供该模型中任何点的温度。

　　NFRC 100 规范明确要求室外温度设定为-16?C。这一温度在北美、北欧以及中国北方地区的冬季并不罕见。在研究寒冷气候时，采用了NFRC临界条件。若建模人员需要，Therm程序可以接受输入更低温度的临界条件。临界条件的改变使我们可以在已建模的系统范围内追踪并对比不同地点的温度梯度。

　　当在炎热气候条件下建模时，Therm便会接受日照负荷和室外温度值的输入。本项研究结果中曾使用了50?C室外温度和日照负荷为1120 W/m2的高温条件。该项条件来自于美国军方提出的气候条件要求。[8]

　　我们利用Therm程序来比较当室外环境有变化而室内环境温度保持在21?C时的内框架温度结果。有人会以为，在炎热的天气，铝制内框架摸上去感觉温度会比较暖和。而另一方面，也会有人以为，在冬天，铝制内框架摸上去感觉会比较冷。图7和图8所示为两种外墙，玻璃和间隔条系统相结合的在红外线区的热传递。