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严寒地区玻璃幕墙节能设计

来源:2019年会论文集  作者:刘家良 姜仁 韩智勇  日期:2019-6-20
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    摘要:建筑围护结构节能是建筑节能的重要组成部分,特别是严寒地区的节能设计在我国尤为重要,该地区约占国土面积的三分之一。本文从我国能源及建筑能耗现状入手,深入剖析圣彼得堡市某幕墙工程的设计节点,对其先进的节能设计和做法进行了探讨和总结,可供建筑师和幕墙设计人员在进行玻璃幕墙节能设计时参考和应用。
    关键词:玻璃幕墙;围护结构;节能设计;保温性能

  1、我国能源及建筑能耗(词条“建筑能耗”由行业大百科提供)现状

  能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础,关系到社会正常运行和发展。我国目前处于城市建设高峰期,促使了建筑业的飞速发展,由此也造成了大量的能源消耗。北方城镇建筑的单位面积采暖(词条“采暖”由行业大百科提供)平均能耗,约为北欧同纬度条件下建筑采暖能耗的3倍。而且我国节能建筑少,缺乏建筑节能意识,已建成的既有建筑中95%以上属于高能耗建筑,普遍存在着围护结构(词条“围护结构”由行业大百科提供)保温隔热性能差,采暖系统热效率差等问题,建筑节能势在必行[1]。

  现如今,越来越多的城市建筑都采用玻璃幕墙作为外围护结构,它带来通透明亮、立面美观的视觉效果的同时,也带来了高能耗、光污染(词条“光污染”由行业大百科提供)以及隔热性差等问题。尤其玻璃作为透明材料,有很强的热传导(词条“热传导”由行业大百科提供)性,其能耗占建筑总能耗的比例较大。因此,设计出更加节能的玻璃幕墙,是解决围护结构高能耗问题的一条重要途径。

  2、严寒地区节能设计要求

  我国严寒地区主要指东北、内蒙古和西部部分地区(最冷月平均温度≤-10℃,日平均气温≤5℃的天数不少于145天)。由于该类地区采暖期室内外温差传热的热量损失占主导地位,因此必须满足冬季保温要求,一般可不考虑夏季防热[2]。建筑外围护结构热工性能的好坏,直接影响到室内环境及建筑能耗,为实现建筑采暖能耗降低65%的节能目标,所有建筑设计必须按此标准执行,并且实际运维期也要满足此能耗要求[3]。

  国家标准《公共建筑节能设计标准GB50189-2015(以下简称《标准》)对围护结构在严寒地区给出了更加深入合理的设计要求:首先,《标准》中对严寒地区甲类公共建筑各单一立面墙面积比(包括透光幕墙)提出了要求,要求各立面均不宜大于0.60,严于其他类地区的0.70;对于外(词条“门”由行业大百科提供)门斗,《标准》中要求严寒地区全部设置,而其他类地区可部分设置或采取其他方式代替;此外,《标准》对严寒A、B区和C区围护结构的传热系数也按部位分别制定了限值,详见表1和表2[4]:

表1严寒A、B 区公共建筑围护结构热工性能限值

表2 严寒C 区公共建筑围护结构热工性能限值

  3、影响严寒地区玻璃幕墙保温性能的主要因素

  3.1玻璃面板造成的热损耗

  现代建筑中,大面积的采光玻璃应用十分广泛,但建筑用玻璃的传热系数比砖体结构墙壁要高很多,冬季室内的热量在玻璃上通过热传导对流辐射传到室外,从而导致建筑物的热损耗增加。图1是利用红外热像仪观测到的某座建筑的红外热分布图,从图中可以看出采光玻璃处是热损耗的主要部位。

  玻璃的节能主要是通过热工性能、玻璃层数、中空玻璃(词条“中空玻璃”由行业大百科提供)的隔离层、中空层的介质、中空层间隔框的材质、中空层间隔框的密封等因素来实现阻隔冷热空气的热传导或热对流。目前已应用到生产、生活中的中空玻璃是对其热辐射、热传导、热对流三种方式的能量传递过程进行控制,有一定的节能保温作用。而低辐射玻璃(Low-E玻璃)具有较大的日光透过率和很小的红外反射系数,可以有效阻止热量通过玻璃散失,并且不影响玻璃的采光性能、无光污染[5]。

  3.2 铝合金边框材料造成的热损耗

  幕墙的(词条“铝”由行业大百科提供)合金边框一般占围护结构总面积的10%-25%,它对热量的传导同样对建筑物的保温性能起重要作用,一旦处理不当,形成“冷桥”,造成的热损耗更大,甚至会出现结露、结冰现象。边框的节能主要由框的材料、导热系数、框的腔体构成、断热设计等因素决定。

  3.3幕墙板块间及周边缝隙形成空气渗透进行的热交换

  室内外温差和压差的存在,导致空气通过板块间及周边缝隙进行渗透,同时进行热交换。虽然在幕墙设计阶段,这些缝隙都会用三元乙丙胶条、硅酮密封胶等材料进行密封,但施工阶段很难做到万无一失,而且建筑物使用阶段的温度变形、沉降变形等因素还可能会加大此缝隙的渗透影响。

  3.4 门、窗开启部位的气密性

  门、窗开启部位的重要功能是通风换气,这就要求既要保证其开启灵活,又要保证关闭后密闭无渗漏。而在严寒地区,影响门、窗保温性能主要取决于传热系数K值和气密性能等级。开启部位的气密性则是影响整体围护结构的气密性能关键部位,既要保证开启部位与边框配合结构的合理性,还要保证其密封的有效性。图2是利用红外热像仪检测门的气密性能。

  4、圣彼得堡某幕墙工程节能设计

  现阶段我国提高玻璃幕墙节能的主要措施尚停留在消极设防的阶段,主要是采用镀膜玻璃、Low-E玻璃、热反射玻璃、中空玻璃及隔热断桥铝型材降低结构传热系数、消除结构体系热桥、降低空气渗透热损失、减少开启窗扇面积、提高其密封性等。显然,对于严寒地区,仅仅依靠以上传统方法很难达到外围护结构的节能要求。因此,本文对俄罗斯圣彼得堡事某幕墙工程的保温节能做法进行剖析,挑出其设计亮点,供广大幕墙爱好者参考。

  4.1玻璃的选取

  圣彼得堡是俄罗斯第二大城市,冬季最冷五天的平均温度达到-26℃,室内外温差在50℃以上。该幕墙工程为单元式,建筑高度83.4m,幕墙面积15300m2,详见图3。考虑到圣彼得堡市特殊的气候因素,该项目选取自AGC的遮阳(词条“遮阳”由行业大百科提供)型低辐射三玻双腔中空玻璃(自室外向室内:10mm厚LOW-E钢化玻璃+12mm氩气层+6mm半钢化玻璃+12mm氩气层+8mm半钢化玻璃,详见图4)。此三玻两腔中空玻璃主要在以下几方面实现节能效果:

  4.11 玻璃厚度

  基片玻璃是组成中空玻璃的主要材料,玻璃厚度与玻璃热阻的乘积和中空玻璃的传热系数有着直接的联系,当玻璃厚度增加时,必然会增大该片玻璃对热量传递的阻挡能力,从而降低整个中空玻璃系统的传热系数。三片基片玻璃的组合可以近似看成是厚度的累加,即总厚度共计24mm。

  4.12 气体空腔厚度

  通过气体空腔厚度的控制,使中空玻璃内部形成紊态气流的传热,使其上升与下降的气流互相干扰来控制产生对流传热。气体空腔厚度与传热系数的大小有直接关系,在相同条件下,气体层越大,传热阻越大。需要注意的是,气体层的厚度达到一定程度后(19mm左右),传热阻的增长率就很小了,因为此时气体在玻璃之间温差的作用下会产生一定的对流过程,从而减低了气体层增厚的作用。因此,双重考虑下,确定了12mm厚的气体腔。

  4.13 中空腔充入氩气并保证充气量(填充量≥90%)

  由于充入中空腔的氩气属于惰性气体导热系数低(空气0.024W/m2·K,氩气0.016W/m2·K),可以提高玻璃的隔热、隔声(词条“隔声”由行业大百科提供)性能。

  4.14 遮阳型低辐射玻璃

  低辐射膜具有较大的日光透过率和很小的红外反射系数,可让80%可见光通过玻璃进入室内,又能将90%以上的太阳光中或室内物体辐射的红外线反射掉,有效阻止热量通过玻璃散失,节能效果达75%以上,并且不影响玻璃的采光性能、无光污染。而遮阳型低辐射玻璃采用独特的热喷射镀膜技术制作而成,除本身具有低辐射性能外,它还具有控制阳光的性能,节能效果更佳。

  4.2 边框的设计

  铝合金边框虽然不是主要的传热途径,但一旦处理不好而出现“冷桥”,将会有大量的热损失,并且一定会在室内结露,形成冷凝水。该项目选取自国内某知名厂家的6063A-T5/T6铝型材。断热处理是边框设计的重中之重,如图5设计节点所示:采用了穿条(词条“穿条”由行业大百科提供)式的大截面断热条(双道),即保证了断热功能,又满足了强度要求。除此之外,公框与母框插接部位采用多道EPDM胶条,形成多个等压腔,解决水密问题。在玻璃和铝型材边框的联合作用下,外围护结构的保温隔热性能得以满足,且不会出现结露现象,见图6模拟的热工性能。

  4.3板块密封处理

  该工程的单元式幕墙作为一种面板式结构,上、下、左、右四个边框分别与邻近板块的对应边框之间采用插接结构,在外加荷载时能同时变形、协同受力,插接面同时设计有三道密封胶条来确保相邻两个板块之间的密封。三道胶条形成三道密封线,即尘密线、水密线、气密线。尘密线用来阻挡灰尘及大部分的雨水;水密线和等压腔联合作用,起到阻水、排水的作用;气密线用来阻止空气的渗透。三道密封线依靠三元乙丙胶条自身的弹性,均能起到阻止空气渗漏的功能,确保室内、室外空气隔绝,阻止了热交换。

  4.4门、窗保温的处理

  门窗边框和扇框采用常规的断热处理外,在两条断热条内填充聚氨酯发泡剂,它是一种将聚氨酯预聚物发泡剂催化剂等组分装填于耐压气雾罐中的特殊聚氨酯产品。当物料从气雾罐中喷出时,沫状的聚氨酯物料会迅速膨胀并与空气或接触到的基体中的水分发生固化反应形成泡沫。具有填缝﹑粘结﹑密封﹑隔热﹑吸音等多种效果,是一种环保节能﹑使用方便的建筑材料。用在此处,可提高铝合金框的隔热性能,从而提高整扇门、窗的隔热性能。此外,在边框、扇框型材的空腔内,塞入保温岩棉,也同样起到了隔热、吸音的作用。

  5、结语

  现在很多人认为使用玻璃幕墙的建筑就是高耗能建筑,这样的结论是毫无根据的,国家也从未叫停玻璃幕墙。在幕墙设计阶段,只要合理进行设计,选用合适的玻璃和构造,严格遵照节能设计要求,建筑的热工性能完全可以达到《公共建筑节能设计标准》的要求。本文针对圣彼得堡某幕墙工程对保温节能的做法进行了剖析,对我国严寒地区幕墙设计有一定参考价值。

  虽然玻璃幕墙的很多方面都会受到经济条件的制约,业主的选择通常起着决定性作用。但即便如此,幕墙设计师(词条“幕墙设计师”由行业大百科提供)也要从专业角度提出合理的建议,以使幕墙在外视效果和功能性等方面都达到最佳。此外,幕墙设计师还应该转变原有的设计理念:变被动为主动,首先进行玻璃幕墙的热工设计,追求设计功能的主动性和积极性,变被动设防为主动利用能源的设计思想。

  参考文献:

  [1] 熊建明.玻璃幕墙建筑节能技术分析及其经济评价[J].新型建筑材料.2000(9):15~17

  [2] GB 50176-2016,民用建筑热工设计规范[S].中国建筑工业出版社,北京.2016

  [3] 赵长春.幕墙保温与节能浅析[J].房材与应用.2005(2).32

  [4] GB 50189-2015, 公共建筑节能设计标准[S].中国建筑工业出版社,北京.2015

  [5] 张雄, 张永娟等.现代建筑功能材料[M].北京:化学工业出版社,2009.160~170

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专家介绍

 姜仁

铝门窗幕墙委员会专家组

工作单位:中国建筑科学研究院 建筑物理研究所

技术职称:研究员(教授)

专业:1、建筑门窗幕墙产品校准,性能检测类、国家标准的编写。 2、门窗、幕墙样品的性能检测。 3、CAD计算机辅助设计软件的开发。 4、幕墙工程技术咨询。 现任职务 国家建筑工程质量监督检验检中心门窗幕墙部 副主任 中国建筑科学研究院建工质检中心司法鉴定所 资深司法鉴定专家 社会兼职 1 中国建筑学会建筑物理委员会 理事 2 全国幕墙门窗标准化技术委员会 副主任,专家 3 建设部制品与构配件产品标准技术委员会幕墙分会 副秘书长、专家 4 建设部节能门窗标识专家委员会 专家 5 建设部建设工程企业资质管理专家库 专家 6 中国金属结构协会铝门窗幕墙委员会 专家 7 中国建筑装饰协会门窗幕墙工程委员会 专家 8 中国工程建设标准化协会建筑与市政产品应用分会 理事 9 国家建材行业铝塑复合材料协会 专家 10 北京市高新技术企业认定专家组 专家 11 北京市建筑装饰协会专家委员会 专家 12 北京市物资协会幕墙门窗委员会 专家

专长:建筑幕墙性能检测 计算机软件开发

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