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嚴寒地區玻璃幕墻節能設計

2019-12-11 17:12:01

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  1、我國能源及建筑能耗現狀

  能源是人類社會賴以生存和發展的重要物質基礎,關系到社會正常運行和發展。我國目前處于城市建設高峰期,促使了建筑業的飛速發展,由此也造成了大量的能源消耗。北方城鎮建筑的單位面積采暖平均能耗,約為北歐同緯度條件下建筑采暖能耗的3倍。而且我國節能建筑少,缺乏建筑節能意識,已建成的既有建筑中95%以上屬于高能耗建筑,普遍存在著圍護結構保溫隔熱性能差,采暖系統熱效率差等問題,建筑節能勢在必行[1]。

  現如今,越來越多的城市建筑都采用玻璃幕墻作為外圍護結構,它帶來通透明亮、立面美觀的視覺效果的同時,也帶來了高能耗、光污染以及隔熱性差等問題。尤其玻璃作為透明材料,有很強的熱傳導性,其能耗占建筑總能耗的比例較大。因此,設計出更加節能的玻璃幕墻,是解決圍護結構高能耗問題的一條重要途徑。

  2、嚴寒地區節能設計要求

  我國嚴寒地區主要指東北、內蒙古和西部部分地區(冷月平均溫度≤-10℃,日平均氣溫≤5℃的天數不少于145天)。由于該類地區采暖期室內外溫差傳熱的熱量損失占主導地位,因此必須滿足冬季保溫要求,一般可不考慮夏季防熱[2]。建筑外圍護結構熱工性能的好壞,直接影響到室內環境及建筑能耗,為實現建筑采暖能耗降低65%的節能目標,所有建筑設計必須按此標準執行,并且實際運維期也要滿足此能耗要求[3]。

  國家標準《公共建筑節能設計標準》GB50189-2015(以下簡稱《標準》)對圍護結構在嚴寒地區給出了更加深入合理的設計要求:首先,《標準》中對嚴寒地區甲類公共建筑各單一立面窗墻面積比(包括透光幕墻)提出了要求,要求各立面均不宜大于0.60,嚴于其他類地區的0.70;對于外門門斗,《標準》中要求嚴寒地區全部設置,而其他類地區可部分設置或采取其他方式代替;此外,《標準》對嚴寒A、B區和C區圍護結構的傳熱系數也按部位分別制定了限值,詳見表1和表2[4]:

  表1嚴寒A、B區公共建筑圍護結構熱工性能限值

  表2嚴寒C區公共建筑圍護結構熱工性能限值

  3、影響嚴寒地區玻璃幕墻保溫性能的主要因素

  3.1玻璃面板造成的熱損耗

  現代建筑中,大面積的采光玻璃應用十分廣泛,但建筑用玻璃的傳熱系數比磚體結構墻壁要高很多,冬季室內的熱量在玻璃上通過熱傳導、對流和輻射傳到室外,從而導致建筑物的熱損耗增加。圖1是利用紅外熱像儀觀測到的某座建筑的紅外熱分布圖,從圖中可以看出采光玻璃處是熱損耗的主要部位。

  玻璃的節能主要是通過熱工性能、玻璃層數、中空玻璃的隔離層、中空層的介質、中空層間隔框的材質、中空層間隔框的密封等因素來實現阻隔冷熱空氣的熱傳導或熱對流。目前已應用到生產、生活中的中空玻璃是對其熱輻射、熱傳導、熱對流三種方式的能量傳遞過程進行控制,有一定的節能保溫作用。而低輻射玻璃(Low-E玻璃)具有較大的日光透過率和很小的紅外反射系數,可以有效阻止熱量通過玻璃散失,并且不影響玻璃的采光性能、無光污染[5]。

  3.2鋁合金邊框材料造成的熱損耗

  幕墻的鋁合金邊框一般占圍護結構總面積的10%-25%,它對熱量的傳導同樣對建筑物的保溫性能起重要作用,一旦處理不當,形成“冷橋”,造成的熱損耗更大,甚至會出現結露、結冰現象。邊框的節能主要由框的材料、導熱系數、框的腔體構成、斷熱設計等因素決定。

  3.3幕墻板塊間及周邊縫隙形成空氣滲透進行的熱交換

  室內外溫差和壓差的存在,導致空氣通過板塊間及周邊縫隙進行滲透,同時進行熱交換。雖然在幕墻設計階段,這些縫隙都會用三元乙丙膠條、硅酮密封膠等材料進行密封,但施工階段很難做到萬無一失,而且建筑物使用階段的溫度變形、沉降變形等因素還可能會加大此縫隙的滲透影響。

  3.4門、窗開啟部位的氣密性能

  門、窗開啟部位的重要功能是通風換氣,這就要求既要保證其開啟靈活,又要保證關閉后密閉無滲漏。而在嚴寒地區,影響門、窗保溫性能主要取決于傳熱系數K值和氣密性能等級。開啟部位的氣密性則是影響整體圍護結構的氣密性能關鍵部位,既要保證開啟部位與邊框配合結構的合理性,還要保證其密封的有效性。圖2是利用紅外熱像儀檢測門的氣密性能。

  4、圣彼得堡某幕墻工程節能設計

  現階段我國提高玻璃幕墻節能的主要措施尚停留在消極設防的階段,主要是采用鍍膜玻璃、Low-E玻璃、熱反射玻璃、中空玻璃及隔熱斷橋鋁型材降低結構傳熱系數、消除結構體系熱橋、降低空氣滲透熱損失、減少開啟窗扇面積、提高其密封性等。顯然,對于嚴寒地區,僅僅依靠以上傳統方法很難達到外圍護結構的節能要求。因此,本文對俄羅斯圣彼得堡事某幕墻工程的保溫節能做法進行剖析,挑出其設計亮點,供廣大幕墻愛好者參考。

  4.1玻璃的選取

  圣彼得堡是俄羅斯第二大城市,冬季冷五天的平均溫度達到-26℃,室內外溫差在50℃以上。該幕墻工程為單元式,建筑高度83.4m,幕墻面積15300m2,詳見圖3??紤]到圣彼得堡市特殊的氣候因素,該項目選取自AGC的遮陽型低輻射三玻雙腔中空玻璃(自室外向室內:10mm厚LOW-E鋼化玻璃+12mm氬氣層+6mm半鋼化玻璃+12mm氬氣層+8mm半鋼化玻璃,詳見圖4)。此三玻兩腔中空玻璃主要在以下幾方面實現節能效果:

  4.11玻璃厚度

  基片玻璃是組成中空玻璃的主要材料,玻璃厚度與玻璃熱阻的乘積和中空玻璃的傳熱系數有著直接的聯系,當玻璃厚度增加時,必然會增大該片玻璃對熱量傳遞的阻擋能力,從而降低整個中空玻璃系統的傳熱系數。三片基片玻璃的組合可以近似看成是厚度的累加,即總厚度共計24mm。

  4.12氣體空腔厚度

  通過氣體空腔厚度的控制,使中空玻璃內部形成紊態氣流的傳熱,使其上升與下降的氣流互相干擾來控制產生對流傳熱。氣體空腔厚度與傳熱系數的大小有直接關系,在相同條件下,氣體層越大,傳熱阻越大。需要注意的是,氣體層的厚度達到一定程度后(19mm左右),傳熱阻的增長率就很小了,因為此時氣體在玻璃之間溫差的作用下會產生一定的對流過程,從而減低了氣體層增厚的作用。因此,雙重考慮下,確定了12mm厚的氣體腔。

  4.13中空腔充入氬氣并保證充氣量(填充量≥90%)

  由于充入中空腔的氬氣屬于惰性氣體,導熱系數低(空氣0.024W/m2·K,氬氣0.016W/m2·K),可以提高玻璃的隔熱、隔聲性能。

  4.14遮陽型低輻射玻璃

  低輻射膜具有較大的日光透過率和很小的紅外反射系數,可讓80%可見光通過玻璃進入室內,又能將90%以上的太陽光中或室內物體輻射的紅外線反射掉,有效阻止熱量通過玻璃散失,節能效果達75%以上,并且不影響玻璃的采光性能、無光污染。而遮陽型低輻射玻璃采用獨特的熱噴射鍍膜技術制作而成,除本身具有低輻射性能外,它還具有控制陽光的性能,節能效果更佳。

  4.2邊框的設計

  鋁合金邊框雖然不是主要的傳熱途徑,但一旦處理不好而出現“冷橋”,將會有大量的熱損失,并且一定會在室內結露,形成冷凝水。該項目選取自國內某知名廠家的6063A-T5/T6鋁型材。斷熱處理是邊框設計的重中之重,如圖5設計節點所示:采用了穿條式的大截面斷熱條(雙道),即保證了斷熱功能,又滿足了強度要求。除此之外,公框與母框插接部位采用多道EPDM膠條,形成多個等壓腔,解決水密問題。在玻璃和鋁型材邊框的聯合作用下,外圍護結構的保溫隔熱性能得以滿足,且不會出現結露現象,見圖6模擬的熱工性能。

  4.3板塊密封處理

  該工程的單元式幕墻作為一種面板式結構,上、下、左、右四個邊框分別與鄰近板塊的對應邊框之間采用插接結構,在外加荷載時能同時變形、協同受力,插接面同時設計有三道密封膠條來確保相鄰兩個板塊之間的密封。三道膠條形成三道密封線,即塵密線、水密線、氣密線。塵密線用來阻擋灰塵及大部分的雨水;水密線和等壓腔聯合作用,起到阻水、排水的作用;氣密線用來阻止空氣的滲透。三道密封線依靠三元乙丙膠條自身的彈性,均能起到阻止空氣滲漏的功能,確保室內、室外空氣隔絕,阻止了熱交換。

  4.4門、窗保溫的處理

  門窗邊框和扇框采用常規的斷熱處理外,在兩條斷熱條內填充聚氨酯發泡劑,它是一種將聚氨酯預聚物﹑發泡劑﹑催化劑等組分裝填于耐壓氣霧罐中的特殊聚氨酯產品。當物料從氣霧罐中噴出時,沫狀的聚氨酯物料會迅速膨脹并與空氣或接觸到的基體中的水分發生固化反應形成泡沫。具有填縫﹑粘結﹑密封﹑隔熱﹑吸音等多種效果,是一種環保節能﹑使用方便的建筑材料。用在此處,可提高鋁合金框的隔熱性能,從而提高整扇門、窗的隔熱性能。此外,在邊框、扇框型材的空腔內,塞入保溫巖棉,也同樣起到了隔熱、吸音的作用。

  5、結語

  現在很多人認為使用玻璃幕墻的建筑就是高耗能建筑,這樣的結論是毫無根據的,國家也從未叫停玻璃幕墻。在幕墻設計階段,只要合理進行設計,選用合適的玻璃和構造,嚴格遵照節能設計要求,建筑的熱工性能完全可以達到《公共建筑節能設計標準》的要求。本文針對圣彼得堡某幕墻工程對保溫節能的做法進行了剖析,對我國嚴寒地區幕墻設計有一定參考價值。

  雖然玻璃幕墻的很多方面都會受到經濟條件的制約,業主的選擇通常起著決定性作用。但即便如此,幕墻設計師也要從專業角度提出合理的建議,以使幕墻在外視效果和功能性等方面都好。此外,幕墻設計師還應該轉變原有的設計理念:變被動為主動,首先進行玻璃幕墻的熱工設計,追求設計功能的主動性和積極性,變被動設防為主動利用能源的設計思想。

  參考文獻:

  [1]熊建明。玻璃幕墻建筑節能技術分析及其經濟評價[J]。新型建筑材料。2000(9):15~17

  [2]GB 50176-2016,民用建筑熱工設計規范[S]。中國建筑工業出版社,北京。2016

  [3]趙長春。幕墻保溫與節能淺析[J]。房材與應用。2005(2)。32

  [4]GB 50189-2015,公共建筑節能設計標準[S]。中國建筑工業出版社,北京。2015

  [5]張雄,張永娟等?,F代建筑功能材料[M]。北京:化學工業出版社,2009.160~170

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