【門窗幕墻網】[摘要]本文量化分析了國內各類常用玻璃幕墻系統的傳熱系數,并通過展示框的傳熱與整個幕墻傳熱的比例,揭示了玻璃幕墻傳熱系數的“二八法則”,并且介紹了該法則對幕墻節能設計的影響。
[關鍵詞]建筑節能幕墻設計玻璃幕墻幕墻熱冷橋幕墻U值結露熱工設計和計算框的傳熱暖框技術
Abstract]Thepaperquantifiesandanalysesthethermaltransmittancecoefficientofallcommoncurtainwallsystems.Byshowingthethermaltransferringratioofframeandentirefacade,italsorevealsthe80/20ruleinthermaltransferringincurtainwallandstatestheimpactontheenergyefficiencyoffacade.
[KeyWords]Buildingenergyefficiency,curtainwall,facadedesign,thermalbridging,U-value,condensation,thermaldesignandengineering,framethermaltransmittance,warmframetechnology
前言
我國的建筑節能設計標準不斷提高,《公共建筑節能設計標準》GB50189-2005版標準的節能目標為50%,而2015年新版標準的節能目標提高到了65%,這就對玻璃幕墻的隔熱性能提出了更為嚴格的要求。以北京和上海為例,舊版設計標準對透明幕墻的傳熱系數要求為2,2W/(m2*K),而新版設計標準的要求則提高到了1.8W/(m2*K)。為滿足新標準下的幕墻節能要求,除傳統的斷熱冷橋鋁型材外,近幾年越來越多的玻璃幕墻工程用到高性能三銀Low-e鍍膜、玻璃中空層填充惰性氣體、三玻兩腔雙中空玻璃、中空玻璃暖邊間隔條等技術。
值得注意的是玻璃幕墻的節能效率是由兩方面因素決定的,即玻璃幕墻最主要的兩大構件—玻璃和框,在玻璃的節能技術創新持續快速發展的同時,框的節能技術卻顯得相對滯后。我們知道歐洲的幕墻節能要求普遍較高,通常的幕墻傳熱系數一般在1.1~1.4W/(m2*K),觀察他們的幕墻系統(圖1),可以發現除了普遍采用的三玻兩腔中空玻璃外,框的斷熱冷橋構造相比我們國內常用的(圖2)要復雜,其隔熱性能也相對較高。然而,在國內照搬歐洲的幕墻系統顯然是不現實的,這其中有包括設計規范、適用區域、結構安全、設計自由度、造價成本、生產能力和質量控制等在內的各方面因素需要權衡和考慮。不過,有一點可以肯定,那就是框的斷熱冷橋設計在幕墻節能要求不斷提高的大背景下,其重要性將越來越顯現,它的好壞不僅影響幕墻的傳熱系數(幕墻U值)的高低,更是關系到幕墻否發生結露的關鍵因素。
圖1:歐洲的明框幕墻立柱圖2:國內的明框幕墻立柱
本文將展示各類常用幕墻系統中玻璃和框的傳熱在整個幕墻中的所占比例,并嘗試通過這些數據揭示玻璃幕墻熱工設計中的“二八法則”,并說明法則對幕墻節能設計的影響。從而引起人們對幕墻熱工設計中框傳熱重要性的重視。
玻璃幕墻熱工分析和計算
典型玻璃幕墻系統的選取
首先,幕墻設計選取了國內玻璃幕墻系統中最普遍和常用的兩類系統,即框架式幕墻系統和單元式幕墻系統,且均采用目前主流的斷熱冷橋鋁型材截面;其次,選取工程中出現頻率最高的兩類幕墻形式,即全明框和豎明橫隱。最終按照上述體兩兩組合,形成了四種基本的玻璃幕墻系統,即全明框框架式幕墻(圖3、圖4)、豎明橫隱框架式幕墻(圖3、圖5)、全明框單元式幕墻(圖6、圖7、圖8)、豎明橫隱單元式幕墻(圖6、圖9、圖10)。各系統的主要構件節點示意如圖3-圖10:
圖3:明框框架立柱圖4:明框框架橫梁圖5:隱框框架橫梁
圖6:明框單元立柱圖7:明框單元插接縫橫梁圖8:明框單元橫梁
圖9:隱框單元插接縫橫梁圖10:隱框單元橫梁
典型玻璃配置的選取
玻璃方面,選取幕墻工程中常用的玻璃配置與上述幕墻系統組合,這些常用的玻璃配置包括:雙玻Low-e中空玻璃、三玻兩腔Low-e中空玻璃、上述中空玻璃的中空層填充空氣或氬氣、上述中空玻璃的隔條為鋁合金(冷邊)間隔條或暖邊間隔條。最終形成32種組合配置(表1):
表1:32種組合配置
熱工計算
幕墻節點的熱工分析采用了行業內普遍認可的美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)開發的二維穩態熱工有限元軟件THERM,軟件版本為7.4。幕墻傳熱系數的計算方法參照了美國門窗分級委員會的NFRC-100的規定,即采用面積加權平均的方法(圖11),把框、邊部和玻璃三者的面積乘以其傳熱系數,相加之和除以幕墻總面積,從而得到幕墻的傳熱系數Ucw,其中U和A分別代表傳熱系數和面積,右下角標f,eg,cop分別代表框、邊部和玻璃面板中心點(圖12)。
圖11:NFRC-100標準的Ucw計算公式
圖12:各參數定義說明
四種玻璃配置的傳熱系數Ucop的分析采用了LBNL的WINDOW軟件,版本為7.4。具體數值見表2。
表2:四種玻璃配置的傳熱系數Ucop
THERM的邊界條件設置參照了JGJ/T151-2008《建筑門窗幕墻熱工計算規程》,室外溫度取-20oC,室外表面換熱系數取16.0W/(m2*K)(圖13)。室內溫度取+20oC,室內表面換熱系數取3.6W/(m2*K)(圖14)。
圖13:室外邊界條件圖14:室內邊界條件
利用THERM將各個幕墻節點分別進行分析,得出該節點的框傳熱系數Uf和邊部傳熱系數Ueg值。由于篇幅限制,此處僅展示單元式幕墻明框立柱的節點分析,玻璃選用雙玻中空+冷邊+空氣的組合。(圖15、圖16)
圖15:U值分析結果
圖16:節點溫度圖
幕墻的分格假定為1.5m×3.0m(圖17)。
圖17:幕墻分格大樣圖
將THERM軟件計算得出的框傳熱系數Uf和邊部傳熱系數Ueg值與所對應的框面積Af和邊部面積Aeg,連同玻璃中心點傳熱系數Ucop及其面積Acop,通過上述公式進行計算,最終得到上述32種組合配置的幕墻傳熱系數Ucw(表3)
表3:32種組合配置的幕墻傳熱系數Ucw
此外,為說明問題,我們將Uf*Af+Ueg*Aeg定義為廣義的“框的傳熱”,Ucop*Acop定義為“玻璃的傳熱”。分別得到框架式和單元式幕墻的“框的傳熱”占整個幕墻傳熱的比例(表4、表5)
表4:框架式幕墻傳熱系數和框的傳熱比例
表5:單元式幕墻傳熱系數和框的傳熱比例
討論
通過觀察表3不難發現,要獲得更好的幕墻節能效果,可以通過不斷增加玻璃的配置實現。然而,觀察表4和表5,可以發現框架式幕墻系統中,“框的傳熱”約占整個幕墻的40%-50%;單元式幕墻系統中,“框的傳熱”則占整個幕墻的50%~60%,且“框的傳熱”所占比重隨著玻璃性能的不斷提高而提高。與此形成強烈反差的是,在本文的上述幕墻系統中,框的面積比僅為10~12%,這就好似玻璃幕墻熱工設計中的“二八法則”—占少數面積比的框實際上決定了整個幕墻傳熱系數的高低。
在有些實際工程中,框的面積比可能比本文的12%更大,框的傳熱往往占整個幕墻的一半以上,這時若一味增加玻璃的配置,相當于只抓次要矛盾而放棄了主要矛盾,其效果可謂事倍功半。此外,在我國北方寒冷地區,冬季室內外溫差大,雖然提高玻璃配置看似拉低了整個幕墻的傳熱系數,但忽視框的傳熱的重要性可能導致嚴重的結露問題。
事實上,由于框的面積比相當小,只要對框的斷熱冷橋設計進行優化,就能起到事半功倍的效果。例如針對解決幕墻熱冷橋問題,暖框科技公司有一款新型的幕墻暖框技術,通過在恰當部位設置幕墻隔熱毯,可將上述表5中“雙玻_暖邊_氬氣”組合中框的傳熱降低30%以上,整個幕墻的傳熱系數(幕墻U值)就能達到1.8W/(m2*K)以下,避免了三玻兩腔中空玻璃的使用,這對于幕墻的結構安全、設計自由度和造價成本都是非常有利的。此外,若幕墻節能標準進一步提高,假設將目前1.8W/(m2*K)的傳熱系數要求提高到1.4W/(m2*K),也只須將上述表5中“三玻_暖邊_氬氣”組合中框的傳熱降低30%,即可滿足要求。
綜上所述,隨著幕墻節能要求的提高,玻璃幕墻傳熱系數的“二八法則”對幕墻節能的影響愈發明顯。了解并掌握這一規律,幕墻熱工設計進行適當的優化,將對幕墻工程的各個方面都有十分正面的意義,同時也對中國幕墻節能標準制定和幕墻節能技術的研發方向提供了有價值的參考。
參考文獻:
《公共建筑節能設計標準》GB50189-2015
《民用建筑熱工設計規范》GB50176-1993
《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》JGJ/T151-2008
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