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        建筑幕墻節能設計技術要點

        來源:2020年會論文集  作者:劉忠偉  日期:2020-10-16
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            以《公共建筑節能設計標準》GB50189—2005實施為標志,中國建筑幕墻進入有節能設計要求時代。在此以前,我國的建筑幕墻是沒有節能設計的,玻璃幕墻通常采用單片玻璃,普通非斷橋鋁合金型材,石材和鋁板面板后面也沒有保溫巖棉。建筑幕墻設計只有一個要求,即安全。2005年7月1日之后,《公共建筑節能設計標準》GB 50189—2005開始實施,我國的建筑幕墻設計不但要滿足安全要求,同時也要滿足節能要求。因此建筑幕墻在設計上增加了許多新的概念,如玻璃幕墻傳染系數、遮陽系數,石材幕墻和鋁板幕墻傳熱系數等。盡管建筑幕墻節能設計已經實施十幾年,但行業內依然對某些節能要點存在模糊、甚至是錯誤的認知。本文現對建筑幕墻節能設計中重要且依然容易出錯的技術要點進行闡述。

          本篇文章內容由[中國幕墻網ALwindoor.com]編輯部整理發布:

          一、前言

          以《公共建筑節能設計標準》GB50189—2005實施為標志,中國建筑幕墻進入有節能設計要求時代。在此以前,我國的建筑幕墻是沒有節能設計的,玻璃幕墻通常采用單片玻璃,普通非斷橋鋁合金型材,石材和鋁板面板后面也沒有保溫巖棉。建筑幕墻設計只有一個要求,即安全。2005年7月1日之后,《公共建筑節能設計標準》GB 50189—2005開始實施,我國的建筑幕墻設計不但要滿足安全要求,同時也要滿足節能要求。因此建筑幕墻在設計上增加了許多新的概念,如玻璃幕墻傳染系數、遮陽系數(詞條“遮陽系數”由行業大百科提供)石材幕墻鋁板幕墻傳熱系數等。盡管建筑幕墻節能設計已經實施十幾年,但行業內依然對某些節能要點存在模糊、甚至是錯誤的認知。本文現對建筑幕墻節能設計中重要且依然容易出錯的技術要點進行闡述。

          二、透明幕墻和非透明幕墻

          建筑幕墻按面板可分為玻璃幕墻、石材幕墻、板幕墻、人造板(詞條“人造板”由行業大百科提供)幕墻等,按構造可分為單元式幕墻構件式幕墻雙層幕墻等。《公共建筑節能設計標準》GB50189—2005中又給出透明幕墻和非透明幕墻的概念。石材幕墻和鋁板幕墻屬于非透明幕墻是非常好理解的,但如果把玻璃幕墻一概認定為是透明幕墻就錯誤了,例如層間部位的玻璃幕墻就屬于非透明幕墻。工程中把層間部位的玻璃幕墻誤作為透明幕墻設計是有許多工程案例的,更有幕墻工程安裝完成,竣工驗收時遇到巨大障礙,甚至拆除。透明幕墻的傳熱系數要求低(傳入系數要求低,傳熱系數大),非透明幕墻的傳熱系數要求高(傳入系數要求高,傳熱系數小)。

          因此層間部位玻璃幕墻面板后面應設置保溫層,那種認為單純中空玻璃(詞條“中空玻璃”由行業大百科提供)都滿足熱工要求,層間部位中空(詞條“中空”由行業大百科提供)玻璃后面還有混凝土墻,更能滿足熱工要求的認知是錯誤,因為層間部位玻璃幕墻屬于非透明幕墻,傳熱系數要求高。這是錯誤認知之一。錯誤認知之二是將透明幕墻傳熱系數與非透明的傳熱系數按面積進行計權平均,得出建筑幕墻的傳熱系數,并以此作為幕墻熱工性能定級的依據。我國所有建筑熱工標準對透明幕墻和非透明幕墻的熱工性能都是分別給出要求和規范,并沒有對建筑幕墻進行整體規范。不同類型的透明幕墻在同一朝向允許按面積計權平均,非透明幕墻不允許按面積計權平均,每種非透明幕墻都必須滿足熱工要求。透明幕墻和非透明幕墻應按其熱工性能分別定級。

          二、采光頂傳熱系數

          玻璃是透明材料,其熱工參數之一是傳熱系數。中空玻璃傳熱系數不是定值,其大小與其空間取向有關。中空玻璃垂直水平面時其傳熱系數最小;中空玻璃與水平面平行時其傳熱系數最大,其原因與中空玻璃空氣腔的空氣對流(詞條“對流”由行業大百科提供)有關。通常玻璃生產企業給出的中空玻璃傳熱系數都是中空玻璃的最小值,作為幕墻或門窗玻璃使用是正確的,但如果作為采光頂玻璃,該傳熱系數就不準確了,其數值要大一些,具體數值應按《建筑玻璃應用技術規程》JGJ113計算得出。

          三、開縫石材幕墻

          石材幕墻有開縫和閉縫之分,石材板塊周邊不注膠為開縫,注膠為閉縫,兩種在裝飾效果和許多性能方面有差異。其他方面不計,單就其傳熱系數,兩者之間也不同。閉縫石材幕墻其熱阻從石材面板外表面計算到室內墻內表面,而開縫石材幕墻的熱阻應從石材面板后面保溫層外表面算起。不但石材板的熱阻不能計入,就是石材板和保溫層之間空氣的熱阻也不能計入,兩者計算結果差異較大。

          四、遮陽系數和傳熱系數的期望值

          玻璃幕墻的熱工性能采用遮陽系數和傳熱系數表征,石材幕墻和鋁板幕墻等非透明幕墻僅采用傳熱系數表征其熱工性能。如要最大限度地提高幕墻的熱工性能,遮陽系數和傳熱系數的期望值是什么呢?顯然玻璃幕墻的遮陽系數不是越小越好,因為隨著玻璃遮陽系數的降低一定伴隨著玻璃可見光(詞條“可見光”由行業大百科提供)透光率不同程度的下降。過小的玻璃可見光透過率不但會增加室內照明能耗,也會影響建筑室內舒適性。另外,玻璃幕墻遮陽系數夏季是正作用,會顯著降低建筑空調能耗,但冬季是負作用,會增加建筑的采暖能耗,因為冬季通過玻璃進入室內的陽光減少了。即便對于沒有采暖要求的地區,冬季盡可能多陽光進入室內也會增加舒適性。因此對于任何氣候分區,遮陽系數不是越小越好,滿足要求,適中才是其期望值。

          那么傳熱系數呢?他的期望值是什么?夏季,有制冷要求的建筑才有空調能耗。建筑空調只要啟動,室外即是熱端,室內即為冷端,既有熱量通過建筑幕墻自室外向室內傳遞,其大小與幕墻的傳熱系數成正比。傳熱系數越小,由室外通過幕墻傳入室內的熱量越少,空調能耗越小。冬季,有采暖要求的建筑才有采暖能耗。建筑采暖系統只要啟動,室外即是冷端,室內即為熱端,既有熱量通過建筑幕墻自室內向室外傳遞,其大小與幕墻的傳熱系數成正比。傳熱系數越小,由室內通過幕墻傳入室外的熱量越少,采暖能耗越小。因此,對于任何氣候分區,建筑幕墻的傳熱系數越小,節能效果越好。建筑幕墻的傳熱系數期望值應該是零,即絕熱最好。在實際工程設計中,還要考慮造價成本、可行性等多方面因素,建筑幕墻傳熱系數不可能取成零,但傳熱系數越低越節能是其期望的方向,因此對于任何氣候分區,不要試圖采用單片玻璃去替代中空玻璃而達到更節能的目的。

          五、玻璃遮陽系數和太陽得熱系數

          我國引入玻璃遮陽系數術語是在《建筑玻璃可見光透射比、太陽光直接透射比太陽能總透射比、紫外線透射比及有關玻璃參數的測定》GB/T 2680—1994中,該標準是參考ISO9050制訂的。由于當時國家沒有強調建筑節能,玻璃遮陽系數這一術語并未被人們所重視和熟知。2005年國家公布實施《公共建筑節能設計標準》GB 50189—2005,在該標準中規范了透明幕墻的遮陽系數限值,采用遮陽系數表征透明幕墻的太陽熱效應。

          自此透明幕墻遮陽系數這一術語逐漸為行業熟知和普遍接受。透明幕墻遮陽系數源自于玻璃遮陽系數,其定義為玻璃太陽光總透射比(詞條“太陽光總透射比”由行業大百科提供)與3mm透明玻璃太陽光總透射比理論值的比值。3mm透明玻璃太陽光總透射比理論值在《建筑玻璃可見光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比、紫外線透射比及有關窗玻璃參數的測定》GB/T 2680—1994中規定取0.889。

          2009年國家公布實施《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算工程》JGJ/T 151—2008,該標準是參照ISO15099、ISO10077、ISO10292、ISO9059制訂。在《建筑窗玻璃幕墻熱工計算工程》JGJ/T 151—2008標準中規定,3mm透明玻璃太陽光總透射比取0.87。由定義可知,玻璃太陽光總透射比是該玻璃物性參數,其大小具有絕對意義,而玻璃遮陽系數是其太陽光總透射比與3mm透明玻璃太陽光總透射比理論值的比值,具有相當意義,并且參照標準不同,3mm透明玻璃太陽光總透射比理論值取值不同,即同一塊玻璃,采用不同標準,其遮陽系數出現兩個數值,在有些情況下,采用《建筑玻璃可見光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比、紫外線透射比及有關窗玻璃參數的測定》GB/T 2680—1994得出的玻璃遮陽系數滿足工程設計要求,但同一塊玻璃,采用《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算工程》JGJ/T 151—2008標準得出的遮陽系數卻不滿足工程設計要求,造成應用上困惑和混亂。

          《公共建筑節能設計標準》GB 50189于2015年公布實施修訂版,在新版《公共建筑節能設計標準》GB 50189—2015中,摒棄了透明幕墻遮陽系數,采用太陽得熱系數(即太陽光總透射比)標準透明幕墻太陽光的熱效應。現階段,許多建筑幕墻相關熱工要求專業標準沒有修訂,透明幕墻仍然采用遮陽系數參數,但《公共建筑節能設計標準》GB 50189—2015設計要求,是綱領性標準,建筑幕墻熱工性能必須滿足其要求,因此工程設計中應明確透明幕墻遮陽系數和太陽得熱系數的對應換算關系。

          六、雙層玻璃幕墻的熱工性能

          雙層玻璃幕墻最大的優點就表現在熱工性能上,分歧最大的也在熱工性能上。雙層幕墻有明顯的溫室效應,顧名思義,溫室效應即是雙層幕墻通道能形成熱屏蔽,冬季能阻止室內的熱量流向室外,夏季能阻止室外的熱量流向室內,使得室內處于較恒定的熱環境中。雙層幕墻的溫室效應共有三種表現形式:

          其一是在炎熱的夏季,雙層幕墻中通道里的進氣口和出氣口全部打開,由于煙窗效應,空氣將在通道中自下而上的運行,在空氣運行過程中,將通道內的熱量帶出通道,使得內層幕墻處于較低的溫度環境中,阻止了熱量由室外流向室內,這是雙層通道幕墻溫室效應的表現形式之一。但是這種溫室效應是動態的、隨機的,只能定性描述,目前還無法定量計算,即使采用計算軟件模擬計算,其結果的準確性也不好評價。

          其二是在冬季,雙層幕墻通道里的進氣口和出氣口全部關閉,通道中的空氣靜止,在陽光的照射下,通道中的空氣將有較大的溫升,使得內層幕墻處于較高的溫度環境中,阻止了熱量由室內流向室外,這是雙層通道幕墻溫室效應的表現形式之二。但是這種溫室效應是動態的、隨機的,只能定性描述,目前還無法定量計算,即使采用計算軟件模擬計算,其結果的準確性也不好評價。

          在夏季,如果雙層幕墻內的空氣不能及時的將通道內的熱量帶走,通道內的溫度就會逐漸升高,通常會達到50—60度,甚至更高,這也是認為雙層幕墻不節能看法形成的基礎。但認為雙層幕墻節能的看法剛好相反,認為即使雙層幕墻通道內空氣不循環,雙層幕墻也是節能的,而且通道內溫度越高,節能效果越好,因為它把原本應該進入室內的太陽輻射熱留在了通道內,并將其中的一部分傳到室外,其結果是進入室內的太陽輻射熱減少。同時,由于雙層幕墻通道內溫度較高,甚至會超過室外空氣溫度,在此情況下,原本環境熱量應該由室外傳向室內,現在變為通道內的熱量由通道傳向室外,環境熱量不能進入室內,即雙層幕墻的通道形成了熱位壘,室外熱量無法穿越。

          其三是雙層幕墻的傳熱系數比單層幕墻的傳熱系數降低很多,阻止了室內外環境熱量的交換,這是雙層幕墻溫室效應的表現形式之三。

          在溫暖的春季和秋季,室內既不必采暖,也不必制冷,因此不涉及耗能問題,也就談不上節能問題,耗能和節能是針對寒冷的冬季和炎熱的夏季的。雙層幕墻由于其傳熱系數比單層幕墻的傳熱系數低,空氣滲透性能比單層幕墻優良,因此雙層幕墻比單層幕墻節能。

          在夏季,雙層幕墻的遮陽系數比單層幕墻的遮陽系數小,降低了夏季環境制冷的能耗,效果極為明顯。需要說明的是,由于雙層幕墻設計時往往在通道中設置遮陽系統,使得雙層幕墻的遮陽效果更好。

          雙層玻璃幕墻在節能機理上與中空玻璃、雙層玻璃窗是相同的。今天已經不再有人懷疑中空玻璃和雙層玻璃窗的節能效果,因此雙層玻璃幕墻的節能效果也一定會被逐漸接受。

          七、結束語

          建筑幕墻節能是永恒的主題,不會朝令夕改,只會要求越來越高,因此清晰認識建筑幕墻節能要點,準確把握行業節能發展技術與方向是極為重要的。

          參考文獻:

          【1】《公共建筑節能設計標準》GB50189;

          【2】《建筑玻璃應用技術規程》JGJ 113;

          【3】《建筑玻璃可見光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比、紫外線透射比及有關窗玻璃參數的測定》GB/T 2680;

          【4】《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算工程》JGJ/T 151。

        作者單位:北京中新方建筑科技研究中心

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        專家介紹

         劉忠偉

        鋁門窗幕墻委員會專家組

        工作單位:北京中新方建筑科技研究中心

        技術職稱:教授級高級工程師,工學博士

        專業:1.建筑幕墻設計與計算。 2.建筑幕墻應用技術咨詢;《建筑玻璃應用技術規程》JGJ113主編。

        專長:建筑玻璃應用科學與技術、建筑物理、建筑節能、建筑幕墻、門窗等專業的設計與研究。

        原文地址:http://www.52mqw.com/info/2020-10-16/47620-1.htm
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