建筑幕墙节能设计技术要点

来源:2020年会论文集 查看原文  时间:2020-10-16

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  一、前言

  以《公共建筑节能设计标准》GB50189—2005实施为标志,中国建筑幕墙进入有节能设计要求时代。在此以前,我国的建筑幕墙是没有节能设计的,玻璃幕墙通常采用单片玻璃,普通非断桥铝合金型材,石材和铝板面板后面也没有保温岩棉。建筑幕墙设计只有一个要求,即安全。2005年7月1日之后,《公共建筑节能设计标准》GB 50189—2005开始实施,我国的建筑幕墙设计不但要满足安全要求,同时也要满足节能要求。因此建筑幕墙在设计上增加了许多新的概念,如玻璃幕墙传染系数、遮阳系数,石材幕墙和铝板幕墙传热系数等。尽管建筑幕墙节能设计已经实施十几年,但行业内依然对某些节能要点存在模糊、甚至是错误的认知。本文现对建筑幕墙节能设计中重要且依然容易出错的技术要点进行阐述。

  二、透明幕墙和非透明幕墙

  建筑幕墙按面板可分为玻璃幕墙、石材幕墙、铝板幕墙、人造板幕墙等,按构造可分为单元式幕墙、构件式幕墙、双层幕墙等。《公共建筑节能设计标准》GB50189—2005中又给出透明幕墙和非透明幕墙的概念。石材幕墙和铝板幕墙属于非透明幕墙是非常好理解的,但如果把玻璃幕墙一概认定为是透明幕墙就错误了,例如层间部位的玻璃幕墙就属于非透明幕墙。工程中把层间部位的玻璃幕墙误作为透明幕墙设计是有许多工程案例的,更有幕墙工程安装完成,竣工验收时遇到巨大障碍,甚至拆除。透明幕墙的传热系数要求低(传入系数要求低,传热系数大),非透明幕墙的传热系数要求高(传入系数要求高,传热系数小)。

  因此层间部位玻璃幕墙面板后面应设置保温层,那种认为单纯中空玻璃都满足热工要求,层间部位中空玻璃后面还有混凝土墙,更能满足热工要求的认知是错误,因为层间部位玻璃幕墙属于非透明幕墙,传热系数要求高。这是错误认知之一。错误认知之二是将透明幕墙传热系数与非透明的传热系数按面积进行计权平均,得出建筑幕墙的传热系数,并以此作为幕墙热工性能定级的依据。我国所有建筑热工标准对透明幕墙和非透明幕墙的热工性能都是分别给出要求和规范,并没有对建筑幕墙进行整体规范。不同类型的透明幕墙在同一朝向允许按面积计权平均,非透明幕墙不允许按面积计权平均,每种非透明幕墙都必须满足热工要求。透明幕墙和非透明幕墙应按其热工性能分别定级。

  二、采光顶传热系数

  玻璃是透明材料,其热工参数之一是传热系数。中空玻璃传热系数不是定值,其大小与其空间取向有关。中空玻璃垂直水平面时其传热系数最小;中空玻璃与水平面平行时其传热系数最大,其原因与中空玻璃空气腔的空气对流有关。通常玻璃生产企业给出的中空玻璃传热系数都是中空玻璃的最小值,作为幕墙或门窗玻璃使用是正确的,但如果作为采光顶玻璃,该传热系数就不准确了,其数值要大一些,具体数值应按《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113计算得出。

  三、开缝石材幕墙

  石材幕墙有开缝和闭缝之分,石材板块周边不注胶为开缝,注胶为闭缝,两种在装饰效果和许多性能方面有差异。其他方面不计,单就其传热系数,两者之间也不同。闭缝石材幕墙其热阻从石材面板外表面计算到室内墙内表面,而开缝石材幕墙的热阻应从石材面板后面保温层外表面算起。不但石材板的热阻不能计入,就是石材板和保温层之间空气的热阻也不能计入,两者计算结果差异较大。

  四、遮阳系数和传热系数的期望值

  玻璃幕墙的热工性能采用遮阳系数和传热系数表征,石材幕墙和铝板幕墙等非透明幕墙仅采用传热系数表征其热工性能。如要最大限度地提高幕墙的热工性能,遮阳系数和传热系数的期望值是什么呢?显然玻璃幕墙的遮阳系数不是越小越好,因为随着玻璃遮阳系数的降低一定伴随着玻璃可见光透光率不同程度的下降。过小的玻璃可见光透过率不但会增加室内照明能耗,也会影响建筑室内舒适性。另外,玻璃幕墙遮阳系数夏季是正作用,会显著降低建筑空调能耗,但冬季是负作用,会增加建筑的采暖能耗,因为冬季通过玻璃进入室内的阳光减少了。即便对于没有采暖要求的地区,冬季尽可能多阳光进入室内也会增加舒适性。因此对于任何气候分区,遮阳系数不是越小越好,满足要求,适中才是其期望值。

  那么传热系数呢?他的期望值是什么?夏季,有制冷要求的建筑才有空调能耗。建筑空调只要启动,室外即是热端,室内即为冷端,既有热量通过建筑幕墙自室外向室内传递,其大小与幕墙的传热系数成正比。传热系数越小,由室外通过幕墙传入室内的热量越少,空调能耗越小。冬季,有采暖要求的建筑才有采暖能耗。建筑采暖系统只要启动,室外即是冷端,室内即为热端,既有热量通过建筑幕墙自室内向室外传递,其大小与幕墙的传热系数成正比。传热系数越小,由室内通过幕墙传入室外的热量越少,采暖能耗越小。因此,对于任何气候分区,建筑幕墙的传热系数越小,节能效果越好。建筑幕墙的传热系数期望值应该是零,即绝热最好。在实际工程设计中,还要考虑造价成本、可行性等多方面因素,建筑幕墙传热系数不可能取成零,但传热系数越低越节能是其期望的方向,因此对于任何气候分区,不要试图采用单片玻璃去替代中空玻璃而达到更节能的目的。

  五、玻璃遮阳系数和太阳得热系数

  我国引入玻璃遮阳系数术语是在《建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》GB/T 2680—1994中,该标准是参考ISO9050制订的。由于当时国家没有强调建筑节能,玻璃遮阳系数这一术语并未被人们所重视和熟知。2005年国家公布实施《公共建筑节能设计标准》GB 50189—2005,在该标准中规范了透明幕墙的遮阳系数限值,采用遮阳系数表征透明幕墙的太阳热效应。

  自此透明幕墙遮阳系数这一术语逐渐为行业熟知和普遍接受。透明幕墙遮阳系数源自于玻璃遮阳系数,其定义为玻璃太阳光总透射比与3mm透明玻璃太阳光总透射比理论值的比值。3mm透明玻璃太阳光总透射比理论值在《建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》GB/T 2680—1994中规定取0.889。

  2009年国家公布实施《建筑门窗玻璃幕墙热工计算工程》JGJ/T 151—2008,该标准是参照ISO15099、ISO10077、ISO10292、ISO9059制订。在《建筑门窗玻璃幕墙热工计算工程》JGJ/T 151—2008标准中规定,3mm透明玻璃太阳光总透射比取0.87。由定义可知,玻璃太阳光总透射比是该玻璃物性参数,其大小具有绝对意义,而玻璃遮阳系数是其太阳光总透射比与3mm透明玻璃太阳光总透射比理论值的比值,具有相当意义,并且参照标准不同,3mm透明玻璃太阳光总透射比理论值取值不同,即同一块玻璃,采用不同标准,其遮阳系数出现两个数值,在有些情况下,采用《建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》GB/T 2680—1994得出的玻璃遮阳系数满足工程设计要求,但同一块玻璃,采用《建筑门窗玻璃幕墙热工计算工程》JGJ/T 151—2008标准得出的遮阳系数却不满足工程设计要求,造成应用上困惑和混乱。

  《公共建筑节能设计标准》GB 50189于2015年公布实施修订版,在新版《公共建筑节能设计标准》GB 50189—2015中,摒弃了透明幕墙遮阳系数,采用太阳得热系数(即太阳光总透射比)标准透明幕墙太阳光的热效应。现阶段,许多建筑幕墙相关热工要求专业标准没有修订,透明幕墙仍然采用遮阳系数参数,但《公共建筑节能设计标准》GB 50189—2015设计要求,是纲领性标准,建筑幕墙热工性能必须满足其要求,因此工程设计中应明确透明幕墙遮阳系数和太阳得热系数的对应换算关系。

  六、双层玻璃幕墙的热工性能

  双层玻璃幕墙最大的优点就表现在热工性能上,分歧最大的也在热工性能上。双层幕墙有明显的温室效应,顾名思义,温室效应即是双层幕墙通道能形成热屏蔽,冬季能阻止室内的热量流向室外,夏季能阻止室外的热量流向室内,使得室内处于较恒定的热环境中。双层幕墙的温室效应共有三种表现形式:

  其一是在炎热的夏季,双层幕墙中通道里的进气口和出气口全部打开,由于烟窗效应,空气将在通道中自下而上的运行,在空气运行过程中,将通道内的热量带出通道,使得内层幕墙处于较低的温度环境中,阻止了热量由室外流向室内,这是双层通道幕墙温室效应的表现形式之一。但是这种温室效应是动态的、随机的,只能定性描述,目前还无法定量计算,即使采用计算软件模拟计算,其结果的准确性也不好评价。

  其二是在冬季,双层幕墙通道里的进气口和出气口全部关闭,通道中的空气静止,在阳光的照射下,通道中的空气将有较大的温升,使得内层幕墙处于较高的温度环境中,阻止了热量由室内流向室外,这是双层通道幕墙温室效应的表现形式之二。但是这种温室效应是动态的、随机的,只能定性描述,目前还无法定量计算,即使采用计算软件模拟计算,其结果的准确性也不好评价。

  在夏季,如果双层幕墙内的空气不能及时的将通道内的热量带走,通道内的温度就会逐渐升高,通常会达到50—60度,甚至更高,这也是认为双层幕墙不节能看法形成的基础。但认为双层幕墙节能的看法刚好相反,认为即使双层幕墙通道内空气不循环,双层幕墙也是节能的,而且通道内温度越高,节能效果越好,因为它把原本应该进入室内的太阳辐射热留在了通道内,并将其中的一部分传到室外,其结果是进入室内的太阳辐射热减少。同时,由于双层幕墙通道内温度较高,甚至会超过室外空气温度,在此情况下,原本环境热量应该由室外传向室内,现在变为通道内的热量由通道传向室外,环境热量不能进入室内,即双层幕墙的通道形成了热位垒,室外热量无法穿越。

  其三是双层幕墙的传热系数比单层幕墙的传热系数降低很多,阻止了室内外环境热量的交换,这是双层幕墙温室效应的表现形式之三。

  在温暖的春季和秋季,室内既不必采暖,也不必制冷,因此不涉及耗能问题,也就谈不上节能问题,耗能和节能是针对寒冷的冬季和炎热的夏季的。双层幕墙由于其传热系数比单层幕墙的传热系数低,空气渗透性能比单层幕墙优良,因此双层幕墙比单层幕墙节能。

  在夏季,双层幕墙的遮阳系数比单层幕墙的遮阳系数小,降低了夏季环境制冷的能耗,效果极为明显。需要说明的是,由于双层幕墙设计时往往在通道中设置遮阳系统,使得双层幕墙的遮阳效果更好。

  双层玻璃幕墙在节能机理上与中空玻璃、双层玻璃窗是相同的。今天已经不再有人怀疑中空玻璃和双层玻璃窗的节能效果,因此双层玻璃幕墙的节能效果也一定会被逐渐接受。

  七、结束语

  建筑幕墙节能是永恒的主题,不会朝令夕改,只会要求越来越高,因此清晰认识建筑幕墙节能要点,准确把握行业节能发展技术与方向是极为重要的。

  参考文献:

  【1】《公共建筑节能设计标准》GB50189;

  【2】《建筑玻璃应用技术规程》JGJ 113;

  【3】《建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》GB/T 2680;

  【4】《建筑门窗玻璃幕墙热工计算工程》JGJ/T 151。

作者单位:北京中新方建筑科技研究中心


专家介绍

刘忠伟
铝门窗幕墙委员会专家组
工作单位:北京中新方建筑科技研究中心
技术职称:教授级高级工程师,工学博士
专业:1.建筑幕墙设计与计算。 2.建筑幕墙应用技术咨询;《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113主编。
专长:建筑玻璃应用科学与技术、建筑物理、建筑节能、建筑幕墙、门窗等专业的设计与研究。

  作者:刘忠伟
来源:2020年会论文集
 
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