节能型建筑幕墙的构造设计(二)

2022-05-12 0 2

4非透明幕墙节能设计分析


4.1玻璃幕墙组成的非透明幕墙


  以常见的楼层结构梁处非透明玻璃幕墙为例。楼层高度为3.6米,非透明部分的高度为1.2米,分格宽度1.2米。钢筋混凝土结构梁宽度300mm高度500mm;楼板上反梁高度300mm,宽度200mm。如图1、图2所示。


节能型建筑幕墙的构造设计(二)


图1 非透明幕墙分格剖面图(层高3600,非透明幕墙部分高度1200)


节能型建筑幕墙的构造设计(二)


图2 节能的非透明玻璃幕墙构造


节能型建筑幕墙的构造设计(二)


图3 不节能的非透明玻璃幕墙构造


以夏热冬暖地区为例,非透明幕墙的传热系数要求为K≤1.5 W/(m2・K),玻璃选用6mm钢化玻璃,保温棉选用40mm厚岩棉。根据《民用建筑热工设计规范》GB50176-93,其热工简化计算如下:


  玻璃幕墙部分热阻(以一个分格计算):


  铝框部分面积 A框=1.2×1.2-1.128×1.128=0.168m2
  玻璃部分面积 A玻=1.128×1.128 =1.272 m2
  玻璃热阻 R玻=δ/λ=0.006/0.76=0.008(m2・K) / W
  铝框热阻 R框 = 0.10 (m2・K)/ W
  玻璃幕墙部分(按面积加权)热阻 R1= ( R玻A玻+ R框A框 )/ ( A玻+ A框 ) =(0.008×1.272+0.10×0.168)/(1.272+0.168)= 0.0187 (m2・K) /W (1)
封闭空气层部分热阻 (GB50176-93 附表2.4):
  冬季R空 = 0.18 (m2・K)/ W 夏季R空 = 0.15 (m2・K)/ W (2)


  墙体部分热阻:
  结构梁部分热阻 R梁1=δ/λ= 0.30/1.74 = 0.172(m2・K) / W
  反梁部分热阻 R梁2=δ/λ= 0.20/1.74 = 0.115(m2・K) / W
  保温棉部分热阻 R棉 =δ/λ= 0.04/0.050 = 0.800(m2・K) / W
  墙体部分(按面积加权) 热阻 R2= ( R梁1A 梁1+ R梁2A 梁2 + R棉A棉)/ ( A梁1+ A梁2 + A棉)=(0.172×0.500+0.115×0.300+0.800×0.400)/(0.500+0.300+0.400)= 0.367(m2・K) / W (3)


  由(1)(2)(3),根据GB50176-93公式附2.2和附2.4,非透明幕墙传热阻:


  冬季R0= Ri + R1+ R空+ R2+Re =0.11+0.0187+0.18+0.367+0.04=0.716 (m2・K) / W


  此非透明幕墙的传热系数(冬季)为:
  K=1/ R0 =1/0.716=1.397W/(m2・K) ≤1.5 W/(m2・K) (4)
  夏季R0= Ri + R1+ R空+ R2+Re = 0.11+0.0187+0.15+0.367+0.05 =0.696(m2・K) / W


  此非透明幕墙的传热系数(夏季)为:
  K=1/ R0 =1/0.696 =1.437W/(m2・K) ≤1.5 W/(m2・K) (5)


  由(4)(5)表明,6mm厚单层玻璃及40mm厚保温棉的构造能满足夏热冬暖地区的节能要求。


  采取同样的计算方法,该种非透明幕墙的构造适宜的气候地区域构造列表如表7。



表7 示例非透明幕墙构造与适宜区域列表[K单位:W/(m2・K)]































































































玻璃
铝型材
保温棉厚度
传热系数K(冬季)
传热系数K(夏季)
适合地区
6mm 单层
普通
40mm
1.397
1.437
夏热冬暖
6+9+6中空
断热
20mm
1.426
1.468
夏热冬暖
6mm 单层
普通
90mm
0.953
0.972
夏热冬冷
6+9+6中空
断热
70mm
0.966
0.986
夏热冬冷
6mm 单层
断热
190mm
0.581
0.588
寒冷地区
6+9+6中空
断热
170mm
0.588
0.595
寒冷地区
6mm 单层
断热
240mm
0.487
0.491
严寒B区
6+9+6中空
断热
220mm
0.491
0.496
严寒B区
6mm 单层
断热
280mm
0.431
0.434
严寒A区
6+9+6中空
断热
260mm
0.435
0.438
严寒A区
6mm 单层
断热
310mm
0.397
0.400
严寒A区
6+9+6中空
断热
300mm
0.389
0.392
严寒A区

从计算与列表可以看出:


  1. 玻璃幕墙部分的传热阻约为非透明部分(墙体)的5%,是封闭空气层的10%,封闭空气层的宽度超过60mm后对热阻的影响不大(计算取值不变),因而提高非透明玻璃幕墙热阻的办法应重点考虑提高玻璃幕墙后置墙体(保温板)的热阻。


  2. 单层玻璃完全能满足不同气候区域对玻璃幕墙组成的非透明幕墙的热工要求。


  3. 铝框因所占的面积比例较小,因而对非透明幕墙的传热系数影响不大,但寒冷与严寒地区因采暖时间长,为避免型材表面结露结霜,应选用断热型材。


  4. 从构造上看,热阻的计算将玻璃幕墙、封闭空气层和墙体作为多层围护结构来考虑,所以空气层必须封闭。如图3示。当空气层不封闭时,透过玻璃幕墙的热量直接与室内空气层直接进行交换,墙体对热量的阻挡会有很大程度的降低,而达不到节能要求。


4.2铝板幕墙组成的非透明幕墙


节能型建筑幕墙的构造设计(二) 
图4 非透明幕墙——铝板幕墙


节能型建筑幕墙的构造设计(二)


图5 非透明幕墙—-石材幕墙


以3mm单层铝板幕墙为例,节点构造如图4。保温棉为20mm厚岩棉加单层铝箔、后置墙体为120mm厚重砂浆砌筑粘土砖砌体,铝板幕墙与墙体间封闭空气层为100mm 。


  本非透明幕墙围护结构的隔热层依次为单层铝板、保温棉、封闭空气层、墙体。根据GB50176-93,热工计算如下:


  铝板热阻 R铝=δ/λ =0.003/203 =0.000015(m2・K) / W
  保温棉热阻 R棉=δ/λ =0.020/0.05=0.40 (m2・K) / W
  铝板幕墙部分热阻 R幕= R铝+ R棉 = 0.60 (m2・K) / W (6)


  封闭空气层部分热阻 (GB50176-93 附表2.4):
  冬季R空 = 0.50 (m2・K)/ W 夏季R空 = 0.37 (m2・K)/ W (7)
  墙体部分热阻 R墙= 0.12/0.81 =0.148 (m2・K)/ W (8)


  由(6)(7)(8)根据GB50176-93公式附2.2和附2.4,计算本非透明幕墙传热阻:


  冬季R0= Ri + R幕+ R空+ R墙+Re =0.11+0.40+0.50+0.148+0.04=1.198 (m2・K) / W


  此非透明幕墙的传热系数(冬季)为:
  K=1/ R0 =1/1.198 =0.835W/(m2・K) ≤1.0 W/(m2・K) (9)
  夏季R0= Ri + R幕+ R空+ R墙+Re =0.11+0.40+0.37+0.148+0.05=1.078 (m2・K) / W


  此非透明幕墙的传热系数(夏季)为:
  K=1/ R0 =1/1.078=0.928W/(m2・K) ≤1.0 W/(m2・K) (10)


  由(9)(10)表明此非透明幕墙(铝板幕墙)能满足夏热冬暖地区节能设计要求。


  采取同样的计算方式,该节点构造适宜的气候地区域构造列表如表8:



表8 示例铝板幕墙构造与适宜区域列表[K单位:W/(m2・K)]







































保温棉厚度
传热系数(冬季)
传热系数(夏季)
适合地区
0*
1.253
1.475
夏热冬暖
20mm
0.835
0.928
夏热冬冷
50mm
0.556
0.596
寒冷地区
70mm
0.455
0.481
严寒B区
80mm
0.439
0.417
严寒A区
95mm
0.371
0.388
严寒A区

说明:保温棉厚度为0是指热阻计算时仅取空气层为单面铝箔的封闭空气层,保温棉未予考虑。无铝箔时冬季和夏季的K值分别为2.09 W/(m2・K)与2.18 W/(m2・K),不能达到节能要求。
从计算与列表可以看出:


  1. 铝板是热的良导体,其热阻可忽略不计。铝板幕墙的热阻取决于其后面的保温衬里材料。


  2. 铝板幕墙作为非透明幕墙,采用合理的构造能满足不同气候区域的节能要求。


  3. 即使在夏热冬暖地区,铝板幕墙如不加衬保温材料也不能满足节能要求。


  4. 从计算模型来看,铝板幕墙与墙体间的空气层应保证封闭。


  实际工程中,当铝板幕墙后无后置墙体时,可通过加厚衬里保温棉的方法达到所在气候区域的节能要求,保温棉的厚度计算列表如表9。



表9 无后置墙体时,铝板后衬保温棉厚度列表[K单位:W/(m2・K)]







































保温棉厚度
传热系数(冬季)
传热系数(夏季)
适合地区
30mm
1.333
1.316
夏热冬暖
45mm
0.952
0.943
夏热冬冷
80mm
0.571
0.568
寒冷地区
95mm
0.488
0.485
严寒B区
105mm
0.444
0.442
严寒A区
120mm
0.392
0.391
严寒A区

如果铝板幕墙后置墙体的传热系数能达到一定的数值,铝板后可不加衬保温材料。无需加衬保温棉的情况,墙体传热系数K要求,如表10。



表10 无保温棉时后置墙体的传热系数要求[K单位:W/(m2・K)]
































后置墙体传热系数要求
非透明幕墙传热系数
适合地区
≤1.93
1.5
夏热冬暖
≤1.18
1.0
夏热冬冷
≤0.66
0.6
寒冷地区
≤0.54
0.5
严寒B区
≤0.48
0.45
严寒A区
≤0.42
0.4
严寒A区

4.3石材幕墙组成的非透明幕墙


  以30mm石材幕墙为例,节点构造如图5。石材后加衬50mm厚保温棉、石材幕墙后置墙体为200mm厚重砂浆砌筑粘土砖砌体,石材与保温棉间为120厚空气层,保温棉与墙体间封闭空气层为100mm。


  本非透明幕墙围护结构的隔热层依次为石材、封闭空气层、保温棉、封闭空气层、墙体。根据GB50176-93,热工计算如下:


  花岗石板热阻 R石 =δ/λ= 0.03/3.49 =0.0086(m2・K) / W
  保温棉热阻 R棉 =δ/λ =0.050/0.05 =1.0(m2・K)/ W
  墙体部分热阻 R墙=δ/λ =0.20/0.81=0.247 (m2・K) / W
  冬季传热阻为: R0= Ri + R石+ R空+ R 棉+ R空+ R墙+Re =0.11+0.0086+0.18+1.0+0.18+0.247+0.04 =1.77(m2・K) / W
  此非透明幕墙传热系数(冬季)
  K=1/ R0=1/1.77=0.566W/(m2・K) ≤0.6 W/(m2・K) (11)
  夏季传热阻为: R0= Ri + R+ R 棉+ R空+ R墙+Re =0.11+0.0086+0.18+1.0+0.18+0.247+0.05=1.72(m2・K) / W


  此非透明幕墙传热系数(夏季)
  K=1/ R0=1/1.72=0.583W/(m2・K) ≤0.6 W/(m2・K) (12)
由(11)(12)可知此石材幕墙可以达到寒冷地区的节能要求。


  采取同样的方法计算,适合不同气候区域的类似构造石材幕墙的保温棉厚度如表11。



表11 示例石材幕墙构造适合区域列表[K单位:W/(m2・K)]







































保温棉厚度
传热系数(冬季)
传热系数(夏季)
适合地区
0*
1.306
1.398
夏热冬暖
15mm
0.939
0.985
夏热冬冷
50mm
0.566
0.583
寒冷地区
65mm
0.484
0.496
严寒B区
80mm
0.423
0.432
严寒A区
90mm
0.390
0.398
严寒A区

说明:保温棉厚度为0时,计算仍取有两个封闭空气间层的数据,实际应用需有挡板。如无隔开的两个空气层时冬季和夏季的K值分别为1.708W/(m2・K)和 1.768W/(m2・K),不能满足夏热冬暖地区的节能要求。


  如石材幕墙后无后置墙体,采用增加保温棉厚度来达到节能要求时,保温棉厚度可参照表12选取。



表12 无后置墙体时石材后衬保温棉厚度列表[K单位:W/(m2・K)]







































保温棉厚度
传热系数(冬季)
传热系数(夏季)
适合地区
20mm
1.354
1.392
夏热冬暖
35mm
0.963
0.982
夏热冬冷
70mm
0.575
0.582
寒冷地区
85mm
0.491
0.495
严寒B区
100mm
0.428
0.431
严寒A区
110mm
0.394
0.397
严寒A区

5透明幕墙节能设计分析


  透明幕墙从目前的应用来看主要指玻璃幕墙,玻璃幕墙中玻璃与铝框面积相比,玻璃所占比例远大于铝框。因此,从控制得热与传热来讲,玻璃幕墙的节能设计重点在玻璃的选择上。一般建筑玻璃的选用会直接关系到建筑效果,所以在幕墙设计选用建筑玻璃时,一方面要注意其热工性能,另一方面需与建筑师充分沟通协商。


  表征玻璃热工性能的指标有遮阳系数Sc和传热系数U。遮阳系数直接反映玻璃对阳光的遮阳效果,它体现的是玻璃的隔热性能,Sc值越低反映其隔热性能越好。传热系数反映玻璃温差的传热特性,它体现的是玻璃的保温性能,U值越低表明其保温性能越好。以保温为主的严寒地区、寒冷地区应选用传热系数较小的玻璃产品;夏热冬暖地区以隔热为主,应选用遮阳系数较小的玻璃产品。


  常用玻璃的热工性能参数见表13。中空玻璃充氩气后传热系数可降低0.2~0.3 W/(m2・K)。着色玻璃的遮阳系数一般为0.55~0.85,阳光控制镀膜玻璃的遮阳系数一般为0.25~0.55,双银LOW-E中空玻璃的遮阳系数一般为0.30~0.60。



表13 常用玻璃的热工性能参数






















玻璃类型
普通单层玻璃
9mm 厚空气层的
普通中空玻璃
12mm 厚空气层的
普通中空玻璃
12mm 厚空气层的
中空LOW-E玻璃
传热系数
W/(m2.K)
5.8~6.4
3.2~3.5
2.8~3.2
1.6~1.8
遮阳系数
0.3~0.9
0.2~0.8
0.2~0.8
0.25~0.6

6.结束语


  《公共建筑节能设计标准》的颁布与实施,对建筑幕墙的节能设计提出了明确的要求,但如何正确地把握和执行标准,需要我们对它进行全面地理解。经过上述简单的构造设计分析,可以总结出在幕墙的节能设计时应注意如下几点:


  1. 建筑幕墙的节能构造设计应与项目所在的地理气候条件紧密地结合起来,合理地选用材料。节能型幕墙并不一定都要使用“节能”材料,选用“节能”材料如果构造设计不当同样也不能建造出节能型幕墙。


  2. 建筑幕墙的节能构造设计要与外围护结构传热计算模型相一致,如封闭空气层的设置,玻璃幕墙后非透明墙体的处理等都直接影响到节能效果。


  3. 普通的建筑幕墙通过构造上的设计完善,完全可以满足不同地理气候区域的节能要求。


    参 考 文 献


[1] 公共建筑节能设计标准(GB50189-2005).中国建筑工业出版社,2005.


[2] 公共建筑节能设计标准宣贯辅导教材.中国建筑工业出版社,2005.


[3] 涂逢祥主编.节能窗技术.中国建筑工业出版社,2003.


[4] 民用建筑热工设计规范(GB50176-93).中国建筑工业出版社,1993.


[5] 张芹.玻璃幕墙如何贯彻执行公共建筑节能设计标准.门窗幕墙信息.2005.9

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