全球建筑幕墙节能设计中的二八法则_暖框

摘要：本文量化分析了国内各类常用玻璃幕墙系统的传热系数,并通过展示框的传热与整个幕墙传热的比例,揭示了玻璃幕墙传热系数的“二八法则”,并且介绍了该法则对幕墙节能设计的影响。

  [摘要] 本文量化分析了国内各类常用玻璃幕墙系统的传热系数,并通过展示框的传热与整个幕墙传热的比例,揭示了玻璃幕墙传热系数的“二八法则”,并且介绍了该法则对幕墙节能设计的影响。

  [关键词] 建筑节能 幕墙设计 玻璃幕墙 幕墙热冷桥 幕墙U值 结露 热工设计和计算 框的传热 暖框技术

  Abstract] The paper quantifies and analyses the thermal transmittance coefficient of all common curtain wall systems. By showing the thermal transferring ratio of frame and entire facade, it also reveals the 80/20 rule in thermal transferring in curtain wall and states the impact on the energy efficiency of facade.

  [Key Words] Building energy efficiency, curtain wall, facade design, thermal bridging, U-value, condensation, thermal design and engineering, frame thermal transmittance, warmframe technology

  前言

  我国的建筑节能设计标准不断提高,《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005版标准的节能目标为50%,而2015年新版标准的节能目标提高到了65%,这就对玻璃幕墙的隔热性能提出了更为严格的要求。以北京和上海为例,旧版设计标准对透明幕墙的传热系数要求为2,2W/(m2*K),而新版设计标准的要求则提高到了1.8W/(m2*K)。为满足新标准下的幕墙节能要求,除传统的断热冷桥铝型材外,近几年越来越多的玻璃幕墙工程用到高性能三银Low-e镀膜、玻璃中空层填充惰性气体、三玻两腔双中空玻璃、中空玻璃暖边间隔条等技术。

  值得注意的是玻璃幕墙的节能效率是由两方面因素决定的,即玻璃幕墙最主要的两大构件—玻璃和框,在玻璃的节能技术创新持续快速发展的同时,框的节能技术却显得相对滞后。我们知道欧洲的幕墙节能要求普遍较高,通常的幕墙传热系数一般在1.1~1.4 W/(m2*K),观察他们的幕墙系统(图1),可以发现除了普遍采用的三玻两腔中空玻璃外,框的断热冷桥构造相比我们国内常用的(图2)要复杂,其隔热性能也相对较高。然而,在国内照搬欧洲的幕墙系统显然是不现实的,这其中有包括设计规范、适用区域、结构安全、设计自由度、造价成本、生产能力和质量控制等在内的各方面因素需要权衡和考虑。不过,有一点可以肯定,那就是框的断热冷桥设计在幕墙节能要求不断提高的大背景下,其重要性将越来越显现,它的好坏不仅影响幕墙的传热系数(幕墙U值)的高低,更是关系到幕墙否发生结露的关键因素。

  图1: 欧洲的明框幕墙立柱         图2: 国内的明框幕墙立柱

  本文将展示各类常用幕墙系统中玻璃和框的传热在整个幕墙中的所占比例,并尝试通过这些数据揭示玻璃幕墙热工设计中的“二八法则”,并说明法则对幕墙节能设计的影响。从而引起人们对幕墙热工设计中框传热重要性的重视。

  玻璃幕墙热工分析和计算

  典型玻璃幕墙系统的选取

  首先,幕墙设计选取了国内玻璃幕墙系统中最普遍和常用的两类系统,即框架式幕墙系统和单元式幕墙系统,且均采用目前主流的断热冷桥铝型材截面;其次,选取工程中出现频率最高的两类幕墙形式,即全明框和竖明横隐。最终按照上述体两两组合,形成了四种基本的玻璃幕墙系统,即全明框框架式幕墙(图3、图4)、竖明横隐框架式幕墙(图3、图5)、全明框单元式幕墙(图6、图7、图8)、竖明横隐单元式幕墙(图6、图9、图10)。各系统的主要构件节点示意如图3-图10:

  图3: 明框框架立柱 图4: 明框框架横梁     图5: 隐框框架横梁

  图6: 明框单元立柱  图7: 明框单元插接缝横梁    图8: 明框单元横梁

  图9: 隐框单元插接缝横梁        图10: 隐框单元横梁

  典型玻璃配置的选取

  玻璃方面,选取幕墙工程中常用的玻璃配置与上述幕墙系统组合,这些常用的玻璃配置包括:双玻Low-e中空玻璃、三玻两腔Low-e中空玻璃、上述中空玻璃的中空层填充空气或氩气、上述中空玻璃的隔条为铝合金(冷边)间隔条或暖边间隔条。最终形成32种组合配置(表1):

  表1: 32种组合配置

  热工计算

  幕墙节点的热工分析采用了行业内普遍认可的美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)开发的二维稳态热工有限元软件THERM,软件版本为7.4。幕墙传热系数的计算方法参照了美国门窗分级委员会的NFRC-100的规定,即采用面积加权平均的方法(图11),把框、边部和玻璃三者的面积乘以其传热系数,相加之和除以幕墙总面积,从而得到幕墙的传热系数Ucw,其中U和A分别代表传热系数和面积,右下角标f, eg, cop分别代表框、边部和玻璃面板中心点(图12)。

  图11: NFRC-100标准的Ucw计算公式

  图12: 各参数定义说明

  四种玻璃配置的传热系数Ucop的分析采用了LBNL的WINDOW软件,版本为7.4。具体数值见表2。

  表2: 四种玻璃配置的传热系数Ucop

  THERM的边界条件设置参照了JGJ/T 151-2008《建筑门窗幕墙热工计算规程》,室外温度取-20oC,室外表面换热系数取16.0W/(m2*K)(图13)。室内温度取+20oC,室内表面换热系数取3.6W/(m2*K) (图14)。

  图13: 室外边界条件      图14:室内边界条件

  利用THERM将各个幕墙节点分别进行分析,得出该节点的框传热系数Uf和边部传热系数Ueg值。由于篇幅限制,此处仅展示单元式幕墙明框立柱的节点分析,玻璃选用双玻中空+冷边+空气的组合。(图15、图16)

  图15: U值分析结果

  图16: 节点温度图

  幕墙的分格假定为1.5m×3.0m(图17)。

  图17: 幕墙分格大样图

  将THERM软件计算得出的框传热系数Uf和边部传热系数Ueg值与所对应的框面积Af和边部面积Aeg,连同玻璃中心点传热系数Ucop及其面积Acop,通过上述公式进行计算,最终得到上述32种组合配置的幕墙传热系数Ucw(表3)

  表3: 32种组合配置的幕墙传热系数Ucw

  此外,为说明问题,我们将Uf*Af+Ueg*Aeg定义为广义的“框的传热”,Ucop*Acop定义为“玻璃的传热”。分别得到框架式和单元式幕墙的“框的传热”占整个幕墙传热的比例(表4、表5)

  表4: 框架式幕墙传热系数和框的传热比例

  表5: 单元式幕墙传热系数和框的传热比例

  讨论

  通过观察表3不难发现,要获得更好的幕墙节能效果,可以通过不断增加玻璃的配置实现。然而,观察表4和表5,可以发现框架式幕墙系统中,“框的传热”约占整个幕墙的40%-50%;单元式幕墙系统中,“框的传热”则占整个幕墙的50%~60%,且“框的传热”所占比重随着玻璃性能的不断提高而提高。与此形成强烈反差的是,在本文的上述幕墙系统中,框的面积比仅为10~12%,这就好似玻璃幕墙热工设计中的“二八法则”—占少数面积比的框实际上决定了整个幕墙传热系数的高低。

  在有些实际工程中,框的面积比可能比本文的12%更大,框的传热往往占整个幕墙的一半以上,这时若一味增加玻璃的配置,相当于只抓次要矛盾而放弃了主要矛盾,其效果可谓事倍功半。此外,在我国北方寒冷地区,冬季室内外温差大,虽然提高玻璃配置看似拉低了整个幕墙的传热系数,但忽视框的传热的重要性可能导致严重的结露问题。

  事实上,由于框的面积比相当小,只要对框的断热冷桥设计进行优化,就能起到事半功倍的效果。例如针对解决幕墙热冷桥问题,暖框科技公司有一款新型的幕墙暖框技术,通过在恰当部位设置幕墙隔热毯,可将上述表5中“双玻_暖边_氩气”组合中框的传热降低30%以上,整个幕墙的传热系数(幕墙U值)就能达到1.8W/(m2*K)以下,避免了三玻两腔中空玻璃的使用,这对于幕墙的结构安全、设计自由度和造价成本都是非常有利的。此外,若幕墙节能标准进一步提高,假设将目前1.8W/(m2*K)的传热系数要求提高到1.4 W/(m2*K),也只须将上述表5中“三玻_暖边_氩气”组合中框的传热降低30%,即可满足要求。

  综上所述,随着幕墙节能要求的提高,玻璃幕墙传热系数的“二八法则”对幕墙节能的影响愈发明显。了解并掌握这一规律,幕墙热工设计进行适当的优化,将对幕墙工程的各个方面都有十分正面的意义,同时也对中国幕墙节能标准制定和幕墙节能技术的研发方向提供了有价值的参考。

  参考文献:

  《公共建筑节能设计标准》 GB50189-2015

  《民用建筑热工设计规范》 GB50176-1993

  《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》JGJ/T151-2008

  《浅谈幕墙隔热毯暖框技术在幕墙节能中的应用——中粮•置地广场幕墙节能中的新材料应用》 ,北京昆庭资产管理有限公司,中国期刊网,2017.6

  NFRC 100-2010 – Procedure for determining fenestration product U-Factors.

  ISO 10077:2000-07 – Thermal performance of windows, doors and shutters. Calculation of thermal transmittance. Part 1: Simplified method.

  ISO 10077:2000-12 – Thermal performance of windows, doors and shutters. Calculation of thermal transmittance. Part 2: Numerical method for frames.

  ISO 15099:2003 – Thermal performance of windows, doors and shading devices – Detailed calculations

  ISO 13947:2006 – Thermal performance of curtain walling – Calculation of thermal transmittance.

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