全球幕墙节能设计及幕墙热工标准的最新发展

摘要：随着《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015的实施与深入,近年来,我国各省市也纷纷出台了与之对应的地方版设计标准。

  随着《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015的实施与深入,近年来,我国各省市也纷纷出台了与之对应的地方版设计标准。为实现65%的节能设计目标,这些规范对玻璃幕墙的热工性能提出了更为严苛的要求。具体见下表:

  表1 – 新旧规范的外围护结构传热系数限值

  注:甲类建筑,窗墙比≤50%,体型系数≤0.3,单位(W/m2*K)

  在实际工程中,为满足新规范及特定工程的更高要求,设计时往往须考虑在传统做法基础上进行相应的配置升级,如玻璃面板由单中空升级为双中空、Low-e膜系由单银升级为双银,甚至三银、保温厚度适当增加等等。其中,关于透明幕墙的传热系数,作者已在之前的《幕墙传热系数的二八法则》(1)一文中进行了探讨。本文将就非透明幕墙的传热系数(以下简称“Ucw,p”)进行深入研究。

  1. 非透明幕墙传热系数Ucw,p的计算

  1.1 一维传热计算方法 (以下简称“一维算法”)

  这是目前被业内广泛接受并在几乎所有工程上使用的计算方法,具体为:

  该公式出自《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》 JGJ/T151-2008,此外,《民用建筑热工设计规范》(GB50176-2016)3.4.4和3.4.5也提到了类似公式。

  使用上述公式,以非透明幕墙的典型构造(图1)为对象进行计算,不难得出所需的保温厚度:

  图1 - 非透明幕墙的典型构造

  表2 – 新旧规范的非透明幕墙中的保温厚度

  观察以上计算结果,似乎提高Ucw,p的要求对幕墙系统影响较小,更何况考虑到防火要求,现有的竖向保温棉厚度也至少为50mm。然而,根据北美、新澳等国家的专家的研究结果(2)(3),使用一维算法得到的Ucw,p与真实性能差别巨大。

  1.2 二维传热(面积加权)计算方法(以下简称“二维算法”)

  由于我国的《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》 JGJ/T151-2008没有Ucw,p计算方法的具体规定,本文参照了加拿大不列颠哥伦比亚省的门窗协会(Fenestration Association of BC, FENBC)的协会标准(4)中的相关内容(注:美国门窗评级委员会NFRC也在进行相关研究,截至本文发稿时,相关标准尚未正式公布)。简单来讲,Ucw,p的计算方法与透明幕墙的一样,也是以二维算法来计算。下面通过一个实例进行说明:

  图2 - 非透明幕墙的计算简图

  非透明幕墙的计算简图如图2所示,宽度W为1.5米,高度H为1.0米。

  层间面板的组成为6mm单片白玻+3mm铝背板+50mm厚保温棉。

  层间立柱的节点构造为图3:层间面板+明框断热(24mm尼龙隔热条)。

  顶底横梁的节点构造为图4:层间面板+隐框。

  图7 – 非透明幕墙传热系数面积加权计算结果

  经过节点建模分析(图5,图6)和面积加权计算(图7),Ucw,p为1.446 W/(m2*K),与一维算法的结果0.623 W/(m2*K)相比,二维算法得到的结果是前者的2.3倍。

  1.3 一维和二维算法的计算结果对比

  进一步的,以同样分格和幕墙系统(竖明横隐)为基础,选取不同的立柱隔热构造、厚保温棉厚度和层间玻璃进行组合,得到如下结果:

  表3A – Ucw,p的计算结果(单玻+保温棉)W/(m2*K)

  表3B – Ucw,p的计算结果(单中空Low-e+保温棉)W/(m2*K)

  表3C – Ucw,p的计算结果(双中空Low-e+保温棉)W/(m2*K)

  观察表中的数据,有以下发现:

  a) 二维算法的结果是一维算法的2.1~4.9倍不等。

  ) 使用一维算法,最低配置为层间单玻+50mm厚保温棉组合,Ucw,p就能达到0.62;使用二维算法,最高配置为层间双中空+150mm厚保温棉组合,Ucw,p才能达到0.77。

  c) 层间玻璃使用双中空对降低Ucw,p最有利,单中空其次,单玻最不利。

  2. 讨论

  2.1 导致一维和二维算法计算结果差异大的原因

  a) 幕墙传热系数的二八法则:由于框的传热系数是层间面板中心区域的数倍甚至数十倍,面积加权后,框的热损失占整个非透明幕墙的60%~80%。

  ) 由于非透明幕墙的保温棉与透明玻璃、框的隔热条不在同一平面,造成了隔热不连续,保温棉与透明玻璃、框的隔热条之间形成热冷桥。

  c)层间面板使用中空玻璃和加厚保温棉时,上述问题依然存在,因此效果不明显。

  d)层间面板使用单玻时,由于单玻的隔热性能比中空玻璃差更多,使得热冷桥效应进一步加大,此时热量完全绕开了隔热条和保温棉进行传递。

  2.2 改进

  一维和二维算法计算结果的差异实际反映出一个业内周知的问题——热冷桥(Thermal Bridging)。毫无疑问,二维算法更接近工程的实际状况,而热冷桥的存在就好比房间里的大象,忽视它所带来的后果却很可能是无法被忽视的——建筑实际能耗大幅高于设计指标,靠近幕墙的区域舒适度差,幕墙室内表面夏天烫手、冬天冰冷,甚至结露、结冰。

  从全球范围来看,世界各国在若干年前就已经意识到非透明幕墙热工性能的重要性,并着手修订相关标准和出台细则。如:德国被动房研究所(PHI)在其技术指引中给出了计算非透明墙体热桥的公式及改进方案;美国门窗评级委员会(NFRC)和美国暖通空调工程师协会(ASHRAE Standard 90.1)正通过修改计算方式和修改性能指标尝试解决现有矛盾;加拿大不列颠哥伦比亚省的门窗协会(Fenestration Association of BC, FENBC)于2017出台了非透明幕墙热工性能的计算指引细则;澳大利亚国家建筑规范在2019年更新了J章节(NCC Section J),要求计算非透明幕墙热工性能时应采用二维面积加权方法。

  综合上述各国的种种举措,作者认为改进目前忽视非透明幕墙实际热工性能这一问题的最佳方法是从相关标准、规范的角度,提出科学且具有可操作性的指标和计算要求,这就对整个幕墙行业提出了更高的要求——设计人员须提高其热工专业意识,从设计源头把控关键节点;专业厂商则须开发出更高效且具价值的系统解决方案。

  然而,从另一个角度,接受认可更低的性能并以此作为建筑节能的设计标准也未尝不是一种“方法”,只是这么做看似是在消极应对,且不可持续,有点像在技术领域开倒车,与我国建筑节能事业的发展方向是相悖的。

  3.结论

  相比目前业内常用的一维算法,二维算法能更准确地模拟非透明幕墙的实际热工性能,造成一、二维算法结果差异大的主要原因是“二八法则”和幕墙的热冷桥效应。为避免忽略非透明幕墙的热冷桥而导致幕墙工程出现热工问题,进而影响整个建筑能效,规范制定者、设计人员和相关厂商有义务共同努力,正视所面临的问题和挑战,采取积极有效措施,改善现有状况,推动本行业技术进步。

  参考文献:

  [1] 量化玻璃幕墙传热系数的“二八法则”,及其对幕墙节能的影响,周雨祯,百度文库,2017.10

  [2] S. Hoffman, “Energy Code Implications for Spandrel Design; Quantifying and Mitigating the Impact of Thermal Bridging,” Façade Tectonics Institute, Proceedings of 2016 World Congress

  [3] Section J, National Construction Code (NCC) of Australia

  [4] Reference Procedure for Simulating Spandrel U-Factors, https://www.fen-bc.org/resource_details.php?id_resource=22

  [5] Helen Sanders, Spandrel: The Battle for the Wall, Part Two

  https://www.usglassmag.com/insights/2020/07/spandrel-the-battle-for-the-wall-part-two/

  关于暖框科技 (Warmframe Technology)

  全球无机高性能幕墙隔热材料创新技术及系统解决方案领导品牌,美国建筑师协会铂金赞助商。拥有13项幕墙阻断冷桥隔热技术的分项国际发明专利及10项发明专利,在全球范围内各种气候带地区拥有数百栋地标工程案例,其中在亚洲地区的绿色节能建筑案例囊括了: 2020及2019年度亚洲绿色建筑大奖 BREEAM Awards 2019/ 2020;2018年度可持续发展建筑奖;2018年度亚洲创新绿色建筑大奖;2018年度时代创新奖;以及中国首座办公建筑BREEAM四星认证;中国首座住宅类建筑BREEAM四星认证;LEED及WELL建筑双金级认证办公建筑等众多获奖项目。

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