隨著《公共建筑節(jié)能設計標準》GB50189-2015的實施與深入,近年來,我國各省市也紛紛出臺了與之對應的地方版設計標準。為實現65%的節(jié)能設計目標,這些規(guī)范對玻璃幕墻的熱工性能提出了更為嚴苛的要求。具體見下表:
表1 – 新舊規(guī)范的外圍護結構傳熱系數限值
在實際工程中,為滿足新規(guī)范及特定工程的更高要求,設計時往往須考慮在傳統(tǒng)做法基礎上進行相應的配置升級,如玻璃面板由單中空升級為雙中空、Low-e膜系由單銀升級為雙銀,甚至三銀、保溫厚度適當增加等等。其中,關于透明幕墻的傳熱系數,作者已在之前的《幕墻傳熱系數的二八法則》(1)一文中進行了探討。本文將就非透明幕墻的傳熱系數(以下簡稱“Ucw,p”)進行深入研究。
1. 非透明幕墻傳熱系數Ucw,p的計算
1.1一維傳熱計算方法 (以下簡稱“一維算法”)
這是目前被業(yè)內廣泛接受并在幾乎所有工程上使用的計算方法,具體為:
該公式出自《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》 JGJ/T151-2008,此外,《民用建筑熱工設計規(guī)范》(GB50176-2016)3.4.4和3.4.5也提到了類似公式。
使用上述公式,以非透明幕墻的典型構造(圖1)為對象進行計算,不難得出所需的保溫厚度:
圖1 - 非透明幕墻的典型構造
表2 – 新舊規(guī)范的非透明幕墻中的保溫厚度
觀察以上計算結果,似乎提高Ucw,p的要求對幕墻系統(tǒng)影響較小,更何況考慮到防火要求,現有的豎向保溫棉厚度也至少為50mm。然而,根據北美、新澳等國家的專家的研究結果(2)(3),使用一維算法得到的Ucw,p與真實性能差別巨大。
1.2 二維傳熱(面積加權)計算方法(以下簡稱“二維算法”)
由于我國的《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》 JGJ/T151-2008沒有Ucw,p計算方法的具體規(guī)定,本文參照了加拿大不列顛哥倫比亞省的門窗協(xié)會(Fenestration Association of BC, FENBC)的協(xié)會標準(4)中的相關內容(注:美國門窗評級委員會NFRC也在進行相關研究,截至本文發(fā)稿時,相關標準尚未正式公布)。簡單來講,Ucw,p的計算方法與透明幕墻的一樣,也是以二維算法來計算。下面通過一個實例進行說明:
圖2 - 非透明幕墻的計算簡圖
非透明幕墻的計算簡圖如圖2所示,寬度W為1.5米,高度H為1.0米。
層間面板的組成為6mm單片白玻+3mm鋁背板+50mm厚保溫棉。
層間立柱的節(jié)點構造為圖3:層間面板+明框斷熱(24mm尼龍隔熱條)。
頂底橫梁的節(jié)點構造為圖4:層間面板+隱框。
圖7 – 非透明幕墻傳熱系數面積加權計算結果
經過節(jié)點建模分析(圖5,圖6)和面積加權計算(圖7),Ucw,p為1.446 W/(m2*K),與一維算法的結果0.623 W/(m2*K)相比,二維算法得到的結果是前者的2.3倍。
1.3一維和二維算法的計算結果對比
進一步的,以同樣分格和幕墻系統(tǒng)(豎明橫隱)為基礎,選取不同的立柱隔熱構造、厚保溫棉厚度和層間玻璃進行組合,得到如下結果:
表3A – Ucw,p的計算結果(單玻+保溫棉)W/(m2*K)
表3B – Ucw,p的計算結果(單中空Low-e+保溫棉)W/(m2*K)
表3C – Ucw,p的計算結果(雙中空Low-e+保溫棉)W/(m2*K)
觀察表中的數據,有以下發(fā)現:
a)二維算法的結果是一維算法的2.1~4.9倍不等。
b)使用一維算法,最低配置為層間單玻+50mm厚保溫棉組合,Ucw,p就能達到0.62;使用二維算法,最高配置為層間雙中空+150mm厚保溫棉組合,Ucw,p才能達到0.77。
c)層間玻璃使用雙中空對降低Ucw,p最有利,單中空其次,單玻最不利。
2. 討論
2.1 導致一維和二維算法計算結果差異大的原因
a) 幕墻傳熱系數的二八法則:由于框的傳熱系數是層間面板中心區(qū)域的數倍甚至數十倍,面積加權后,框的熱損失占整個非透明幕墻的60%~80%。
b) 由于非透明幕墻的保溫棉與透明玻璃、框的隔熱條不在同一平面,造成了隔熱不連續(xù),保溫棉與透明玻璃、框的隔熱條之間形成熱冷橋。
c) 層間面板使用中空玻璃和加厚保溫棉時,上述問題依然存在,因此效果不明顯。
d) 層間面板使用單玻時,由于單玻的隔熱性能比中空玻璃差更多,使得熱冷橋效應進一步加大,此時熱量完全繞開了隔熱條和保溫棉進行傳遞。
2.2 改進
一維和二維算法計算結果的差異實際反映出一個業(yè)內周知的問題——熱冷橋(Thermal Bridging)。毫無疑問,二維算法更接近工程的實際狀況,而熱冷橋的存在就好比房間里的大象,忽視它所帶來的后果卻很可能是無法被忽視的——建筑實際能耗大幅高于設計指標,靠近幕墻的區(qū)域舒適度差,幕墻室內表面夏天燙手、冬天冰冷,甚至結露、結冰。
從全球范圍來看,世界各國在若干年前就已經意識到非透明幕墻熱工性能的重要性,并著手修訂相關標準和出臺細則。如:德國被動房研究所(PHI)在其技術指引中給出了計算非透明墻體熱橋的公式及改進方案;美國門窗評級委員會(NFRC)和美國暖通空調工程師協(xié)會(ASHRAE Standard 90.1)正通過修改計算方式和修改性能指標嘗試解決現有矛盾;加拿大不列顛哥倫比亞省的門窗協(xié)會(Fenestration Association of BC, FENBC)于2017出臺了非透明幕墻熱工性能的計算指引細則;澳大利亞國家建筑規(guī)范在2019年更新了J章節(jié)(NCC Section J),要求計算非透明幕墻熱工性能時應采用二維面積加權方法。
綜合上述各國的種種舉措,作者認為改進目前忽視非透明幕墻實際熱工性能這一問題的最佳方法是從相關標準、規(guī)范的角度,提出科學且具有可操作性的指標和計算要求,這就對整個幕墻行業(yè)提出了更高的要求——設計人員須提高其熱工專業(yè)意識,從設計源頭把控關鍵節(jié)點;專業(yè)廠商則須開發(fā)出更高效且具價值的系統(tǒng)解決方案。
然而,從另一個角度,接受認可更低的性能并以此作為建筑節(jié)能的設計標準也未嘗不是一種“方法”,只是這么做看似是在消極應對,且不可持續(xù),有點像在技術領域開倒車,與我國建筑節(jié)能事業(yè)的發(fā)展方向是相悖的。
3. 結論
相比目前業(yè)內常用的一維算法,二維算法能更準確地模擬非透明幕墻的實際熱工性能,造成一、二維算法結果差異大的主要原因是“二八法則”和幕墻的熱冷橋效應。為避免忽略非透明幕墻的熱冷橋而導致幕墻工程出現熱工問題,進而影響整個建筑能效,規(guī)范制定者、設計人員和相關廠商有義務共同努力,正視所面臨的問題和挑戰(zhàn),采取積極有效措施,改善現有狀況,推動本行業(yè)技術進步。
參考文獻:
[1] 量化玻璃幕墻傳熱系數的“二八法則”,及其對幕墻節(jié)能的影響,周雨禎,百度文庫,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/
關于暖框科技 (Warmframe Technology)
全球無機高性能幕墻隔熱材料創(chuàng)新技術及系統(tǒng)解決方案領導品牌,美國建筑師協(xié)會鉑金贊助商。擁有13項幕墻阻斷冷橋隔熱技術的分項國際發(fā)明專利及10項發(fā)明專利,在全球范圍內各種氣候帶地區(qū)擁有數百棟地標工程案例,其中在亞洲地區(qū)的綠色節(jié)能建筑案例囊括了: 2020及2019年度亞洲綠色建筑大獎 BREEAM Awards 2019/ 2020;2018年度可持續(xù)發(fā)展建筑獎;2018年度亞洲創(chuàng)新綠色建筑大獎;2018年度時代創(chuàng)新獎;以及中國首座辦公建筑BREEAM四星認證;中國首座住宅類建筑BREEAM四星認證;LEED及WELL建筑雙金級認證辦公建筑等眾多獲獎項目。
