框架式玻璃幕墻熱工節(jié)能設(shè)計(jì)研究分析

謝盛奮

（中建二局第二建筑工程有限公司，廣東 深圳 518054）

1 引言

為貫徹國家有關(guān)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的政策，實(shí)現(xiàn)“十四五”時(shí)期節(jié)能減排的目標(biāo)，在保證人民基本生活環(huán)境要求的前提下，進(jìn)一步降低建筑能源消耗，提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)碳中和，實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，首要任務(wù)是節(jié)能減排。建筑幕墻節(jié)能是節(jié)能減排的重要手段之一，要想實(shí)現(xiàn)建筑幕墻節(jié)能需要整個(gè)社會(huì)對(duì)建筑幕墻的節(jié)能有所認(rèn)識(shí)。建筑玻璃幕墻作為建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)是建筑的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)建筑功能的重要部件，它們的熱工性能較弱，是建筑節(jié)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？赏ㄟ^改變建筑玻璃幕墻系統(tǒng)的傳熱和遮陽系數(shù)，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

在建筑玻璃幕墻的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)上，已經(jīng)陸續(xù)出臺(tái)了GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、JGJ 75—2012《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、JGJ/T 132—2009《居住建筑節(jié)能檢測標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50378—2019《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》等一系列國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此，建筑玻璃幕墻在當(dāng)今及未來建筑業(yè)中應(yīng)用，將更加符合建筑物的節(jié)能要求?？傊ㄖＡ粔π袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，將會(huì)促使我國建筑玻璃幕墻行業(yè)逐漸走上健康、可持續(xù)的發(fā)展道路。

2 研究分析軟件應(yīng)用

本次節(jié)能研究分析基于廣東省建筑科學(xué)研究院開發(fā)的粵建科MQMC建筑幕墻門窗熱工性能計(jì)算軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析。利用粵建科MQMC計(jì)算分析玻璃面板中央的傳熱系數(shù)、框架傳熱系數(shù)、框架與面板接縫的線傳熱系數(shù)和單幅幕墻的熱工性能。

3 整幅框架式玻璃幕墻傳熱概念理論研究

整幅框架式玻璃幕墻的整體傳熱系數(shù)由框架框傳熱系數(shù)、框架面板傳熱系數(shù)、框架邊界區(qū)線傳熱系數(shù)3部分的加權(quán)平均值獲得，計(jì)算公式如式（1）：

式中，UCW為整幅幕墻的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；Ag為玻璃或透明面板面積，m2；Lg為玻璃或透明面板邊緣長度，m；Ug為玻璃或透明面板傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；ψg為玻璃或透明面板邊緣的線傳熱系數(shù)，W/（m·K）；Ap為非透明面板面積，m2；Lp為非透明面板邊緣長度，m；Up為非透明面板傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；ψp為非透明面板邊緣的線傳熱系數(shù)，W/（m·K）；Af為框面積，m2；Uf為框的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）。

整幅幕墻的傳熱系數(shù)與組合幕墻的各種材料所占的面積及自身的傳熱系數(shù)成正比，所以降低整幅幕墻的傳熱系數(shù)就要降低各組成部分的傳熱系數(shù)。

4 降低框架式玻璃幕墻傳熱系數(shù)分析研究

從幕墻傳熱系數(shù)的概念理論分析計(jì)算公式可以得到要降低幕墻傳熱系數(shù)主要通過降低框傳熱系數(shù)、降低面板傳熱系數(shù)、降低邊界區(qū)線傳熱系數(shù)3方面來實(shí)現(xiàn)。

4.1 降低框架玻璃幕墻框傳熱系數(shù)

框的傳熱系數(shù)主要是通過傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射來傳遞，通常降低框的傳熱主要通過斷、堵、封著3方面來實(shí)現(xiàn)。（1）斷：框架采用斷熱鋁合金型材，即鋁合金骨架的室內(nèi)、室外部分采用斷熱隔條隔離開，有效阻止了熱量的傳導(dǎo)。（2）堵：在玻璃和鋁合金龍骨之間采用泡沫棒和密封膠進(jìn)行封堵，以降低熱量的對(duì)流效應(yīng)。（3）封：采用多道密封膠條進(jìn)行密封，在提高氣密性的同時(shí)，進(jìn)一步減少熱量的對(duì)流。

4.2 降低框架玻璃幕墻面板傳熱系數(shù)

降低面板的傳熱系數(shù)主要通過以下3方面來實(shí)現(xiàn)：（1）采用中空、真空玻璃，利用空氣層或者真空層阻斷熱量的傳導(dǎo)；（2）中空層用惰性氣體替代空氣，因?yàn)槎栊詺怏w具有比干燥空氣更低的導(dǎo)熱性能，更穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，所以能夠更有效降低熱量的輻射；（3）采用雙銀或者三銀LOW-E節(jié)能玻璃，降低太陽光熱量的直接輻射。

4.3 降低框架幕墻邊界區(qū)線傳熱系數(shù)

降低邊界區(qū)的線傳熱系數(shù)主要通過采用暖邊隔熱條，最大限度地隔斷熱量的傳遞。

5 節(jié)能案例分析

5.1 選取分析案例基礎(chǔ)

以某辦公樓的實(shí)際工程案例，選取其中標(biāo)準(zhǔn)大樣來計(jì)算分析。

本案例窗墻比為0.6，依據(jù)GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求所設(shè)計(jì)傳熱系數(shù)U≤2.5 kW/（m2·K）。

5.2 選取分析案例計(jì)算分析

1）基礎(chǔ)方案框架式玻璃幕墻玻璃熱系數(shù)計(jì)算，玻璃采用6+12A+6中空單銀LOW-E玻璃，采用粵建科MQMC玻璃光學(xué)熱工計(jì)算。如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)方案6+12A+6單銀中空LOW-E光學(xué)熱工計(jì)算圖

計(jì)算主要參數(shù)結(jié)果如下：面板傳熱系數(shù)U=1.968 W/（m2·K）；面板遮陽系數(shù)SC=0.344。

2）基礎(chǔ)方案框架式玻璃幕墻框傳熱系數(shù)計(jì)算，具體如表1所示。圖2為基礎(chǔ)方案標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)邊框溫度線圖和邊框溫度場圖。

表1 基礎(chǔ)方案標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)傳熱系數(shù)

圖2 基礎(chǔ)方案標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)邊框溫度線圖和邊框溫度場圖

3）基礎(chǔ)方案框架式玻璃幕墻單元幅面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算：

不滿足要求。

5.3 案例對(duì)比計(jì)算分析研究

其他基礎(chǔ)條件不變，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和玻璃做了優(yōu)化，立柱斷熱型材隔熱條由PVC更換為尼龍66隔熱條，玻璃由單銀LOW-E更換為雙銀LOW-E，玻璃與鋁合金邊框間填充隔熱物質(zhì)，采用粵建科MQMC計(jì)算。

1）框架式玻璃幕墻玻璃熱系數(shù)計(jì)算，6+12A+6雙銀LOW-E中空玻璃，采用MQMC玻璃光學(xué)熱工計(jì)算，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化方案6+12A+6雙銀中空LOW-E玻璃光學(xué)熱工計(jì)算圖

計(jì)算主要參數(shù)結(jié)果如下：面板傳熱系數(shù)U=1.782 W/(m2·K）；面板遮陽系數(shù)SC=0.253。

3）優(yōu)化方案框架式玻璃幕墻框傳熱系數(shù)計(jì)算，如表2所示。圖4為優(yōu)化方案標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)邊框溫度線圖和邊框溫度場圖。

表2 優(yōu)化方案標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)傳熱系數(shù)

圖4 優(yōu)化方案標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)邊框溫度線圖和邊框溫度場圖

3）優(yōu)化方案框架式玻璃幕墻單元幅面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算：

滿足要求。

6 結(jié)論

通過粵建科MQMC計(jì)算軟件對(duì)完全相同分格的玻璃幕墻，相同的立柱形式、相同的玻璃厚度配置，原分析案例不滿足節(jié)能傳熱系數(shù)要求的情況下，通過更換了立柱斷熱型材隔熱條材料，玻璃材料更換為雙銀，玻璃與鋁合金邊框間填充隔熱物質(zhì)的配置組合的對(duì)比案例經(jīng)過計(jì)算可以看出，整幅單元幕墻的傳熱系數(shù)U值有了明顯的改善，達(dá)到滿足節(jié)能要求。