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专家支招:如何通过细节提升幕墙节能效果?

1,459 次 admin 新闻动态

前言:

能耗高的玻璃幕墙,不仅影响居住及使用的舒适度,而且运营及维护成本大幅度增加,与现行的规范要求相背离,虽然大量的节能技术手段在使用,例如:LOW-E中空玻璃、断桥型材的使用,但实际使用效果远未达到理论计算的要求,尤其当层间采用单层玻璃时,对热量的阻隔成为重点及难点,本文对已有项目问题进行分析研究,为同业者进行相关设计时提供参考。

关键词:传热系数 玻璃幕墙 层间玻璃 节能 热工模拟

建筑能耗:

我国建筑用能约占全国能源消费总量的27.5%,并将随着人民生活水平的提高逐步增加到30%以上。其中公共建筑耗能数量巨大,浪费严重。在公共建筑的全年能耗中,供暖空调系统的能耗约占10%~ 50%,照明能耗约占30%~40%,其他用能设备约占10%~ 20%。而在供暖空调能耗中,外帷护结构传热所导致的能耗约占 20%~50% (夏热冬暖地区大约20%,夏热冬冷地区大约35%, 寒冷地区太约40%,严寒地区大约50%)。外帷护结构传热所导致的能耗占比最大,气候越寒冷地区情况越明显。

规范依据:

2015.10.01实施的新版GB50189-2015《公共建筑节能设计标准》,对维护结构的热工性能指标进一步的提高,标准或规范的提高,有利于改善公共建筑的室内环境.提高建筑系统的能源利用效率,合理利用可再生能源,降低公共建筑的能耗水平,节约能源和保护环境并约束企业开发更高节能性的产品。并且在发展绿色建筑的相关文件里,节能也是一项关键指标,仅是在建筑的全寿命周期内,最大限度地节约资源、保护环境和减少污染,为人们提供健康、适用和高效的使用空间及与自然和谐共生的建筑。随着国家《“十二五”绿色建筑科技发展专项规划》、《“十二五”建筑节能专项规划》等文件的发布,我国将全面推进“绿色建筑行动”,大力推广绿色建筑和绿色建材。2013年1月,国务院办公厅关于转发发展改革委、住房和城乡建设部绿色建筑行动方案的通知(国办发〔2013〕1号),明确指出“开展绿色建筑行动,以绿色、循环、低碳理念指导城乡建设,严格执行建筑节能强制性标准,扎实推进既有建筑节能改造,集约利用资源,行业的发展方向已经提升到国家战略的角度。

项目现状:

虽规范标准不断改版升级,但即便是参照以前的旧版规范标准,实际使用的项目有很多也难以达标,有露水露气的,有结霜结露的,影响正常使用,目测就应能断定项目不具备节能要求。为什么会出现这么多情况,主要是能量的消耗非肉眼可见或可感知的,只是计量表上的一个冷冰冰的数字;人们似乎只认为安全问题才是最大的问题,全社会对幕墙玻璃自爆、石材坠落给予极大关注,每一处玻璃、石材坠落,借助现代媒介,酝酿发酵迅速传播,却往往忽略了建筑节能在使用过程中的重要性、长期性,只有当室内功能影响到正常使用才意识到问题的严重性,后知后觉,被动应对。

案例分析:

本文以北方一城市案例为背景,所在地热工设计分区为严寒B区(项目竣工时间为2014年,按旧版GB50189-2005,如按新版则为严寒C区),甲类公共建筑,项目类型为4星级酒店。存在的问题如下:

1、酒店四个角部的三个房间存在严重的结露现象(图1、图2),主要部位集中在踢脚及吊顶横梁,在冬季室内集中供暖的情况下室内温度在15度以下,舒适度低。

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踢脚横梁结露区(图1)

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吊顶处横梁结露区(图2)

2、紧邻设备层上下两层房间普遍存在结露现象,室内温度勉强能达到16度以,但舒适度不高(图3-图6)。

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设备层上下房间结露(图3)

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设备层内景(图4)

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百页后墙体无保温层延伸段(图5)

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设备层测温点(图6)

3、裙房石材幕墙胶条密封,有一半位于室内,一半位于室外,此处为共享空间,室内温度常年在15度以下(图7-图8)。

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石材幕墙跨越室内外(图7)

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石材幕墙跨越室内外(图8)

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保健按摩房屋顶(图9)

4、保健按摩房在冬季室内集中供暖的情况下室内温度在15度以下,冬季基本无法正常营业,商业活动无法全年开展,如图九所示为顶部铝板封修实景照片,收口未作到位,缺少保温材料充填,右下角的发泡材料为业主工程部人员采取的补救措施,经查,按摩房窗台墙铝板下侧无密封,做法同下图(图10-图11)类似。

5、女儿墙顶板内侧无保温层,外墙未收口封闭处理,保温间断不连续。

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石材女儿墙收口实景(图10)

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铝板女儿墙收口实景(图11)

问题分析(图1、图2所示标准层)

图一、图二所示的区域为该建筑的标准层,影响大,经过对原设计图纸比对,发现层间(非透明区)采用单层玻璃,这是目前业界比较流行的降低造价的做法,相较于中空玻璃,成本可以降低1/3以上。图中的结露区位于单层玻璃的上下横梁处,说明此处横梁的的室内温度低于露点温度。根据《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》JGJT 151-2008规范中的公式计算,当室内空气温度在20℃时:

相对湿度60%时,结露温度为12℃

相对湿度50%时,结露温度为9.27℃

相对湿度40%时,结露温度为6℃

相对湿度30%时,结露温度为1.92℃

相对湿度20%时,结露温度为-3.61℃

正常适合人体的室内相对湿度为35%-60%,本例约定采用相对湿度为55%时计算。

原设计如图12、13,对此设计采用粤建科MQMC建筑幕墙门窗热工性能计算软件对此节点进行模拟:

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单元竖框节点(图12)

单元横框及中横框节点(图13)

模拟结露分析:

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单元竖框模型温度线图(14)

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单元竖框模型度场图(15)

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单元中横模型温度线图(16)

按建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程第5章结露性能评价的一般规定:应采用各个部件内表面温度最低的10%的面积所对应的最高温度值(T10),其室内侧T10温度最低仅为-5.6℃。室内侧窗台的最低温度为(0.21-2.82)℃,室内温度为20℃,相对湿度为55%,露点温度为9.27℃; 在图中可以看到,此部分结露。

专家支招:如何通过细节提升幕墙节能效果?

从以上的模拟可以看出,其问题主要在于型材采用非断热型材及层间单层玻璃:当采用非断热型材时,在此位置的框区域将形成冷桥,虽然设计上采用了隔热垫的处理手法,但隔热垫的厚度过薄,热阻很小,本质上起不到隔热作用。层间的单层玻璃隔热效果差,其传热系数K值约为5.6 W/(m2K),当冷热透过玻璃后,外露的横梁立柱成为冷桥。热量损失大,导致结露(如图17)。

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单元横框节点图(17)

针对以上问题,按如下流程分析并对每步改进措施后的热工性能汇遍成表:1.非断热型材->2.断热型材->3.单玻璃内侧型材采用保温棉包覆->4.单玻玻璃改为LOW-E玻璃

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改进竖框节点(图18)

改进横框及中横框节点(图19)

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改进中横模型温度线图(20)

可见结露面温度提度约4℃。

细部改进分析1.1:

横竖向单层玻璃内侧,外露型材采用保温棉包覆

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再改进竖框节点(图21)

再改进横框及中横框节点

(图22)

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改进中横模型温度线图(23)

可见结露面温度又提度约0.8度。

细部改进分析1.2:

层间单层玻璃在以上基础上再改为双银LOW-E玻璃

改进后竖框节点(图24)

改进后横框及中横框节点

(图25)

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改进后横模型温度线图(26)

可见结露面温度再提度3℃。平均温度达到9.3℃,超过相对湿度为55%时的结露温度。

从以上渐进式设计改进措施可以看出,每次采取一种措施,其型材内表面就会提高一点,传热系数就是提高一步。热工性能已经有了明显改善。由于北方气候干燥,室内湿度不高,基本不太可能达到55%,但作为设计单位,提交的热工计算资料应当从源头就该满足招标文件的要求,不能因为价格竞争的压力降低品质。

GB50189《公共建筑节能设计标准》对甲、乙类公共建筑围护结构热工性能限值均作了规定,且区分为透光幕墙及非透光幕墙,非透光幕墙的传热系数明显要严格的多,采用玻璃作为外墙的建筑,其层间位置视同非透光幕墙,要求此部位的热工边界条件达到理论要求或近似达到,这是节能参数选取的关键所在,也是所有热工模拟成立的前提条件,本列中项目层间采用单层玻璃,保温隔热性本身就差,所有玻璃背部的型材均曝露在保温层之外,透过单层玻璃的冷热通过型材迅速传达到室内,导致此部位温度过低,是造成室内结露的主要因素。另外:型材采用非断热设计,横向护边条与横梁直接接触,铝的导热能力很高,是散热的主要材料,形成冷桥此为造成室内结露的重要因素。

改进后的传热系数对比分析表如下:由此可以看出,结露保温性能均有提高。

传热系数对比表(一)

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线传热系数(二)

专家支招:如何通过细节提升幕墙节能效果?

其它部位改进分析2(针对图7、图8的情况):

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竖向封堵节点(图27)

竖向封堵节点三维(图28)

如图示的大厅采用大面积的玻璃幕墙,本身节能效果就差,由于设计采用的是干法密封即胶条密封,老化、脱落严重,因此竖向的隔离带无论对防火及保温都极为重要,但经查验图纸,在承包商A的图纸显示此部分为非设计项,而在承包商B的图纸上未发现此部位的设计,现场的实际情况也无法拆开查看,由此本文不作判断。但对设计、施工单位来说对此类型同一幕墙跨越室内室外两个空间的情况,应对隔离带的设计及施工重点控制,一旦出现扯皮,节能效果大打折扣。可参考图28的作法,并在投标报价中对承包范围的归属充分考虑。

其它部位改进分析3:(针对图3、图4、图5、图6的情况):

设备层或避难层因设计需要多采用百页或格栅,由于百页后是一个开放空间,对于上下层的房间来说等同于室外空间,如果要提高相邻上下两层房间的舒适度,吊顶及地面均应作保温层包覆,由其是在冬季寒冷地区。所以在此类部位的保温设计可以按以下两种形式分别考虑:1、整层均为百页或格栅外;2、百页为独立洞口的情形或外立面形式为整个层间但实际背面为墙体洞口的:对于第一种形式百页可采用图29的设计方法,其中红色填充区表示保温层,粉色填充区表示上下两道防火封修层,同时兼作保温层,所以从节能角度看,不可以仅作一道防火封修层,以保证保温效果。对于第二种形式独立洞口的百叶设计可采用图30的设计方法,应有至少1米的保温层延伸段,保温层延伸段与上下楼层的保温层连续。其室内侧梁体也应加设保温层并与吊顶保温连续,只有通过这样的细节设计才能保证每个房间达标。

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百页保温墙体节点示意

(图29)

百页保温墙体节点示意

(图30)

其它部分改进分析4:(针对图9、图10、图11的情况):

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女儿墙的保温设计(图31)

女儿墙顶是节能保温较薄弱的环节,很多已完工项目,在女儿墙部分不作保温,导致保温层无法闭合,存在冷桥。导致本楼层的热工性能变差,舒适度不高。可参考图31的作法,并在投标报价中充分考虑。

小结:

1、当节能要求较高时,玻璃为外墙的建筑,层间不宜采用单层玻璃。从热工角度看梁顶梁底应设置双道封修(从防火角度看可于梁底设置一道封修),且与竖向保温层连续无间断点;非透光幕墙边界条件目前缺少定义及操作细节,传导传热对室内的结露有较大的影响,应从完善规范层面给予解决。

2、断热条的长度与框的K值相关,常规情况下,断热条的长度越长框的K值越低,但当长度达到一定限值时,K值变化不明显,寒冷地区不宜采用薄形隔热垫隔热。

3、软件模拟是按理论边界条件进行的,对单元幕墙来说,因为型材开孔,横滑芯传导、缝隙导致的的热量损失都未考虑在内,所以理论计算结果应留有一定的余量。

4、设备层及女儿墙的保温层在任何位置都应当是连续布置的。

结束语:

当幕墙、门窗节能更多的成为理论计算上一排排结果、模拟图片,无法实实在在的转化为真正意义上的节能产品,仅仅作为停留在节能专项论证、通过审批立项的会议桌上完整码放的文件;我们是否应当反思如下几类问题:1、建设方有没有专业人员或团队从源头进行细节管控2、监理有没有起到监督作用3、承建方在当下的施工模式下,有没有存在偷工减料的冲动。4、图纸设计水平严重制约产品的最终质量,应当重新审视热工计算模拟对设计细节的指导意义。

总之,在理论计算上满足节能要求的建筑项目,如果实际使用效果不尽人意,那么本质上就是未按图施工或由于设计水平的缺陷导致的。

注:文中的一些图片来源于网络及收集的信息并作了处理,无任何针对性,不妥之处,敬请指正。

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