隨著《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》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(yīng)的地方版設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。為實現(xiàn)65%的節(jié)能設(shè)計目標(biāo),這些規(guī)范對玻璃幕墻的熱工性能提出了更為嚴(yán)苛的要求。具體見下表:
表1 – 新舊規(guī)范的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)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(shè)計時往往須考慮在傳統(tǒng)做法基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)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(dāng)增加等等。其中,關(guān)于透明幕墻的傳熱系數(shù),作者已在之前的《幕墻傳熱系數(shù)的二八法則》(1)一文中進(jìn)行了探討。本文將就非透明幕墻的傳熱系數(shù)(以下簡稱“Ucw,p”)進(jìn)行深入研究。
1. 非透明幕墻傳熱系數(shù)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(nèi)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(shè)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(gòu)造(圖1)為對象進(jìn)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(gòu)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(jié)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(xiàn)有的豎向保溫棉厚度也至少為50mm。然而,根據(jù)北美、新澳等國家的專家的研究結(jié)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(quán))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(biāo)準(zhǔn)(4)中的相關(guān)內(nèi)容(注:美國門窗評級委員會NFRC也在進(jìn)行相關(guān)研究,截至本文發(fā)稿時,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(gòu)造為圖3:層間面板+明框斷熱(24mm尼龍隔熱條)。
頂?shù)讬M梁的節(jié)點構(gòu)造為圖4:層間面板+隱框。
圖7 – 非透明幕墻傳熱系數(shù)面積加權(quán)計算結(jié)果
經(jīng)過節(jié)點建模分析(圖5,圖6)和面積加權(quán)計算(圖7),Ucw,p為1.446 W/(m2*K),與一維算法的結(jié)果0.623 W/(m2*K)相比,二維算法得到的結(jié)果是前者的2.3倍。
1.3一維和二維算法的計算結(jié)果對比
進(jìn)一步的,以同樣分格和幕墻系統(tǒng)(豎明橫隱)為基礎(chǔ),選取不同的立柱隔熱構(gòu)造、厚保溫棉厚度和層間玻璃進(jìn)行組合,得到如下結(jié)果:
表3A – Ucw,p的計算結(jié)果(單玻+保溫棉)W/(m2*K)
表3B – Ucw,p的計算結(jié)果(單中空Low-e+保溫棉)W/(m2*K)
表3C – Ucw,p的計算結(jié)果(雙中空Low-e+保溫棉)W/(m2*K)
觀察表中的數(shù)據(jù),有以下發(fā)現(xiàn):
a)二維算法的結(jié)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(dá)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(dá)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(dǎo)致一維和二維算法計算結(jié)果差異大的原因
a) 幕墻傳熱系數(shù)的二八法則:由于框的傳熱系數(shù)是層間面板中心區(qū)域的數(shù)倍甚至數(shù)十倍,面積加權(quán)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(yīng)進(jìn)一步加大,此時熱量完全繞開了隔熱條和保溫棉進(jìn)行傳遞。
2.2 改進(jìn)
一維和二維算法計算結(jié)果的差異實際反映出一個業(yè)內(nèi)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(shè)計指標(biāo),靠近幕墻的區(qū)域舒適度差,幕墻室內(nèi)表面夏天燙手、冬天冰冷,甚至結(jié)露、結(jié)冰。
從全球范圍來看,世界各國在若干年前就已經(jīng)意識到非透明幕墻熱工性能的重要性,并著手修訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和出臺細(xì)則。如:德國被動房研究所(PHI)在其技術(shù)指引中給出了計算非透明墻體熱橋的公式及改進(jìn)方案;美國門窗評級委員會(NFRC)和美國暖通空調(diào)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(biāo)嘗試解決現(xiàn)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(xì)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(yīng)采用二維面積加權(quán)方法。
綜合上述各國的種種舉措,作者認(rèn)為改進(jìn)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的角度,提出科學(xué)且具有可操作性的指標(biāo)和計算要求,這就對整個幕墻行業(yè)提出了更高的要求——設(shè)計人員須提高其熱工專業(yè)意識,從設(shè)計源頭把控關(guān)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(rèn)可更低的性能并以此作為建筑節(jié)能的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也未嘗不是一種“方法”,只是這么做看似是在消極應(yīng)對,且不可持續(xù),有點像在技術(shù)領(lǐng)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(jié)論
相比目前業(yè)內(nèi)常用的一維算法,二維算法能更準(zhǔn)確地模擬非透明幕墻的實際熱工性能,造成一、二維算法結(jié)果差異大的主要原因是“二八法則”和幕墻的熱冷橋效應(yīng)。為避免忽略非透明幕墻的熱冷橋而導(dǎo)致幕墻工程出現(xiàn)熱工問題,進(jìn)而影響整個建筑能效,規(guī)范制定者、設(shè)計人員和相關(guān)廠商有義務(wù)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(xiàn)有狀況,推動本行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。
參考文獻(xiàn):
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[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(guān)于暖框科技 (Warmframe Technology)
全球無機(jī)高性能幕墻隔熱材料創(chuàng)新技術(shù)及系統(tǒng)解決方案領(lǐng)導(dǎo)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(shù)的分項國際發(fā)明專利及10項發(fā)明專利,在全球范圍內(nèi)各種氣候帶地區(qū)擁有數(shù)百棟地標(biāo)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(rèn)證;中國首座住宅類建筑BREEAM四星認(rèn)證;LEED及WELL建筑雙金級認(rèn)證辦公建筑等眾多獲獎項目。
