苏州国金中心IFS案例图片
[摘要] 本文以夏季环境条件下的典型玻璃幕墙系统的构件温度为研究对象,使用二维热工有限元软件进行了幕墙热工性能的量化数据分析,并结合业内已公开发表的诸多技术文献,对夏热冬暖地区的幕墙防热设计进行了深入探讨。
[关键词] 建筑节能 玻璃幕墙 夹层玻璃 防热设计 热舒适度 高性能隔热
Thermal Protection Design for Facade
in Hot Summer and Warm Winter Zone
[Abstract] The paper is focus on the temperature of the members of typical curtain wall system in summer condition. 2-D thermal analysis FEA software is used to quantify the thermal performance. Combined with many other technical papers, in-depth discussion and research are done for the facade thermal protection in hot summer and warm winter zone.
[Key Words] Building energy efficiency, curtain wall, laminated glass, thermal protection, thermal comfort, high performance thermal break
1. 背景
我国地域辽阔,从北到南跨越了严寒、寒冷、夏热冬冷、温和及夏热冬暖多个气候带。建筑节能的设计原则是:严寒和寒冷地区主要考虑建筑的冬季保温,即降低外围护结构的“传热系数”,减少热损失;夏热冬暖地区主要考虑建筑的夏季隔热,即降低外围护结构的“遮阳系数”,减少太阳得热;夏热冬冷地区则应同时考虑两者。
纵观过去的十五年,幕墙的“传热系数”现已几乎无人不知,“遮阳系数”则相形见绌。今天上网搜索“幕墙传热系数”得到的相关结果大约是200多万个,而“幕墙遮阳系数”只有前者的一半不到,幕墙传热系数更受关注的原因可能与两者满足设计要求的难易程度有关——为满足不断提高的规范要求(表1),相比遮阳系数(现改为太阳得热系数),幕墙传热系数从节能材料配置、设计挑战和成本等各方面都需要更多投入。
表1 –新老规范中幕墙的传热系数和太阳得热系数限值
注:甲类建筑,窗墙比≤50%,体型系数≤0.3,单位(W/m2*K)
然而,就像幕墙设计时除计算传热系数和太阳得热系数外,为了避免冬季结露,还应进行结露验算,与之相对应的,夏季则可能产生室内过热影响热舒适度等问题(图1),为此,《民用建筑热工设计规范》要求外墙设计时应考虑夏季防热[1],尤其是夏热冬暖地区,由于夏季太阳辐射照度较高,防热设计更显关键。
图1 –幕墙室内过热影响热舒适度
几年前,新加坡就开始研究热带、亚热带气候下隔热门窗对节能的影响[2]。由于我国夏热冬暖地区的气候条件与新加坡的并不完全相同,而且近年来伴随珠三角大湾区的建设开发,本地区的幕墙工程数量剧增,因此非常有必要对夏热冬暖地区的幕墙防热设计进行全面研究,本文将就此方向进行量化分析,并加以讨论。
2. 夏热冬暖地区的幕墙热工性能
2.1 边界条件和典型幕墙节点的选取
本文以广东深圳(北纬22°)作为夏热冬暖地区的代表。夏季室外温度和太阳辐射照度见表2,室外风速2.2m/s,室外对流换热系数12.8 W/(m2K),室内对流换热系数2.5 W/(m2K),室内温度25°C,相对湿度50%。
表2–深圳夏季室外温度和太阳辐射照度[3]
幕墙节点分别选用明框非断热、明框断热(24mm尼龙隔热条)、隐框与层间单片夹层玻璃、层间中空夹层玻璃的组合(图2a~2f),可视玻璃选用6+1.52PVB+6(双银Low-e)+12A+10中空夹层玻璃,层间单片夹层玻璃选用6+1.52PVB+6,层间中空夹层玻璃同可视玻璃,间隔条材质为铝合金。
2.2 节点温度计算结果
经建模计算,各节点的整体温度分布情况如下图3a~3f所示(篇幅原因,这里只显示东8时/西16时条件下的温度)。
2.2.1 玻璃中心区域的温度
这里分别统计了内片玻璃的表面(图5)和外片玻璃的内部(图6)温度(读数点布置如图4所示)。
图4–玻璃中心区域的温度读数点
图5–内片玻璃的温度汇总
图6–外片玻璃的内部温度汇总
观察以上图表,可发现玻璃中心区域的温度与框和层间玻璃类型的关联不大,主要取决于室外温度和太阳辐射照度。此外还发现:
1) Low-e中空玻璃的内片玻璃表面温度最高为37°C。
2) 夹层玻璃,包括单片夹层玻璃和中空夹层玻璃,中间膜的温度高达72.6°C,且东西立面的夹层玻璃中间膜表面高于60°C的时间约为3.5~4小时。据国内外多项研究,长时间的高温会对PVB夹层玻璃的性能产生不利影响,包括:
a) 随着温度升高,PVB夹层玻璃的刚度也会逐渐降低,受弯性能减弱[4]
b) 随着温度升高,破碎后的PVB夹层玻璃的抗剪强度快速下降[5]
c) 长时间处于60~85°C环境,会使PVB气泡并降低夹层玻璃的设计使用寿命
2.2.2 框和玻璃边缘的温度
虽然框和层间玻璃类型与玻璃中心区域的关联不大,但对框和玻璃边缘的温度影响很大。这里,我们分别统计了框的室内表面(图8)和玻璃边缘的室内表面(图9)的温度(读数点布置如图7所示)。
图7–框和玻璃边缘的温度读数点
根据ISO 7730夏季室内舒适的温度为24~28°C[6],《健康建筑评价标准》规定了外墙内表面的最高温度限值不高于室内温度+3°C[7],但是对于幕墙内表面温度,目前尚无具体规定,考虑到玻璃内片中心区域最高温度为37°C,这里将幕墙内表面温度限值暂定为40°C。
图8–框室内表面的温度汇总
图9–玻璃边缘室内表面的温度汇总
观察以上图表,可发现幕墙的隔热性能从高到低依次为:隐框+层间中空>明框断热+层间中空>隐框+层间单片>明框断热+层间单片>明框非断热+层间中空>明框非断热+层间单片。各组合中,框和玻璃边缘的最高和最低温度分别相差13°C和5°C,其中:
1) 对于明框非断热系统,框和玻璃边缘的最高温度分别为56和46°C,且层间玻璃类型对隔热性能的影响不大,东西立面的幕墙框表面高于40°C的时间约为5.5小时。
2) 对于明框断热系统,相比单玻,层间中空可使框和玻璃边缘的最高温度分别下降5.1和1.7°C,还可使东西立面的幕墙框表面高于40°C的时间从4.5缩短至3.5小时。
3) 对于隐框系统,相比单玻,层间中空可以使框和玻璃边缘的最高温度分别下降6.4和2.4°C,还可使东西立面的幕墙框表面高于40°C的时间从4.5缩短至2小时。
2.3 改进建议
2.3.1 改进方案——外遮阳
设置外遮阳有助于避免幕墙室外表面受到的太阳直射,进而减少所受太阳辐射照度。以明框断热+层间单片为例,假设太阳辐射照度降低30%,各构件的温度变化如下(图10,11,12,13)
图10–内片玻璃的温度(设置外遮阳前后)
图11–外片玻璃的内部温度(设置外遮阳前后)
图12–框室内表面的温度(设置外遮阳前后)
图13–玻璃边缘室内表面的温度(设置外遮阳前后)
由图表可见,70%太阳辐射照度下,所有构件温度均有所下降,特别是外片玻璃的内部温度降低近12°C。由此可见,设置外遮阳既可提高室内热舒适度,又能消除了PVB夹层玻璃的高温隐患。
2.3.2 改进方案——高性能隔热
如前所述,框和层间玻璃类型与玻璃中心区域的温度关联不大,但前者对框和玻璃边缘的温度影响很大,因此可通过降低框和层间玻璃的表面温度,从而提高热舒适度。例如,可在关键部位设置高性能幕墙隔热毯和暖边间隔条(图14),可明显降温(图15,16)。
图14–高性能隔热方案
图15–框室内表面的温度(设置高性能隔热前后)
图16–玻璃边缘室内表面的温度(设置高性能隔热前后)
3. 总结:
本文整理了夏热冬暖地区的典型玻璃幕墙系统在夏季条件下的构件温度,得到以下结论:
1) 玻璃中心区域的温度主要取决于室外温度和太阳辐射照度。
2) 在外片玻璃采用夹层玻璃时,长期高温环境对PVB夹层玻璃的影响不可忽视。
3) 框(是否断热)和层间玻璃类型(是否中空)对框和玻璃边缘的温度影响很大。
因此,对于夏热冬暖地区的建筑工程,特别是对室内热舒适度有具体要求时,在幕墙设计环节有必要进行防热设计和计算。计算方法应参照JGJ/T151《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》,但须注意:边界条件务必使用工程所在地的实际夏季环境条件。
设计时建议优先考虑设置外遮阳,特别是位于西立面的玻璃幕墙。对于那些造型独特或没有条件设置外遮阳的幕墙系统,夹层玻璃的中间膜可考虑选用热耐久性更好的材质,也可考虑采用高性能隔热方案作为隔热性能的补充或增强,并比选不同方案的性价比。
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。
