章一峰 浙江共濟幕墻有限公司

1 案例概況

玻璃幕墻建筑廣泛應(yīng)用于高層建筑領(lǐng)域，尤其是超高層建筑幾乎無一例外都采用了玻璃幕墻，但超高層建筑畢竟只是少數(shù)，不具備典型性。本文以浙江省嘉興市海寧市某棟23.1m高的行政樓為例，分析其玻璃幕墻節(jié)能性能（圖1）。

圖1 建筑立面圖

本工程幕墻型式選擇較為常見的明框幕墻體系，玻璃采用6mm+12A+6mmLow-E玻璃，橫梁為比較常見的開口型材，通過角碼與立柱連接（圖2）。

圖2 玻璃幕墻標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)

為避免出現(xiàn)節(jié)能空洞，同時也為了保證分戶防火性能，杜絕相鄰戶型間出現(xiàn)串煙串火現(xiàn)象，在玻璃幕墻兩側(cè)與其他幕墻體系相連處設(shè)置保溫防火棉進(jìn)行隔斷。本工程在防火棉外側(cè)以2mm鋁單板封修，效果更精美（圖3）。

基于以上項目特性，對玻璃幕墻的面板、型材及輔助材料等進(jìn)行熱工計算分析，以確定此套玻璃幕墻系統(tǒng)在該區(qū)域本項目中的匹配程度。

2 玻璃模型熱工分析

2.1 熱工分析基本信息

玻璃幕墻系統(tǒng)中，玻璃占比較大，因此玻璃節(jié)能尤為重要，本工程采用6mm+12A+6mmLow-E鋼化玻璃。

圖3 與相鄰幕墻收口節(jié)點

本工程位于海寧市，屬于夏熱冬冷地區(qū)，熱工有限元分析采用的各項基本參數(shù)如下：

室內(nèi)空氣溫度：Tin= 20℃；

室外空氣溫度：Tout= -20℃；

室內(nèi)對流換熱系數(shù)：hc.in= 3.6W/(m2·K)；

室外對流換熱系數(shù)：hc.out= 16W/(m2·K)。

該節(jié)點所采用的各項材料相關(guān)特性見表1。

熱工有限元分析的節(jié)點模型如圖4所示。

圖4 節(jié)點模型示意圖

表1 玻璃各項材料相關(guān)特性

2.2 熱工分析模型信息

熱工有限元分析的節(jié)點模型材料如圖5所示（各種材料按照深淺進(jìn)行區(qū)分）。

圖5 模型材料示意圖

節(jié)點進(jìn)行三角化后的計算模型示意圖如圖6。

圖6 節(jié)點三角化示意圖

2.3 熱工分析溫度分布圖

通過幕墻節(jié)能計算軟件“豪沃克”有限元分析，得到節(jié)點模型的溫度分布如圖7所示。

圖7 溫度分布圖

2.4 熱工分析U值計算

經(jīng)有限元分析得到，熱工節(jié)點模型整體熱流為：5.75547W/m；

節(jié)點模型室外部分長度為：0.0914273m；

節(jié)點模型室內(nèi)表面溫度為20℃；

節(jié)點模型室外表面溫度為-20℃；

室內(nèi)外溫差為40℃。

所以該節(jié)點模型整體U值為：

2.5 熱工分析熱流分布

經(jīng)過有限元分析，得到模型各單元的熱流分布如圖8所示。

圖8 模型各單元的熱流分布圖

3 熱工有限元分析計算

3.1 熱工分析基本信息

熱工有限元分析采用的各項基本參數(shù)如下：

室內(nèi)空氣溫度：Tin= 20℃；

室外空氣溫度：Tout=-20℃；

室內(nèi)對流換熱系數(shù)：hc.in= 3.6W/(m2·K)；

室外對流換熱系數(shù)：hc.out= 16W/(m2·K)。

根據(jù)JGJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》7.1.2第2條規(guī)定，應(yīng)用一塊導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.03W/(m·K)的板材替代實際的玻璃（或其他鑲嵌板），板材的厚度等于所替代面板的厚度，且嵌入框的深度按照面板嵌入的實際尺寸，可見部分的板材寬度bp不應(yīng)小于200mm。

幕墻節(jié)點所采用的各項材料相關(guān)特性見表2。

表2 幕墻節(jié)點所采用的各項材料相關(guān)特性表

熱工有限元分析的節(jié)點模型經(jīng)簡化后如圖9所示。

圖9 節(jié)點模型示意圖

3.2 熱工分析模型信息

為方便區(qū)分各主輔材在熱工計算中的貢獻(xiàn)，節(jié)點模型各種材料按照深淺進(jìn)行區(qū)分。

圖10 模型材料分色示意圖

節(jié)點進(jìn)行三角化后的計算模型示意圖如圖11。

圖11 節(jié)點三角化示意圖

3.3 熱工分析溫度分布圖

經(jīng)過有限元分析熱量通過幕墻系統(tǒng)傳遞與損耗路徑，得到節(jié)點模型的溫度分布如圖12所示。

圖12 溫度分布圖

3.4 熱工分析U值計算

經(jīng)有限元分析得到，熱工節(jié)點模型整體熱流為：22.5599W/m；

節(jié)點模型室外部分長度為：0.274848m；

節(jié)點模型室外部分總投影長度為：0.26m；

節(jié)點模型板材投影長度為：0.2m；

節(jié)點模型框投影長度為：0.06m；

節(jié)點模型室內(nèi)表面溫度為：20℃；

節(jié)點模型室外表面溫度為：-20℃；

室內(nèi)外溫差為：40℃。

根據(jù)JGJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》7.1.2-1計算替代面板的U值。

替代板材厚度：

板塊熱阻：

替代板塊總熱阻：

所以替代面板的U值：

3.5 熱工分析熱流分布

經(jīng)過有限元分析，得到模型各單元的熱流分布如圖13所示。

圖13 單元熱流圖

3.6 框與玻璃系統(tǒng)(或其他鑲嵌板)接縫的線傳熱系數(shù)計算說明

根據(jù)JGJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》7.1.3第1條規(guī)定，計算框與玻璃系統(tǒng)（或其它鑲嵌板）接縫的線傳熱系數(shù)ψ時，用實際的玻璃體系（或其它鑲嵌板）替代導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.03W（/m·K）的板材，其它尺寸不改變。

在本有限元分析計算中，考慮該節(jié)點在室內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)條件下流過的熱流。

使用實際模型再次進(jìn)行有限元分析，模型具體材料特性見表3。

表3 本模型材料特性表

圖14 模型材料分色示意圖

3.7 線傳熱系數(shù)計算模型溫度分布圖

經(jīng)過有限元分析，得到節(jié)點模型的溫度分布如圖15所示。

圖15 溫度分布圖，整體熱流量為30.055W/m

3.8 線傳熱系數(shù)計算模型熱流向量圖

經(jīng)過有限元分析，得到模型各單元的熱流分布，如圖16所示。

圖16 單元熱流圖，整體熱流量為30.055W/m

3.9 框與玻璃系統(tǒng)(或其他鑲嵌板)接縫的線傳熱系數(shù)計算

經(jīng)有限元分析得到，熱工節(jié)點模型整體熱流為：30.0555W/m；

節(jié)點模型室外部分長度為：0.274848m；

節(jié)點模型板材投影長度為：0.2m；

節(jié)點模型框投影長度為：0.06m；

節(jié)點模型室內(nèi)表面溫度為：20℃；

節(jié)點模型室外表面溫度為：-20℃；

室內(nèi)外溫差為：40℃。

根據(jù)JGJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》7.1.3-2：

熱工有限元分析的節(jié)點模型材料按照深淺對各種材料進(jìn)行區(qū)分，如圖14所示。

式中：

ψ——框與玻璃（或其他鑲嵌板）接縫的線傳熱系數(shù)，W/(m·K)；

L——框截面整體線傳熱系數(shù)，W/(m·K)；

Ug— —玻璃的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

bg— —玻璃可見部分的寬度，m；

Tn.in— —室內(nèi)環(huán)境溫度，K；

Tn.out——室外環(huán)境溫度，K。

將已知條件代入上面公式中，有：

4 幕墻整體U值計算

4.1 幕墻整體熱工計算原理

根據(jù)JGJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》4.3.1條規(guī)定，單幅幕墻的傳熱系數(shù)Ucw應(yīng)按照下式計算：

式中：

Ucw— —單幅幕墻的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

Ag— —玻璃或透明面板面積，m2；

Lg— —玻璃或透明面板邊緣長度，m；

Ug— —玻璃或透明面板傳熱系數(shù)，W/(m2·K)，應(yīng)按《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》第6章的規(guī)定計算；

ψg——玻璃或透明面板邊緣的線傳熱系數(shù)，W/(m·K)，應(yīng)按《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》第7章的規(guī)定計算；

Ap— —非透明面板面積，m2；

Lp——非透明面板邊緣長度，m；

Up— —非透明面板傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

ψp— —非透明面板邊緣的線傳熱系數(shù)，W/(m·K)，應(yīng)按《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》第7章的規(guī)定計算；

Af——框面積，m2；

Uf— —框的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)，應(yīng)按《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》第7章的規(guī)定計算。

4.2 幕墻整體熱工計算

當(dāng)前幕墻/門窗各部分傳熱系數(shù)如表4～表6所示。

各處框的傳熱系數(shù)及面積見表4。

表4 幕墻框?qū)傩?/p>

各處玻璃或透明面板的傳熱系數(shù)及面積見表5。

表5 幕墻玻璃屬性

各處玻璃或透明面板邊緣的線傳熱系數(shù)及邊緣長度見表6。

表6 幕墻邊緣屬性

所以當(dāng)前單幅幕墻的整體U值為2.37712W/(m2·K)。

5 幕墻節(jié)能提升思路

經(jīng)過以上模擬計算，提升玻璃幕墻節(jié)能效果需要通過改變幕墻所處的環(huán)境、提升面板配置、調(diào)整型材傳熱系數(shù)以及提升輔材節(jié)能屬性等方面進(jìn)行深化，主要思路如下。

5.1 改變幕墻所處環(huán)境

玻璃幕墻直接暴露在日光下，陽光對于玻璃的侵蝕是全方位無遮擋的，因此夏季室外玻璃表面溫度甚至能高達(dá)70℃以上，通過在幕墻系統(tǒng)上增加室外遮陽體系，將其與幕墻結(jié)合，可降低陽光照射面。阿布扎比投資委員會新總部大樓項目外遮陽系統(tǒng)完全打開時甚至能將整個外立面包裹起來，該工程使用的Mashrabiya智能遮陽系統(tǒng)，顛覆了傳統(tǒng)的遮陽形式。將機電、遮陽與幕墻巧妙地結(jié)合在一起，使玻璃幕墻節(jié)能有了一個新的設(shè)計思路。當(dāng)建筑幕墻遭受陽光直射時，遮陽系統(tǒng)呈全開狀態(tài)，從而為建筑提供全方位遮擋。隨著太陽的移動，遮陽系統(tǒng)可隨時間逐漸呈現(xiàn)半張或關(guān)閉狀態(tài)，從而實現(xiàn)根據(jù)外部環(huán)境的變化對大樓的內(nèi)部溫度、光線燈進(jìn)行智能地自我調(diào)節(jié)（圖17）。

圖17 阿布扎比投資委員會新總部大樓表皮剖析

5.2 提升玻璃面板配置

幕墻玻璃面板應(yīng)用至今已經(jīng)產(chǎn)生了眾多品種，如中空玻璃、真空玻璃、Low-E玻璃、夾層玻璃……等，提升玻璃面板配置能有效提升建筑節(jié)能效果，主要方法有：

a)增加玻璃厚度，如6mm厚升級成8mm或更厚；

b)增加間隔條厚度（但不宜過厚，超過18mm會產(chǎn)生對流）；

c)增加玻璃數(shù)量，如將單片玻璃更換成中空玻璃或者三玻兩腔玻璃；

d)增加玻璃鍍膜數(shù)量，如將熱反射膜或單銀玻璃替換成雙銀、三銀玻璃；

e)中空層處理，如抽真空、充惰性氣體（氬氣、氙氣、氪氣）、增加玻璃內(nèi)遮陽簾（圖18）；

圖18 玻璃內(nèi)遮陽簾窗

f)玻璃暖邊技術(shù)的應(yīng)用，玻璃合片時邊緣密封系統(tǒng)種類繁多，主要為間隔條（框）、密封膠和分子篩。間隔條在兩層玻璃之間，起分隔玻璃板的作用，形成密閉的空間，既能保證氣體層的封閉，其自身也具有一定的隔熱作用，常見的有框架式剛性間隔系統(tǒng)、條狀式非剛性間隔系統(tǒng)等。

玻璃面板配置見表7。

5.3 幕墻型材

表7 不同配置玻璃性能比較

幕墻型材同樣直接與室外接觸，其隔熱屬性非常重要，常用的斷橋型材本身隔熱性能比較好，除此之外可采用增加墻體、填充發(fā)泡劑、注膠型材、硬質(zhì)聚氨酯隔熱型材（圖19）、木龍骨（圖20）等工藝來提升其型材屬性。

5.4 輔材

密封膠、三元乙丙膠條、螺釘、泡沫棒、保溫棉、發(fā)泡劑等輔材在幕墻工程總造價中雖然占比不大，但在節(jié)能環(huán)節(jié)起著紐帶作用，銜接著各大主材，是整體保溫節(jié)能系統(tǒng)中的閉環(huán)，為避免出現(xiàn)木桶短板效應(yīng)，不容忽視。

圖19 硬質(zhì)聚氨酯隔熱型材

圖20 實木玻璃幕墻立柱

6 總結(jié)

隨著玻璃幕墻應(yīng)用的日漸廣泛，其熱工性能的提升也顯得極為關(guān)鍵。優(yōu)秀的幕墻系統(tǒng)不僅安全可靠、精巧美觀，對于使用者的居住體驗也發(fā)揮著不可替代的作用，既要讓室外的景致與室內(nèi)空間發(fā)生互動，又不使能量通過大塊面的玻璃幕墻形成損耗，平衡好以上條件是評價幕墻系統(tǒng)優(yōu)劣的核心要素，也是幕墻從業(yè)人員在設(shè)計新系統(tǒng)時應(yīng)考慮的重點。