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      幕墻設(shè)計(jì)與建筑節(jié)能——記長(zhǎng)春國(guó)際金融中心幕墻工程熱工設(shè)計(jì)

      來(lái)源:金紹凱華東都市建筑設(shè)計(jì)研究總院幕墻設(shè)計(jì)研究中心  作者:金紹凱  日期:2017-12-7
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        【摘要】玻璃幕墻作為現(xiàn)代建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu),不同的環(huán)境條件下對(duì)建筑幕墻的節(jié)能要求也不盡相同。建筑幕墻的熱工性能是與幕墻的分格及幕墻的構(gòu)造密切相關(guān),立面分格的調(diào)整會(huì)導(dǎo)致幕墻保溫性能指標(biāo)發(fā)生變化。必須綜合考慮幕墻的整體性能, 正確進(jìn)行對(duì)玻璃參、鋁合金型材及其構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計(jì),使得幕墻整體傳熱系數(shù)符合熱工規(guī)范的要求。
        【關(guān)鍵詞】玻璃幕墻,保溫節(jié)能,熱工性能

        【引言】玻璃幕墻作為現(xiàn)代建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)(詞條“圍護(hù)結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供),因其重量輕并具有獨(dú)特的通透性和藝術(shù)感,融合裝飾和使用功能于一體,受到建筑師和開發(fā)商的青睞。同傳統(tǒng)的建筑外墻體相比較,玻璃幕墻的重量約為傳統(tǒng)磚混結(jié)構(gòu)的1/3左右,采用玻璃幕墻使得建筑的重力荷載大為減小。但是,因?yàn)檫x用玻璃和金屬構(gòu)件,玻璃幕墻成為熱交換最為敏感的建筑部位,其熱損失(詞條“熱損失”由行業(yè)大百科提供)往往增加至傳統(tǒng)墻體的5~6倍,耗能約占建筑總能耗的40%左右。國(guó)家節(jié)能減排政策已經(jīng)實(shí)施,改善與提高玻璃幕墻節(jié)能性能成為幕墻行業(yè)亟待解決的問(wèn)題。

        1、項(xiàng)目概況

        我國(guó)幅員遼闊,南北方氣候與溫度差異很大,不同的環(huán)境條件下對(duì)建筑幕墻的節(jié)能要求也不盡相同。本項(xiàng)目位于東北吉林省長(zhǎng)春市,地處東北松遼平原腹地,年平均氣溫4.8°C,最高溫度39.5°C,最低溫度-39.8°C,屬于嚴(yán)寒地區(qū)的B類區(qū)域。

        項(xiàng)目總建筑面積約28.5萬(wàn)平方米,幕墻面積約10萬(wàn)平方米。由澳大利亞COX建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所作為外方設(shè)計(jì)公司,并由澳大利亞最著名的建筑大師、學(xué)者、畫家Philip Cox擔(dān)當(dāng)主設(shè)計(jì)師。《長(zhǎng)春國(guó)際金融中心》以發(fā)散性的思維提出了建筑立面設(shè)計(jì)滲透中國(guó)傳統(tǒng)文化的理念。旨在汲取中國(guó)書法精華的意念之中,追求建筑立面彰顯中國(guó)悠遠(yuǎn)文化淵源,把水的概念體現(xiàn)在整體平面(詞條“平面”由行業(yè)大百科提供)布局建筑形態(tài)的設(shè)計(jì)上。

        “長(zhǎng)春國(guó)際金融中心A座”大廈形體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、優(yōu)雅、時(shí)尚。從下到上依次設(shè)置為五星級(jí)酒店及高檔公寓。

        建筑高度:234m;

        幕墻高度:234.1m。

        幕墻結(jié)構(gòu):單元式玻璃幕墻

        幕墻單元:1357x4100mm

        建筑技術(shù)(詞條“建筑技術(shù)”由行業(yè)大百科提供)指標(biāo):

        體型系數(shù):0.11;窗墻比:南、北0.45;東、西0.39

        傳熱系數(shù)(詞條“傳熱系數(shù)”由行業(yè)大百科提供)≤2.1W/m2•K。透光率≥68%

        根據(jù)吉林省地方標(biāo)準(zhǔn)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DB22/T436-2006可知,本建筑為甲類建筑且建筑的體形系數(shù)S=0.11<0.3,則維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)需滿足下表1:

      (表1)

        2、立面分析

        建筑設(shè)計(jì)層高4100mm,從上到下橫向分格為600mm-730mm-1200mm-1570mm(見左圖)。其中1570mm為采光部分,600mm為窗檻墻高度。豎隱橫明的單元式玻璃幕墻結(jié)構(gòu),橫向裝飾框鑲嵌LED光源。建筑師的設(shè)計(jì)理念即適應(yīng)立面表達(dá)的藝術(shù)需求,在構(gòu)造設(shè)計(jì)上又充分考慮了嚴(yán)寒地區(qū)冬季的保溫要求,以滿足建筑熱工性能要求。

        玻璃幕墻的熱交換途徑有三種方式:傳導(dǎo)對(duì)流熱輻射。對(duì)于東北嚴(yán)寒地區(qū),冬季的保溫節(jié)能理應(yīng)成為幕墻設(shè)計(jì)技術(shù)控制的主要內(nèi)容。由于玻璃面積占了幕墻立面的絕大部分,參與熱交換的面積大,是幕墻建筑是否節(jié)能的關(guān)鍵。

        根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50176中表3.1.1對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)的規(guī)定:“必須充分滿足冬季保溫要求,一般可不考慮夏季隔熱”,本項(xiàng)目只考慮幕墻系統(tǒng)的冬季保溫性能。

        除了大廈底層全玻璃幕墻(詞條“全玻璃幕墻”由行業(yè)大百科提供)以外,建筑外立面均為有框幕墻結(jié)構(gòu)體系。一般來(lái)說(shuō),如果是全隱框的玻璃幕墻,由于鋁合金框在室內(nèi),參與熱交換的總量有限,熱損失較小,幕墻的整體傳熱系數(shù)近似取玻璃的傳熱系數(shù)也是能夠相當(dāng)于熱工要求的規(guī)定值。但是作為明框玻璃幕墻鋁合金龍骨導(dǎo)熱系數(shù)大,冷橋現(xiàn)象對(duì)幕墻的傳熱系數(shù)影響較大,尤其是在北方,將會(huì)造成很大的熱損失。

       

        幕墻的整體傳熱系數(shù)必須是玻璃和(詞條“鋁”由行業(yè)大百科提供)合金框的加權(quán)傳熱系數(shù),而有效提高幕墻鋁合金型材(詞條“鋁合金型材”由行業(yè)大百科提供)的保溫性能是節(jié)能設(shè)計(jì)的重要措施。本項(xiàng)目玻璃幕墻為橫明豎隱形式,鋁合金龍骨設(shè)計(jì)為隔熱型材隔熱材料采用PA66GF25隔熱條。

        3、熱工計(jì)算

        3.1、層間部分熱工計(jì)算:

        (6+1.52PVB+6+12Ar+8mm)+70mm空氣間層+2mm鋁板+100mm保溫巖棉熱阻的加權(quán)計(jì)算:

        冬季:R冬季=R中空鋼化玻璃+R空氣+R鋁板+R保溫

        =0.033 /1.472+0.18+0.002/203+0.100/0.05

        =2.21(m2k/W)

        夏季:R夏季=R中空鋼化玻璃+R空氣+R鋁板+R保溫

        =33/1.472+0.15+2/203+100/0.05

        =2.18(m2k/W)

        則冬季R0=RI+R+Re

        =0.11+2.21+0.04

        =2.36(m2k/W)

        K=1/ R0=1/2.36=0.42≤0.5

        則夏季R0=RI+R+Re

        =0.11+2.18+0.05

        =2.34(m2k/W)

        K=1/ R0=1/2.33=0.43≤0.5

        非透明幕墻部分滿足熱工要求。

        3.2、透明幕墻部分熱工計(jì)算

        A座主塔樓采用單元式幕墻構(gòu)造形式,玻璃選用6+1.52PVB+6+12Ar+8mm夾膠雙銀Low-E中空玻璃暖邊中空玻璃間隔條。應(yīng)用美國(guó)勞倫斯·伯克力實(shí)驗(yàn)室的Window 7.2軟件計(jì)算玻璃參數(shù)如下:(表2)

        取Low-E玻璃冬季的傳熱系數(shù)1.44W/(m2·K),用Therm7.3軟件對(duì)幕墻系統(tǒng)進(jìn)行熱工計(jì)算。

        幕墻系統(tǒng)滿足熱工要求,此時(shí)幕墻系統(tǒng)的加權(quán)傳熱系數(shù)很接近限值。

        4、幕墻構(gòu)造調(diào)整對(duì)熱工性能的影響

        玻璃幕墻的特性之一就是通透性。充分利用自然光,使得室內(nèi)光線充足,減少了白天室內(nèi)的人工照明,從而減少電耗,達(dá)到建筑節(jié)能的目的。基于對(duì)這這個(gè)理由,本案的開發(fā)商對(duì)立面分格進(jìn)行了改造,將原設(shè)計(jì)4100mm層高內(nèi)從上到下的分格更改為850mm-850mm-2400mm,取消了室內(nèi)600mm的(詞條“窗”由行業(yè)大百科提供)檻墻,將采光部分增至2400mm(見圖8)。

        建筑幕墻作為外圍護(hù)體系,立面分格的調(diào)整勢(shì)必影響到保溫性能。改變之后立面的窗墻比為0.58,查表3.2.1-2得知,透明幕墻部分的傳熱系數(shù)限值提高了一個(gè)等級(jí)為1.8W/(m2·K)。若要在原幕墻結(jié)構(gòu)不變的前提下經(jīng)過(guò)計(jì)算,玻璃的傳熱系數(shù)須要1.32 W/(m2·K)方能滿足熱工要求(如表4)。

        建筑設(shè)計(jì)是建筑師構(gòu)思縝密的藝術(shù)作品,每個(gè)作品都蘊(yùn)含著不同的創(chuàng)作理念,建筑立面則是設(shè)計(jì)理念的外部表現(xiàn),直接被眾人欣賞和評(píng)價(jià)。立面分格的改變無(wú)疑會(huì)影響到原創(chuàng)作品的藝術(shù)表現(xiàn)。本建筑立面所表現(xiàn)的書法藝術(shù)是書法家舒同的作品,他曾被毛澤東譽(yù)為“馬背上的詩(shī)人”。幕墻分格的調(diào)整使得動(dòng)態(tài)LED所表現(xiàn)的字體間斷,有損連續(xù)流暢的書法韻律。我們通過(guò)動(dòng)態(tài)效果的對(duì)比,與開發(fā)商溝通后,在采光分格中間增加了一個(gè)橫框,將分格劃分為850mm-850mm-1650mm-750mm,縮小了LED點(diǎn)陣間距,避免了字體中斷(見右圖10)。

        要提高建筑的保溫性能必須控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)。在熱工性能復(fù)核時(shí)發(fā)現(xiàn),由于增加了一道橫框,幕墻的傳熱系數(shù)超出了限值1.8 W/(m2·K)。如果單純調(diào)整玻璃參數(shù),需要將玻璃的傳熱系數(shù)降到1.18 W/(m2·K)才能滿足要求(見表5)。

        按照當(dāng)前的玻璃配置,傳熱系數(shù)很難達(dá)到1.18W/(m2•K)。我們對(duì)鋁合金型材進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),以均衡地調(diào)整各種材料的參數(shù),把原來(lái)14.8mm的隔熱條改為22mm高(如圖11、12)。

        結(jié)語(yǔ)

        幕墻的熱工性能是與幕墻的分格及幕墻的構(gòu)造密切相關(guān)的,立面分格的調(diào)整會(huì)導(dǎo)致幕墻保溫性能指標(biāo)發(fā)生變化。建筑設(shè)計(jì)是一個(gè)完整的系統(tǒng)工程,無(wú)論是在方案設(shè)計(jì)階段與幕墻設(shè)計(jì)的早期協(xié)同中,還是在后期的幕墻設(shè)計(jì)過(guò)程中,任何對(duì)立面分格的調(diào)整,都應(yīng)考慮對(duì)幕墻熱工性能的影響,決不能僅僅為了提高玻璃和鋁型材的利用率而隨意更改立面分格,顧此失彼,忽視對(duì)幕墻熱工性能的影響,以至于加大了幕墻的熱損失,造成能耗的增加。

        玻璃幕墻作為建筑外表皮,既要強(qiáng)調(diào)平面的構(gòu)成和立面各個(gè)部分的協(xié)調(diào),也要從幕墻構(gòu)件的制作工藝和構(gòu)件截面上精心設(shè)計(jì)、細(xì)致組合,同時(shí)必須綜合考慮幕墻的整體性能,正確進(jìn)行對(duì)玻璃參、鋁合金型材及其構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計(jì),使得幕墻整體傳熱系數(shù)符合熱工規(guī)范的要求,最大限度地降低能耗,達(dá)到保溫節(jié)能的功效。

        參考文獻(xiàn):

        [1]GB50176-2002《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》-第四章 圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計(jì)

        [2]GB50189-2015公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》-4建筑與建筑熱工設(shè)計(jì)

        [3]DB22/T436-2006《吉林省公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》-3建筑與建筑熱工設(shè)計(jì)

        [4]徐占發(fā) 主編《建筑節(jié)能技術(shù)實(shí)用手冊(cè)》機(jī)械工業(yè)出版社-P5頁(yè),1.1.6 建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)

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