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节能玻璃幕墙的热工设计与节点设计
  摘要:玻璃幕墙是现代化建筑的主要外围护结构之一,其设计不仅要满足建筑美学和建筑功能的要求,而且要更多地考虑热工设计,充分体现当前国际上流行的建筑设计三大原则:“开放与交流、舒适与自然、环保与节能。”
  关键词:玻璃幕墙 热工 原理
  构造现阶段,大多数提高玻璃幕墙节能保温性能的工程主要措施是采用镀膜玻璃、Low-E玻璃、热反射玻璃、中空玻璃及隔热断桥铝型材降低结构传热系数K、消除结构体系“热桥”、降低空气渗透热损失、减少开启窗扇面积、提高其密封性等。总之,尚停留在消极设防的设计思想阶段。
  1、转变设计理念:变被动为主动
  玻璃幕墙的热工设计,应该追求设计功能的主动性和积极性,变被动设防为主动利用能源的设计思想,为了减少冬季采暖供热的热损失和能源消耗,为了减少夏季空调制冷的热袭入和能源消耗,玻璃幕墙热工设计的发展趋向是:对于以采暖供热为主的幕墙追求达到温室效应,对于以空调制冷为主的幕墙追求达到冷房效果,无论何种幕墙都将追求合理利用太阳能。动态幕墙(也称热通道幕墙、双层通风幕墙)是一种很好的发展方向,由光电板系统和幕墙系统组成的光电幕墙也是主动利用太阳能的一个应用发展方向,综合运用光能、热能、电能的智能玻璃幕墙是最理想的发展方向。
  进行幕墙热工设计时,必须对其复杂的传热过程和传热方式进行分析和研究。玻璃幕墙的传热过程大致有三种途径:一是玻璃和铝合金(不锈钢)金属框格的传热:通过单层玻璃的热流传热,通过金属框格传热,通过玻璃的镀膜层减少辐射换热;二是幕墙内表面与室内空气和室内环境间的换热:内表面与室内空气间的对流换热,内表面与室内环境间的辐射换热;三是玻璃幕墙外表面与周围空气和外界环境间的换热;外表面与周围空气间的对流换热,外表面与外界环境间的辐射换热,外表面与空间的各种长波(如电磁波、红外线等产生的长度)辐射换热。四是普通玻璃幕墙采用单层玻璃和铝合金型材的梁柱结构,而节能玻璃幕墙则应从上述三种途径加以考虑:第一种途径(热传导)对节点设计影响最大,针对玻璃的导热性能,设计时采用中空玻璃;针对铝框的导热性能,设计时采用尼龙66等结构塑料,形成“断桥”,可增大热阻,减少热传导,从而设计隔热幕墙。在此基础上,再考虑第二种途径(热对流)和第三种途径(热辐射),在构造上采用双层Low-E玻璃,上下端对流开口,从而设计动态幕墙。
  2、隔热幕墙的节点设计
  隔热幕墙的节能原理是采用中空玻璃和隔热断桥铝型材来实现节能的。隔热断桥铝型材的隔热原理是基于产生一个连续的隔热区域,利用隔热条将铝合金型材分隔成两个部分。隔热条“冷桥”选用材料为聚酰胺尼龙66,其导热系数为0。3W/(m2K),远小于铝合金的导热系数210W/(m2K),而力学性能指标与铝合金相当。20世纪70年代末,隔热断桥铝型材在国外问世,主要用于高寒地区的铝合金门窗,到20世纪80年代末开始用于高寒地区的有框玻璃幕墙。我国目前在保温隔热性能要求很高的建筑中,也开始把它用于明框隔热玻璃幕墙、隐框隔热玻璃幕墙及点支式隔热玻璃幕墙
  此外,在隔热幕墙中,更重要的是要注意中空玻璃的应用与设计(因为在幕墙中,玻璃所占的面积比铝合金框要大的多)。如果采用10+12A+10中空玻璃,那么其传热系数K达3。0W/(m2K)左右,传热系数比单层玻璃低了近1/2,可以大大地降低能耗,因此,在保温性能要求比较高的情况下,应采用中空玻璃,如果中空玻璃内充入惰性气体,其K值还以可降至1。3W/(m2K)。
  铝型材节点设计的总体思路是:在铝合金型材截面不变的情况下,通过改变隔热条和胶条的尺寸,分别装配不同厚度的中空玻璃,从而达到不同的隔热设计要求,以供不同地区、不同类型的建筑、不同要求的业主选择。采用隔热幕墙能起到很好的节能和降噪效果。与普通的单层玻璃相比,节省能耗约25%~50%,降噪约达30db~40db。动态幕墙的节点设计动态幕墙是一种新型的节能幕墙,是幕墙技术的新发展。根据其结构,可以分为“封闭式内循环体系”和自然通风的“敞开式外循环体系”两种类型。前者需要通过电机强制抽风,因而总体节能水平不高;后者通过自然通风,所以节能效果更为明显。
  自然通风式动态幕墙的构造,其外层由单层玻璃及非绝热杆件组成的敞开结构玻璃幕墙,内层由绝热杆件和中空玻璃组成的推拉门(或推拉窗)幕墙体系。两层幕墙之间的热通道一般装有可自动调控的百叶。在热通道的上下两端装有排风和进风装置。
  其运行原理可以按照不同的季节说明。夏天:内外两层幕墙中间热通道的温度很高时,可打开热通道上下两端的排气口装置,在热通道内由于热烟囱效应产生自下而上的气流运动,带走了通道内的热量,这样可以降低内侧幕墙的外表面温度,减少空调制冷的负荷,节约能源,降低能耗。通过对通道上下两端排气、进气装置的调控,在通道内形成负压,利用内侧幕墙两边的压差和开启扇,可以随时向室内输入新鲜空气。冬天:通道上下两端的排气口装置关闭,内外两层玻璃幕墙间的热通道由于阳光的照射,温度升高,像一个温室,这样等于提高了内侧幕墙外表面的温度,减少了建筑物采暖的运行费用。春、秋两季温度适中之时,不存在采暖和制冷,可以打开推拉门和室外自然气温交流而达到平衡。