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“非斷熱鋁型材”如何實現幕墻的節能設計?

來源:2020論文集  作者:孫紹軍  日期:2020-12-10
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    摘要:本文通過對新型無斷熱型材的斷熱幕墻與采用斷熱型材的幕墻系統在構造、熱工等方面進行了比較,證明了在不采用斷熱型材的情況下,幕墻的各項性能仍然可以滿足建筑對于幕墻的技術要求。在此情況下,幕墻構造、結構等諸多方面更將不再受到斷熱型材的約束,從而更能提升幕墻的各方面性能。本無斷熱型材的斷熱幕墻不僅在斷熱方式上得到改善,同時也開創了利用起遮陽及裝飾作用的豎龍骨同時擔當幕墻立柱承載的構造方式?傮w上,一方面,可以不依賴進口隔熱條,并依照設計要求提高隔熱型性能;另一方面,可以使力學性能可以得到充分發揮。最終都達到減少隔熱條及鋁型材材料成本的作用。
    關鍵詞:鋁型材 型材  斷熱型材  斷熱條 幕墻系統 幕墻構造 幕墻立柱 遮陽 裝飾

  本篇文章內容由[中國幕墻網ALwindoor.com]編輯部整理發布:

  摘要:本文通過對新型無斷熱型材的斷熱幕墻與采用斷熱型材的幕墻系統在構造、熱工等方面進行了比較,證明了在不采用斷熱型材的情況下,幕墻的各項性能仍然可以滿足建筑對于幕墻的技術要求。在此情況下,幕墻構造、結構等諸多方面更將不再受到斷熱型材的約束,從而更能提升幕墻的各方面性能。

  本無斷熱型材的斷熱幕墻不僅在斷熱方式上得到改善,同時也開創了利用起遮陽及裝飾作用的豎龍骨同時擔當幕墻立柱承載的構造方式。

  總體上,一方面,可以不依賴隔熱條,并依照設計要求提高隔熱型性能;另一方面,可以使力學性能可以得到充分發揮。最終都達到減少隔熱條及鋁型材材料成本的作用。

  關鍵詞:型材 型材 斷熱型材 斷熱條 幕墻系統 幕墻構造 幕墻立柱 遮陽 裝飾

  一、前言

  據相關資料介紹,建筑耗能(詞條“建筑耗能”由行業大百科提供)占到社會總能耗的25%,并且這個比例還會隨著社會的進度不斷增長。因此建筑節能必然成為降低能耗的一項重要措施。建筑幕墻,特別是玻璃幕墻、門窗,是最為常見的建筑外圍護結構,也是建筑物熱交換、熱傳導(詞條“熱傳導”由行業大百科提供)最活躍、最敏感的部位,失熱損失約為傳統墻體的5至6倍,其能耗約占整個建筑能耗的40%左右,由此可以看出玻璃幕墻、的節能直接關系到建筑節能,是降低能耗的關鍵途徑。

  在整個幕墻系統中,熱傳遞占比最大部分通常是是面板部分。非透明幕墻可以方便選擇隔熱墻體材料,透明幕墻可以通過使用Low-E在線鍍膜夾膠玻璃、中空玻璃甚至真空玻璃達到建筑的熱工要求,當然同時可以以降低遮陽系數的辦法取得更好的熱工性能。但由于力學構造上的限制,相對于面板,立柱與橫梁部位是隔熱性能相對薄弱的位置,由此,才出現了以“泰諾風”隔熱條為核心的斷熱型材。

  二、斷熱型材介紹

  斷熱型材,又稱斷熱鋁合金型材:將鋁合金型材分成二部分,內側的型材部分起主要支撐作用和安裝配件;外側的型材部分主要組成向外閉合,擔負外側玻璃密封、金屬(詞條“金屬”由行業大百科提供)護板和安裝配件等的作用。兩部分型材之間用熱導率(詞條“熱導率”由行業大百科提供)很低的材料固定連接,起到熱流阻斷作用。即采用斷熱鋁合金(詞條“合金”由行業大百科提供)型材,使在室內外有溫差的情況下,熱量在鋁合金型材的傳遞中不形成通路,阻止熱量的傳導。從下圖可以看出明顯的斷熱效果:

  三、斷熱幕墻構造解析

  采用了斷熱鋁合金型材的幕墻即為斷熱幕墻,F有的斷熱幕墻主要有以下幾種:

  (一)構件式斷熱玻璃幕墻

  兩種構件式斷熱玻璃幕墻,如圖3-1、3-2所示,該斷熱玻璃幕墻立柱采用斷熱條與鋁型材組合的方式,主承力桿件為立柱靠近室內的鋁合金部分。

  (二)單元式斷熱玻璃幕墻

  一種是單元式斷熱玻璃幕墻,如圖3-3所示,該斷熱玻璃幕墻立柱為組合型立柱,即采用斷熱條與鋁型材組合的方式,主承力桿件為立柱靠近室內的鋁合金部分。

  (三)帶豎向遮陽的構件式斷熱玻璃幕墻

  一種構件式斷熱玻璃幕墻,如圖3-4所示,該斷熱玻璃幕墻立柱采用斷熱條與鋁型材組合的方式,其原理與圖3-1,3-2方式相同。但由于其采用豎向大遮陽型裝飾帶,該裝飾條風荷載作用下,以斷熱條為支點形成彎矩,從而使斷熱條處于經常受力狀態。當其應力達到80MPa時,斷熱條將發生斷裂,整個裝飾條系統崩潰,從而導致玻璃面板系統破壞,當然玻璃幕墻也將不復存在。

  綜合上述斷熱幕墻的結構特點,在外部裝飾帶較大的情況下采用上述斷熱方式是一個危險的選擇。因此,在解決斷熱問題的同時必須要保證系統的力學穩定性,其中一個關鍵點就是要解決室外幕墻結構材料(詞條“結構材料”由行業大百科提供)與室內建筑結構體的斷熱聯接。

  觀察圖4-4,外部裝飾帶僅僅起到了裝飾作用,未能起到強度作用,造成了材料的強度浪費。

  (四)斷熱型材存在的問題

  斷熱幕墻已經成為當前幕墻系統的主流,而幕墻的斷熱方式基本上都是采用斷熱條的方式,常見的材料主要有泰諾風斷熱條、PA66尼龍(詞條“尼龍”由行業大百科提供)隔熱條、架橋PVC(交聯型樹脂S1300——特種樹脂)。斷熱條連接室內、外的幕墻構件,使其成為一體,從而形成幕墻的龍骨支撐結構。其中,斷熱條除本身具備斷熱功能外,其主要功能是連接幕墻鋁合金構件,因此需要具備與鋁合金相近的強度與剛度。在工程項目應用中,斷熱幕墻型材已經成為廣泛使用的關鍵材料,但由于斷熱條的成本對斷熱型材的成本影響較大,也就同時造成了幕墻成本的增加。由于斷熱要求,建筑結構與幕墻系統的立柱聯接只能限于室內,也就是說支撐幕墻系統的立柱只能在斷熱條的室內側,而在斷熱條的室外側的材料,由于不能直接與建筑結構聯接,只能起到其裝飾作用。特別是在幕墻采用豎向大裝飾帶的情況下,室外裝飾帶部分的鋁型材用量占到了整個幕墻體系用量的30%以上,但僅僅起到了其裝飾或遮陽作用,仍然需要在室內另行設置支撐幕墻系統的結構體系,材料的強度利用率極其低下。因此,理想的目標是通過改變幕墻構造的方式來提高材料的強度利用率,同時保證或提高幕墻的隔熱等各項功能。另外,如幕墻系統中能夠取消斷熱條而不影響隔熱效果,材料成本更能降低。

  斷熱鋁型材的加工工藝可分為“穿條式”和“澆注式”兩種。其生產工藝不同,所帶來的材料的力學品質當然也有所不同。由于加工是個必要的過程,因此在加工過程中產生品質問題也是必然的。

  四、新斷熱構造設計

  從工程可靠性的角度,環節越多,受到外界的影響機會也就更多,其可靠性將會逐步降低。在實際工程項目中,環節多,同時也意味著管理范圍的擴大,不可控因素增多。像普通鋁型材與斷熱鋁型材相比,若忽略其特殊用途,斷熱型材增加了斷熱條、熱熔(詞條“熱熔”由行業大百科提供)劑兩種材料,而其加工工藝則增加了滾壓(詞條“滾壓”由行業大百科提供)嵌入、注膠等工藝,同時型材的受力狀態也受到限制等。由此可以推斷:若忽略斷熱型材的斷熱用途,其可靠性一定低于常規型材。

  下述新斷熱構造則取消了“隔熱條”的使用,均采用普通鋁型材與其他材料的組合,也能達到理想的斷熱效果,且在一定程度上增加了該系列幕墻的通用性。

  本文提供了一種幕墻斷熱構造和與之相關的幕墻系統,其中,幕墻立柱位于室外,立柱與幕墻支座及橫梁的連接部位均為斷熱連接,而在該立柱其他部位與室內裝飾構件形成較大的空隙,足以形成隔熱空間,從而達到幕墻系統的隔熱目的;并且,由于立柱位于室外,可以作為幕墻外部豎向大裝飾條的基礎構件,更好地保證外裝飾條的安裝強度與剛度,提高了材料的強度利用效率。而幕墻室內構件由于不承擔幕墻荷載(詞條“荷載”由行業大百科提供),可以根據室內裝飾的需要自由裝飾,即可以采用金屬、陶瓷、木材等與幕墻室內構件安裝成一體,形成不同的室內裝飾風格。此種幕墻可以擺脫斷熱幕墻對斷熱材料的依賴,并可以根據需要調整不同的斷熱空間達到不同的斷熱需求。

  本文提供了一種幕墻斷熱構造和幕墻系統,用以解決現有幕墻斷熱構造和幕墻系統存在的問題,特別是解決室外結構材料與建筑結構的斷熱聯接,并通過改變幕墻構造的方式來提高材料的強度利用率,同時保證或提高幕墻的隔熱等各項功能。

  基于上述問題,本文提供的一種斷熱構造和幕墻系統,其核心是幕墻立柱即作為幕墻結構系統的主龍骨,又是外部裝飾帶的固定基座,同時又能滿足較好的幕墻隔熱功能。主要構件包括:立柱(1)、套筒(2)、鋁扁芯(5)、包絡墊(6)、隔離墊(7)、內槽座(12)、橫梁(18)、槽鋼連接件(19)、橫梁連接件(20)、內槽扣板座(23)和內槽扣板蓋(24)等。見 圖4-1、圖4-2。

  本設計的幕墻立柱外置,極大地提高了材料的強度利用率。對于隔熱型幕墻而言,立柱與結構主體的聯接及與橫梁(18)的聯接必然受到面板部分的隔斷,與隔熱部分相干涉。該構造最大特點就是解決了這個構造上的矛盾。

  圖4-1中鋁扁芯(5)與包絡墊(6)組合成為一個具備隔熱及強度的組合件,其上攻螺絲孔,使螺栓(8)可以與其螺栓聯接。該連接方式可以最大限度減少立柱(1)通過螺栓(8)與內槽座(12)、外聯結角鋼(9)或槽鋼連接件(19)之間的熱傳遞,雖然較大空腔隔熱性能較差,但根據《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》(JGJ T 151-2008)第4.3.5之規定(4.3.5 若幕墻與墻體之間存在熱橋,當熱橋的總面積不大于墻體部分面積1%時,熱橋的影響可忽略;當熱橋的總面積大于實體墻部分面積的1%時,應計算熱橋的影響。),全部此種聯接總和面積遠低于幕墻面積,因此可以忽略其熱橋影響。退一步來講,即便采用全金屬聯接,對整個幕墻隔熱性能的影響可以忽略不計;

  隔離墊(7)為一個隔熱構件,其上鉆孔。其作用是立柱(1)與內槽座(12)之間形成空腔,現設計空腔為20mm,足以滿足國內建筑節能中最嚴苛的要求;

  立柱(1)與內槽座(12)、外聯結角鋼(9)或槽鋼連接件(19)之間的聯接采用了兩個螺栓(8)。即可以限制立柱(1)的扭擰作用,同時足以承擔風力荷載、地震荷載及自重荷載;

  橫梁(18)與橫梁連接件(20)插接的同時與槽鋼連接件(19)通過螺栓(21)聯接,并通過扁芯(5)與包絡墊(6)的組合件與槽鋼連接件(19)聯接固定;

  橫梁連接件(20)為“弓形”,在右旋螺栓(21)時發生彈性變形,可提供對橫梁(18)的支撐張力(詞條“張力”由行業大百科提供);

  外裝飾蓋(5)與立柱(1)插接,并通過蓋板壓緊件(25)及螺栓(16)壓緊固定;其中:外裝飾蓋(5)為可變構件,包括并不限于尺寸、材質、形狀及連接方式的變化;

  內槽座(12)通過外聯結角鋼(9)或槽鋼連接件(19)與立柱(1)夾持聯接,并通過螺栓(8)聯接固定;

  內槽扣板座(23)通過拉鉚釘(22)與內槽座(12)固定,以便為后續的內槽扣板蓋(24)提供精準的位置;

  內槽扣板蓋(24)與內槽扣板座(23)扣接,垂直方向上由角鋁(27)止動;其中:內槽扣板蓋(24)為可變構件,包括并不限于尺寸、材質、形狀及連接方式的變化。

  五、新斷熱構造特點及實施

  本幕墻系統的有益效果包括:可以最大限度地提高幕墻鋁合金材料的強度利用率;減少單位幕墻面積的材料使用量;由于取消了斷熱條,僅使用鋁合金型材,從而降低了成本;可無成本擴大斷熱空腔距離,從而可進一步提高斷熱效果。

  本隔熱幕墻構造和幕墻系統中,內槽扣板蓋(24)為可變構件,包括并不限于尺寸、材質、形狀及連接方式的變化。例如可將內槽扣板蓋(24)改變為金屬、陶瓷、木材等,與幕墻室內構件安裝成一體,形成不同的裝飾風格。

  圖5-1~5-2為大裝飾帶構件式斷熱玻璃幕墻與建筑結構聯接示意圖;

  圖5-3~5-4為大裝飾帶構件式斷熱玻璃幕墻橫梁處聯接示意圖;

  圖5-5為大裝飾帶構件式斷熱玻璃幕墻斷熱空腔示意圖;

  圖5-6為橫梁連接件(20)加工圖;

  圖5-7為提供的幕墻斷熱構造和與之相關的幕墻系統的裝配方法的流程圖;

  圖5-8為大裝飾帶構件式斷熱玻璃幕墻立柱組裝示意圖;

  圖5-9為大裝飾帶構件式斷熱玻璃幕墻立柱在建筑體上的安裝示意圖;

  圖5-10為大裝飾帶構件式斷熱玻璃幕墻橫梁安裝示意圖;

  圖5-11為大裝飾帶構件式斷熱玻璃幕墻玻璃及裝飾蓋板安裝后示意圖;

  六、無斷熱型材的斷熱幕墻節能效果分析

  為了驗證本新構造的節能效果,本節通過對照斷面的溫度場分析對新結構的熱工狀況進行分析判定,通過框的傳熱系數(詞條“傳熱系數”由行業大百科提供)來判定構造的隔熱性能。

  (一)計算依據

  1. 相關標準及參考文件

  《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》 JGJ/T 151-2008;

  《民用建筑熱工設計規范》GB 50176-1993等。

  2. 計算軟件

  《粵建科MQMC建筑幕墻門窗熱工性能計算軟件》2012正式版

  3. 計算邊界條件

  3.1 工程所在地氣象參數

  3.2 熱工性能計算邊界條件

  依據《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》(JGJ/T 151-2008)(以下簡稱“JGJ/T 151”)結露性能評價與計算,在進行工程設計時,工程實際邊界條件計算結露性能。

  下圖為簡化后兩種構造的溫度線圖。

  (二)幕墻熱工計算

  A、新型無斷熱型材幕墻

  從傳熱系數的比較來看,二者差別很小,完全可以滿足幕墻節能設計的需要。按《建筑外窗保溫性能分級及檢測方法》GB/T 8484-2008分級標準,二者同屬6級。按《建筑幕墻》GB/21086-2007分級標準為5級。適用于沒有特殊要求的幾乎全部幕墻之熱工指標要求。

  (三)幕墻結露性能計算

  (1) 露點溫度計算

  (2) 結露計算

  1. 計算條件

  2. 框與面板邊緣的結露評價

編號

T10()

濕度30.0%

T10()

濕度30.0%

1

0.8

不結露

0.8

不結露

2

0.2

不結露

0.1

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0.1

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0.1

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0.1

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0.1

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0.1

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9

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0.8

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0.8

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0.1

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8.1

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8.1

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0.8

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37

10.2

不結露

8.1

不結露

  3. 面板的結露評價

  4. 幕墻幅面結露評價

  (四)幕墻熱工性能匯總

  1. 面板計算結果匯總表

  2. 幕墻結露計算結果匯總表

  從以上兩根不同做法的溫度場圖的色溫可以看出,雖然新型幕墻室內側框體溫度較隔熱條幕墻框體略低,但仍高于露點溫度,因此完全不會結露。

  從上圖同樣觀察橫梁的溫度場圖的色溫可以看出,二者幾無差別。所以總體來說無斷熱型材幕墻在熱工性能上與隔熱幕墻型材幕墻的差別不大,完全可以滿足使用要求。

  七、結語

  綜上所述,新幕墻系統在在熱工方面完全可以等同于采用了斷熱條的幕墻系統,且可以通過調整空隙的大小提高隔熱性能;同時構造上比斷熱幕墻系統更為靈活,成本更低,較易實施。

  參考文獻

  [1]趙金,“淺析斷熱幕墻型材多種連接方式對力學與熱工性能的影響”.綠色建筑 ,2014年第5期

  [2]《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》(JGJ T 151-2008)

  [3]付 鵬 王 慧 肖 強 于傳杰,“小議玻璃幕墻的熱工性能”.中國建筑裝飾 ,2004年第9期/總第172期

  [4]《建筑幕墻》GB/21086-2007

  [5]《建筑外窗保溫性能分級及檢測方法》GB/T 8484-2008[6]

作者單位:安信證券股份有限公司(基建辦)

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