清華大學超低能耗示范樓建筑幕墻技(一)

    摘  要： 2005年3月22日，我國首座超低能耗示范樓在清華大學落成，該項目集多種建筑新技術新材料于一體。僅建筑外圍護結構的門窗幕墻系統中就采用了雙層幕墻系統、遮陽百葉系統、光電幕墻系統、高保溫性能鋁合金門窗系統、真空玻璃、雙中空雙Low-E等新技術新材料。文章對該項目建筑幕墻系統進行了介紹，可供大家對低能耗示范樓有所了解，同時供相關技術人員在進行建筑幕墻的設計時參考。


    關鍵詞： 低能耗建筑  外圍護結構  建筑幕墻  設計

    1 前言
    由中國工程院院士、清華大學江億教授主持設計的我國首座超低能耗示范樓于今年三月在北京清華大學落成，作為2008年奧運建筑的“前期示范工程”，它集中體現了“科技奧運、綠色奧運”的理念。示范樓內集中展示了近百項國內外最先進的建筑節能技術產品，是我國第一個集示范、展示、試驗等功能于一體的綠色建筑，這座超低能耗示范樓采。

    用多種性能優異的幕墻系統和能源空調系統，冬季可基本實現零采暖能耗，夏季空調耗能量僅為常規建筑的10%。


    2 超低能耗示范樓綜合介紹

    超低能耗建筑是指在圍護結構、能源和設備系統、照明、智能控制、可再生能源利用等方面綜合選用各項節能技術，能耗水平遠低于常規建筑的建筑物。清華大學超低能耗示范樓主要運用了如下建筑節能新技術：


    2.1 智能圍護結構：


    超低能耗樓的外圍護結構體系主要是針對可調控的智能型外圍護結構進行研究，使其能夠自動適應氣候條件的變化和室內環境控制要求的變化。從采光、保溫、隔熱、通風、太陽能利用等進行綜合分析，給出不同環境條件下的推薦形式。其外立面的形式如圖1、圖2。


    示范樓選用了近十種不同的外圍護結構做法，基本的熱工性能要求為：透光體系部分（玻璃幕墻、保溫門窗、采光頂）綜合傳熱系數K<1W/(m2.k)，太陽得熱系數SHGC<0.5，非透光體系部分（保溫墻體、屋面）傳熱系數K<0.3W/(m2.k)。在設計階段利用相關軟件計算結果為冬季建筑物的平均熱負荷僅為0.7W/m，最冷月的平均熱負荷只有2.3W/m，如果考慮室內人員、燈光和設備等的發熱量，基本可實行冬季零采暖能耗。夏季最熱月整個圍護結構的平均得熱為5.2W/m。綜合能耗相當于常規建筑的10%。


    2.2 相變蓄熱活動地板：冬季白天可蓄熱存由玻璃幕墻和窗戶進入室內的太陽輻射熱，晚上材料相變向室內放出蓄存熱量。


    2.3 自然通風利用：利用熱壓通風和風壓通風的結合。在樓梯間和走道設置通風井，負責熱壓通風。在幕墻上設開啟扇，使室外空氣在風壓下流過建筑。


    2.4 可再生能源系統：光電幕墻、太陽能空氣集熱器、太陽光采光技術。


    2.5 景觀型濕地技術：收集屋頂雨水，做到雨水資源化利用。


    2.6 種植屋面技術：種植與北京氣候相宜的植物，做到三季有花，四季有景。


    3 建筑幕墻設計介紹

    清華大學超低能耗示范樓外裝飾工程主要采用了窄通道內循環雙層玻璃幕墻、窄通道外循環雙層玻璃幕墻、寬通道外循環雙層玻璃幕墻、橫向及豎向外遮陽鋁合金百葉系統、真空玻璃幕墻、光電幕墻、復合鋁板幕墻等節能及智能幕墻技術。示范樓的建筑幕墻主要集中在建筑的南立面與東立面，如圖3，圖4。

    3.1雙層幕墻

    目前，國內的通風式雙層幕墻類型較多，但歸納起來主要可分為兩類：一是按通風道寬度不同分為寬通道式和窄通道式。一般我們將通風道寬度可供人進入進行維護和保養的歸為寬通道式，將通風道寬度設計不供人進入的歸為窄通道式。二是按通風道內空氣的循環方式分為外循環式、內循環式和混合循環式。外循環式是指外層幕墻設進、出通風口，通過外層幕墻完成通風、換氣，內層幕墻實現保溫隔熱功能；內循環式是指外層幕墻實現保溫隔熱功能，內層幕墻設進、出風口，完成通風、換氣；混合循環式是通過內外層幕墻上的進、出風口的不同開閉形式，實現在不同季節下的最優組合。


    為了測試不同的雙層幕墻系統的保溫隔熱性能，在清華大學超低能耗示范樓幕墻工程中，在不同的立面、不同的樓層采用了不同形式的通風式雙層幕墻。


    3.1.1 窄通道內循環雙層玻璃幕墻

    示范樓南立面1~2軸的一、二層采用的是窄通道內循環雙層玻璃幕墻。外層采用的是8+12A+10中空玻璃，內層為下懸開啟的8mm厚單層玻璃，通道內設置50mm寬電動遮陽百葉。工作時，通過安裝在通道頂部的排風管與室內空調系統相連接，在夏季開啟空調時，利用室內的低溫空氣來冷卻由于太陽輻射而造成過熱的空氣夾層。


    參數：通道寬200mm；外層玻璃：8Low-E+12A+10mm鋼化白玻；內層玻璃：8mm鋼化白玻。夾層通風方式：機械通風；夾層設計通風量：20~60 m3/(h.m立面寬)。


    幕墻外側設置有太陽輻射傳感器以及照度傳感器，通過實際的測量數據來控制通道內百葉的升降與旋轉角度，同時通過通道內的溫度傳感器來控制通道的進風量，從而保證通道溫度的范圍。

    

    3.1.2 窄通道外循環雙層玻璃幕墻

    試驗樓南立面1~2軸三、四層采用的是窄通道外循環雙層玻璃幕墻（如圖6）。外層采用8mm單層玻璃，內層選用中空玻璃。外層上下橫料設置通風口，通道內設置電動遮陽百葉，為加大通風量，在通道頂部設置機械通風器。為便于百葉的清潔在內層設置內開窗。在窗間墻的位置，外層采用的是光電幕墻。光電幕墻的發電直接給通道頂部的機械通風器供電。室外輻射越強，通道溫度越高，與此同時光伏發電量也增加，風機的排風量也增加,從而降低通道內的溫度。

    參數：通道寬110mm，外層玻璃：8mm鋼化白玻；內層玻璃：8Low-E+18A+ 4+0.76pvb+4 ；電動百葉寬：25mm；通風方式：機械通風。夾層設計通風量：40m3/(h.m立面寬)

    3.1.3 寬通道外循環雙層玻璃幕墻

    示范樓東立面B~F軸采用了寬通道外循環雙層幕墻，通風道寬度600mm（如圖6）。外層幕墻采用6mm厚透明鋼化玻璃，設置進、出風口，進、出風口高度均為600mm高，采用電動開啟，內層幕墻局部設置鋁合金斷熱內平開窗，在雙層幕墻間設置了50mm寬可調電動百葉，可上、下及旋轉運動。在距進風口下每隔300mm設置兩個200mm寬鏡面不銹鋼反光板，以彌補在內置遮陽百葉關閉的情況下可能對室內采光的不足；內層幕墻采用4+9A+5+9A+4mm厚中空雙Low-E玻璃，以保證整個幕墻的保溫隔熱要求。另外，為檢測不同的通風高度對保溫性能的影響，將B~C軸雙層幕墻一至三層的通風道連通，結合每層進出風口開閉，實現不同通風高度的情況下對雙層幕墻保溫性能的影響。


    參數：通道寬度600mm；外層玻璃：6mm厚鋼化玻璃；內層玻璃：4+9A+5+9A+4mm雙中空雙Low-E玻璃；電動百葉打開方式：由下往上升并可調節角度；通風方式：自然通風。


    3.2 高性能斷熱鋁合金平開窗

    斷熱鋁合金門窗在國內特別是北方地區的建筑中已越來越普及，產品的保溫性能也得到了很大的提高，傳熱系數K值已由幾年前普通單層玻璃鋁合金門窗的5.0~6.7W/m2.K提高到現在的2.2~3.0W/m2.K。但為滿足示范樓工程超低能耗的要求，設計在傳統斷熱鋁合金窗的截面形式上做了較大的改進，將斷熱條的寬度增大到20mm，開啟扇玻璃選用了5+6A+4+V+4+6A+5雙中空加真空Low-E玻璃，充分利用雙中空雙Low-E與真空玻璃的保溫特性，同時將玻璃與扇料的固定方式由明框改為隱框，減小窗框比，極大地提高了斷熱鋁合金窗的美觀性和整體保溫性，經檢測，傳熱系數達到1.6W/m2.K，節能效果顯著。如圖7。


    另外，玻璃與框的連接固定采用硅酮結構膠粘接，提高了窗扇的整體剛性，克服了開啟扇由于雙中空玻璃自重過大而可能引起的下墜現象。


    3.3 外遮陽百葉系統

    外遮陽百葉系統是近年來公共建筑為減少太陽輻射得熱采用的一種新型外遮陽形式，在超低能耗示范樓的兩個立面上均選用了外遮陽系統。如圖8。

    示范樓工程中所采用的外遮陽電動鋁合金百葉系統，鋁合金截面寬600mm，東立面采用了水平遮陽百葉和垂直遮陽百葉，南立面只采用了水平遮陽百葉，通過電動開窗機完成鋁合金遮陽板的開啟、關閉以及調節其開啟角度。

水平遮陽百葉參數：長度 5000mm， 3000mm，（兩種）；寬度 600mm, 間距 590mm；百葉控制方式：每兩層水平百葉由一個電動執行器控制開啟，最大張角達135º。


    垂直遮陽百葉參數：高度 3700mm，寬度 600mm，間距 590mm；百葉控制方式：每兩個柱間的百葉由一個電動執行器控制轉角，最大轉動角度為135º。

    3.4 復合保溫鋁板幕墻

    由于本工程要求非透明幕墻的傳熱系數K<0.3W/(m2.k)，故北立面采用了復合保溫鋁板幕墻。復合保溫鋁板幕墻的面板采用3mm厚單層鋁板內部填充50mm厚低導熱率、高保溫性能的硬質聚氨酯材料，鋁板背面加裝100mm厚玻璃保溫棉層，同時，在面板與保溫棉層間設有140mm寬的空氣層，通過多種保溫措施，極大地提高了鋁板幕墻的整體保溫性能，達到了技術要求。


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