清華大學(xué)超低能耗示范樓建筑幕墻技術(shù)

1、清華大學(xué)超低能耗示范樓建筑幕墻技術(shù)    摘 要：2005年3月22日，我國首座超低能耗示范樓在清華大學(xué)落成，該項(xiàng)目集多種建筑新技術(shù)新材料于一體。僅建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的門窗幕墻系統(tǒng)中就采用了雙層幕墻系統(tǒng)、遮陽百葉系統(tǒng)、光電幕墻系統(tǒng)、高保溫性能鋁合金門窗系統(tǒng)、真空玻璃、雙中空雙Low-E等新技術(shù)新材料。文章對(duì)該項(xiàng)目建筑幕墻系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，可供大家對(duì)低能耗示范樓有所了解，同時(shí)供相關(guān)技術(shù)人員在進(jìn)行建筑幕墻的設(shè)計(jì)時(shí)參考。一、前言由中國工程院院士、清華大學(xué)江億教授主持設(shè)計(jì)的我國首座超低能耗示范樓于去年三月在北京清華大學(xué)落成，作為2008年奧運(yùn)建筑的“前期示范工程”，它

2、集中體現(xiàn)了“科技奧運(yùn)、綠色奧運(yùn)”的理念。示范樓內(nèi)集中展示了近百項(xiàng)國內(nèi)外最先進(jìn)的建筑節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品，是我國第一個(gè)集示范、展示、試驗(yàn)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(yōu)異的幕墻系統(tǒng)和能源空調(diào)系統(tǒng)，冬季可基本實(shí)現(xiàn)零采暖能耗，夏季空調(diào)耗能量僅為常規(guī)建筑的10%。 二、超低能耗示范樓綜合介紹超低能耗建筑是指在圍護(hù)結(jié)構(gòu)、能源和設(shè)備系統(tǒng)、照明、智能控制、可再生能源利用等方面綜合選用各項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，能耗水平遠(yuǎn)低于常規(guī)建筑的建筑物。清華大學(xué)超低能耗示范樓主要運(yùn)用了如下建筑節(jié)能新技術(shù)： 1、智能圍護(hù)結(jié)構(gòu) 超低能耗樓的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系主要是針對(duì)可調(diào)控的智能型外圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，使其能夠自動(dòng)適應(yīng)氣候條件

3、的變化和室內(nèi)環(huán)境控制要求的變化。從采光、保溫、隔熱、通風(fēng)、太陽能利用等進(jìn)行綜合分析，給出不同環(huán)境條件下的推薦形式。 示范樓選用了近十種不同的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(shù)K<1W/(m2.k)，太陽得熱系數(shù)SHGC<0.5，非透光體系部分(保溫墻體、屋面)傳熱系數(shù)K<0.3W/(m2.k)。在設(shè)計(jì)階段利用相關(guān)軟件計(jì)算結(jié)果為冬季建筑物的平均熱負(fù)荷僅為0.7W/m，最冷月的平均熱負(fù)荷只有2.3W/m，如果考慮室內(nèi)人員、燈光和設(shè)備等的發(fā)熱量，基本可實(shí)行冬季零采暖能耗。夏季最熱月整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均得熱為5.2W/m。綜合能

4、耗相當(dāng)于常規(guī)建筑的10%。2、相變蓄熱活動(dòng)地板 冬季白天可蓄熱存由玻璃幕墻和窗戶進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射熱，晚上材料相變向室內(nèi)放出蓄存熱量。 3、自然通風(fēng)利用 利用熱壓通風(fēng)和風(fēng)壓通風(fēng)的結(jié)合。在樓梯間和走道設(shè)置通風(fēng)井，負(fù)責(zé)熱壓通風(fēng)。在幕墻上設(shè)開啟扇，使室外空氣在風(fēng)壓下流過建筑。 4、可再生能源系統(tǒng) 光電幕墻、太陽能空氣集熱器、太陽光采光技術(shù)。 5、景觀型濕地技術(shù) 收集屋頂雨水，做到雨水資源化利用。 6、種植屋面技術(shù) 種植與北京氣候相宜的植物，做到三季有花，四季有景。 三、建筑幕墻設(shè)計(jì)介紹清華大學(xué)超低能耗示范樓外裝飾工程主要采用了窄通道內(nèi)循環(huán)雙層玻璃幕墻、窄通道外循環(huán)雙層玻璃幕墻、寬通道外循環(huán)雙層玻璃幕

5、墻、橫向及豎向外遮陽鋁合金百葉系統(tǒng)、真空玻璃幕墻、光電幕墻、復(fù)合鋁板幕墻等節(jié)能及智能幕墻技術(shù)。 1、雙層幕墻 目前，國內(nèi)的通風(fēng)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(fēng)道寬度不同分為寬通道式和窄通道式。一般我們將通風(fēng)道寬度可供人進(jìn)入進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)的歸為寬通道式，將通風(fēng)道寬度設(shè)計(jì)不供人進(jìn)入的歸為窄通道式。二是按通風(fēng)道內(nèi)空氣的循環(huán)方式分為外循環(huán)式、內(nèi)循環(huán)式和混合循環(huán)式。外循環(huán)式是指外層幕墻設(shè)進(jìn)、出通風(fēng)口，通過外層幕墻完成通風(fēng)、換氣，內(nèi)層幕墻實(shí)現(xiàn)保溫隔熱功能；內(nèi)循環(huán)式是指外層幕墻實(shí)現(xiàn)保溫隔熱功能，內(nèi)層幕墻設(shè)進(jìn)、出風(fēng)口，完成通風(fēng)、換氣；混合循環(huán)式是通過內(nèi)外層幕墻上的進(jìn)、出風(fēng)口的不同開閉形

6、式，實(shí)現(xiàn)在不同季節(jié)下的最優(yōu)組合。 為了測試不同的雙層幕墻系統(tǒng)的保溫隔熱性能，在清華大學(xué)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(fēng)式雙層幕墻。 (1)窄通道內(nèi)循環(huán)雙層玻璃幕墻 示范樓南立面12軸的一、二層采用的是窄通道內(nèi)循環(huán)雙層玻璃幕墻。外層采用的是8+12A+10中空玻璃，內(nèi)層為下懸開啟的8mm厚單層玻璃，通道內(nèi)設(shè)置50mm寬電動(dòng)遮陽百葉。工作時(shí)，通過安裝在通道頂部的排風(fēng)管與室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)相連接，在夏季開啟空調(diào)時(shí)，利用室內(nèi)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(shù)：通道寬200mm；外層玻璃：8Low-E+12A+10mm鋼化白玻；內(nèi)層玻璃：8mm鋼化白

7、玻。夾層通風(fēng)方式：機(jī)械通風(fēng)；夾層設(shè)計(jì)通風(fēng)量：2060m3/(h.m立面寬)。 幕墻外側(cè)設(shè)置有太陽輻射傳感器以及照度傳感器，通過實(shí)際的測量數(shù)據(jù)來控制通道內(nèi)百葉的升降與旋轉(zhuǎn)角度，同時(shí)通過通道內(nèi)的溫度傳感器來控制通道的進(jìn)風(fēng)量，從而保證通道溫度的范圍。 (2)窄通道外循環(huán)雙層玻璃幕墻 試驗(yàn)樓南立面12軸三、四層采用的是窄通道外循環(huán)雙層玻璃幕墻。外層采用8mm單層玻璃，內(nèi)層選用中空玻璃。外層上下橫料設(shè)置通風(fēng)口，通道內(nèi)設(shè)置電動(dòng)遮陽百葉，為加大通風(fēng)量，在通道頂部設(shè)置機(jī)械通風(fēng)器。為便于百葉的清潔在內(nèi)層設(shè)置內(nèi)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(fā)電直接給通道頂部的機(jī)械通風(fēng)器供電。室外輻射越強(qiáng)，

8、通道溫度越高，與此同時(shí)光伏發(fā)電量也增加，風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量也增加，從而降低通道內(nèi)的溫。參數(shù)：通道寬110mm，外層玻璃：8mm鋼化白玻；內(nèi)層玻璃：8Low-E+18A+4+0.76pvb+4；電動(dòng)百葉寬：25mm；通風(fēng)方式：機(jī)械通風(fēng)。夾層設(shè)計(jì)通風(fēng)量：40m3/(h.m立面寬) (3)寬通道外循環(huán)雙層玻璃幕墻示范樓東立面BF軸采用了寬通道外循環(huán)雙層幕墻，通風(fēng)道寬度600mm。外層幕墻采用6mm厚透明鋼化玻璃，設(shè)置進(jìn)、出風(fēng)口，進(jìn)、出風(fēng)口高度均為600mm高，采用電動(dòng)開啟，內(nèi)層幕墻局部設(shè)置鋁合金斷熱內(nèi)平開窗，在雙層幕墻間設(shè)置了50mm寬可調(diào)電動(dòng)百葉，可上、下及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在距進(jìn)風(fēng)口下每隔300mm設(shè)置兩個(gè)2

9、00mm寬鏡面不銹鋼反光板，以彌補(bǔ)在內(nèi)置遮陽百葉關(guān)閉的情況下可能對(duì)室內(nèi)采光的不足了50mm寬可調(diào)電動(dòng)百葉，可上、下及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在距進(jìn)風(fēng)口下每隔300mm設(shè)置兩個(gè)200mm寬鏡面不銹鋼反光板，以彌補(bǔ)在內(nèi)置遮陽百葉關(guān)閉的情況下可能對(duì)室內(nèi)采光的不足；內(nèi)層幕墻采用4+9A+5+9A+4mm厚中空雙Low-E玻璃，以保證整個(gè)幕墻的保溫隔熱要求。另外，為檢測不同的通風(fēng)高度對(duì)保溫性能的影響，將BC軸雙層幕墻一至三層的通風(fēng)道連通，結(jié)合每層進(jìn)出風(fēng)口開閉，實(shí)現(xiàn)不同通風(fēng)高度的情況下對(duì)雙層幕墻保溫性能的影響。參數(shù)：通道寬度600mm；外層玻璃：6mm厚鋼化玻璃；內(nèi)層玻璃：4+9A+5+9A+4mm雙中空雙Low-E玻

10、璃；電動(dòng)百葉打開方式：由下往上升并可調(diào)節(jié)角度；通風(fēng)方式：自然通風(fēng)。2、高性能斷熱鋁合金平開窗 斷熱鋁合金門窗在國內(nèi)特別是北方地區(qū)的建筑中已越來越普及，產(chǎn)品的保溫性能也得到了很大的提高，傳熱系數(shù)K值已由幾年前普通單層玻璃鋁合金門窗的5.06.7W/m2.K提高到現(xiàn)在的2.23.0W/m2.K。但為滿足示范樓工程超低能耗的要求，設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)斷熱鋁合金窗的截面形式上做了較大的改進(jìn)，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(shí)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

11、合金窗的美觀性和整體保溫性，經(jīng)檢測，傳熱系數(shù)達(dá)到1.6W/m2.K，節(jié)能效果顯著。另外，玻璃與框的連接固定采用硅酮結(jié)構(gòu)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(xiàn)象。3、外遮陽百葉系統(tǒng) 外遮陽百葉系統(tǒng)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(gè)立面上均選用了外遮陽系統(tǒng)。示范樓工程中所采用的外遮陽電動(dòng)鋁合金百葉系統(tǒng)，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(dòng)開窗機(jī)完成鋁合金遮陽板的開啟、關(guān)閉以及調(diào)節(jié)其開啟角度。 水平遮陽百葉參數(shù)：長度5000mm，3000mm，(

12、兩種)；寬度600mm,間距590mm；百葉控制方式：每兩層水平百葉由一個(gè)電動(dòng)執(zhí)行器控制開啟，最大張角達(dá)135°。 垂直遮陽百葉參數(shù)：高度3700mm，寬度600mm，間距590mm；百葉控制方式：每兩個(gè)柱間的百葉由一個(gè)電動(dòng)執(zhí)行器控制轉(zhuǎn)角，最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度為135°。 4、復(fù)合保溫鋁板幕墻 由于本工程要求非透明幕墻的傳熱系數(shù)K<0.3W/(m2.k)，故北立面采用了復(fù)合保溫鋁板幕墻。復(fù)合保溫鋁板幕墻的面板采用3mm厚單層鋁板內(nèi)部填充50mm厚低導(dǎo)熱率、高保溫性能的硬質(zhì)聚氨酯材料，鋁板背面加裝100mm厚玻璃保溫棉層，同時(shí)，在面板與保溫棉層間設(shè)有140mm寬的空氣層，通過多

13、種保溫措施，極大地提高了鋁板幕墻的整體保溫性能，達(dá)到了技術(shù)要求。 四、建筑幕墻新技術(shù)及新材料的應(yīng)用1、雙層幕墻與采光及溫控的智能結(jié)合技術(shù) 雙層幕墻在國內(nèi)已有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用，但大多只是停留在提高適內(nèi)舒適度和建筑幕墻的保溫性能上。清華大學(xué)示范樓的寬通道雙層幕墻設(shè)計(jì)將采光板與室內(nèi)遮陽有機(jī)地進(jìn)行結(jié)合，從一定程度上解決了室內(nèi)采光上的能源消耗，使建筑的用能向低能耗方向上邁進(jìn)了一步。寬通道幕墻的進(jìn)出風(fēng)口配置有開啟電機(jī)和溫控開關(guān)，可根據(jù)通道內(nèi)的溫度來調(diào)控進(jìn)出風(fēng)口的開啟大小。 2、雙層幕墻與光電幕墻的智能結(jié)合技術(shù) 光電幕墻的應(yīng)用在示范樓中既作為窗間墻的外裝飾，又作為窄通道幕墻小功率機(jī)械通風(fēng)設(shè)備的電能來源。機(jī)械通風(fēng)量

14、的大小完全通過光電玻璃的瞬時(shí)轉(zhuǎn)換電能的效率確定，得熱多時(shí)也是光電玻璃轉(zhuǎn)換電能大的時(shí)候，機(jī)械排風(fēng)量也大。巧妙的設(shè)計(jì)，使雙層幕墻的得熱與散熱（排風(fēng)）得以和諧統(tǒng)一。 3、遮陽與采光的智能結(jié)合技術(shù) 建筑外遮陽系統(tǒng)的應(yīng)用我們并不陌生，示范樓的百葉設(shè)置很好地將遮陽隔熱、采光視野進(jìn)行了結(jié)合。 水平遮陽的選擇：在不同的太陽方位角與高度角狀況下，遮陽構(gòu)件產(chǎn)生的陰影區(qū)是不同的。通常水平遮陽構(gòu)件適宜遮擋從上面射來的太陽光，因此，在低緯度地區(qū)或夏季，太陽的高度角很大，水平遮陽的效果比較好。示范樓的南立面與東南角選用了水平遮陽百葉系統(tǒng)。 垂直遮陽的選擇：垂直遮陽的效果決定于太陽的方位角，它較適宜遮擋從側(cè)面來的陽光，一般

15、會(huì)影響視野，適合用于東西方向和北向。示范樓的東立面選用了部分的垂直遮陽百葉系統(tǒng)。 水平遮陽系統(tǒng)在冬季時(shí)，百葉打開(與玻璃面垂直)讓盡可能多的太陽輻射進(jìn)入室內(nèi)，夏季通過控制不同位置百葉的張角，在滿足室內(nèi)采光的前提下，盡可能多地遮擋太陽輻射。垂直百葉冬季時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)百葉使其與太陽光線平行，室內(nèi)盡可能多地獲得太陽光，夏季時(shí)，控制百葉盡可能遮擋太陽光的同時(shí)，利用光線的反射與散射供室內(nèi)采光。 夏季時(shí)，晚上將百葉打開，利于室內(nèi)散熱；冬季時(shí)，晚上將百葉關(guān)上(與玻璃面平行)，利于室內(nèi)的蓄熱。 4、斷熱鋁合金窗與隱框幕墻結(jié)合技術(shù) 為滿足東立面室內(nèi)自然通風(fēng)的需要，在寬通道雙層幕墻的內(nèi)側(cè)與垂直外遮陽百葉的內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)了鋁合

16、金內(nèi)平開窗。為使東立面幕墻系統(tǒng)的傳熱系數(shù)K值控制在1.0 W/(m2.K)，設(shè)計(jì)將隱框玻璃技術(shù)與斷熱窗技術(shù)進(jìn)行了結(jié)合，取得了很好的視覺與很好的性能，本工程同類型窗經(jīng)檢測的K值達(dá)1.6W/m2.K，較傳統(tǒng)斷熱鋁合金窗的保溫性能有了較大的提高。 5、真空玻璃的應(yīng)用技術(shù) 清華大學(xué)示范樓的幕墻工程中應(yīng)用材料新技術(shù)是真空玻璃。 真空玻璃是將兩片平板玻璃四周密閉起來，將其間隙抽成真空并密封排氣孔，兩片玻璃之問的間隙為0.1-0.2mm，真空玻璃的兩片一般至少有一片是低輻射玻璃，這樣就將通過真玻璃的傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射方式散失的熱降到最低，其工作原理與玻璃保溫瓶的保溫隔熱原理相同。據(jù)國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測中心

17、提供的數(shù)據(jù)顯示：真空玻璃的保溫性能是中空玻璃的2倍，是單片玻璃的4倍。 真空玻璃良好的保溫性能，在示范樓的幕墻工程設(shè)計(jì)中被提到日程上來。為克服目前4mm+真空+4mm厚真空玻璃的較低承受風(fēng)荷載的能力，設(shè)計(jì)采用雙中空玻璃的工藝，將真空玻璃放在雙中空的中間，由與室內(nèi)外空氣接觸的兩片玻璃采用鋼化玻璃承受正負(fù)風(fēng)荷載。示范樓工程所用5mm鋼化+6mm空氣+4mmLow-E+V+4mm浮法+6mm空氣+5mm鋼化的雙中空玻璃，其傳熱系數(shù)經(jīng)計(jì)算為0.93W/(m2.K)。6、雙中空雙Low-E玻璃的應(yīng)用 在示范樓的東立面窄通道雙層幕墻中應(yīng)用的另一種高保溫性能玻璃為雙中空雙Low-E玻璃。其構(gòu)造如圖16。內(nèi)外片玻璃為4mm厚在線鋼化Low-E玻璃，中間片為5mm厚浮法玻璃，兩個(gè)9mm中空層