“非断热铝型材”如何实现幕墙的节能设计？

摘要：本文通过对新型无断热型材的断热幕墙与采用断热型材的幕墙系统在构造、热工等方面进行了比较，证明了在不采用断热型材的情况下，幕墙的各项性能仍然可以满足建筑对于幕墙的技术要求。在此情况下，幕墙构造、结构等诸多方面更将不再受到断热型材的约束，从而更能提升幕墙的各方面性能。本无断热型材的断热幕墙不仅在断热方式上得到改善，同时也开创了利用起遮阳及装饰作用的竖龙骨同时担当幕墙立柱承载的构造方式。总体上，一方面，可以不依赖隔热条，并依照设计要求提高隔热型性能;另一方面，可以使力学性能可以得到充分发挥。最终都达到减少隔热条及铝型材材料成本的作用。关键词：铝型材 型材 断热型材 断热条 幕墙系统 幕墙构造 幕墙立柱 遮阳 装饰

一、前言据相关资料介绍，建筑耗能占到社会总能耗的25%，并且这个比例还会随着社会的进度不断增长。因此建筑节能必然成为降低能耗的一项重要措施。建筑幕墙，特别是玻璃幕墙、门窗，是最为常见的建筑外围护结构，也是建筑物热交换、热传导最活跃、最敏感的部位，失热损失约为传统墙体的5至6倍，其能耗约占整个建筑能耗的40%左右，由此可以看出玻璃幕墙、门窗的节能直接关系到建筑节能，是降低能耗的关键途径。在整个幕墙系统中，热传递占比最大部分通常是是面板部分。非透明幕墙可以方便选择隔热墙体材料，透明幕墙可以通过使用Low-E在线镀膜夹胶玻璃、中空玻璃甚至真空玻璃达到建筑的热工要求，当然同时可以以降低遮阳系数的办法取得更好的热工性能。但由于力学构造上的限制，相对于面板，立柱与横梁部位是隔热性能相对薄弱的位置，由此，才出现了以“泰诺风”隔热条为核心的断热型材。二、断热型材介绍断热型材，又称断热铝合金型材：将铝合金型材分成二部分，内侧的型材部分起主要支撑作用和安装配件;外侧的型材部分主要组成向外闭合，担负外侧玻璃密封、金属护板和安装配件等的作用。两部分型材之间用热导率很低的材料固定连接，起到热流阻断作用。即采用断热铝合金型材，使在室内外有温差的情况下，热量在铝合金型材的传递中不形成通路，阻止热量的传导。从下图可以看出明显的断热效果：

三、断热幕墙构造解析采用了断热铝合金型材的幕墙即为断热幕墙。现有的断热幕墙主要有以下几种：(一)构件式断热玻璃幕墙两种构件式断热玻璃幕墙，如图3-1、3-2所示，该断热玻璃幕墙立柱采用断热条与铝型材组合的方式，主承力杆件为立柱靠近室内的铝合金部分。

(二)单元式断热玻璃幕墙一种是单元式断热玻璃幕墙，如图3-3所示，该断热玻璃幕墙立柱为组合型立柱，即采用断热条与铝型材组合的方式，主承力杆件为立柱靠近室内的铝合金部分。

(三)带竖向遮阳的构件式断热玻璃幕墙一种构件式断热玻璃幕墙，如图3-4所示，该断热玻璃幕墙立柱采用断热条与铝型材组合的方式，其原理与图3-1，3-2方式相同。但由于其采用竖向大遮阳型装饰带，该装饰条在风荷载作用下，以断热条为支点形成弯矩，从而使断热条处于经常受力状态。当其应力达到80MPa时，断热条将发生断裂，整个装饰条系统崩溃，从而导致玻璃面板系统破坏，当然玻璃幕墙也将不复存在。

综合上述断热幕墙的结构特点，在外部装饰带较大的情况下采用上述断热方式是一个危险的选择。因此，在解决断热问题的同时必须要保证系统的力学稳定性，其中一个关键点就是要解决室外幕墙结构材料与室内建筑结构体的断热联接。观察图4-4，外部装饰带仅仅起到了装饰作用，未能起到强度作用，造成了材料的强度浪费。(四)断热型材存在的问题断热幕墙已经成为当前幕墙系统的主流，而幕墙的断热方式基本上都是采用断热条的方式，常见的材料主要有泰诺风断热条、PA66尼龙隔热条、架桥PVC(交联型树脂S1300——特种树脂)。断热条连接室内、外的幕墙构件，使其成为一体，从而形成幕墙的龙骨支撑结构。其中，断热条除本身具备断热功能外，其主要功能是连接幕墙铝合金构件，因此需要具备与铝合金相近的强度与刚度。在工程项目应用中，断热幕墙型材已经成为广泛使用的关键材料，但由于断热条的成本对断热型材的成本影响较大，也就同时造成了幕墙成本的增加。由于断热要求，建筑结构与幕墙系统的立柱联接只能限于室内，也就是说支撑幕墙系统的立柱只能在断热条的室内侧，而在断热条的室外侧的材料，由于不能直接与建筑结构联接，只能起到其装饰作用。特别是在幕墙采用竖向大装饰带的情况下，室外装饰带部分的铝型材用量占到了整个幕墙体系用量的30%以上，但仅仅起到了其装饰或遮阳作用，仍然需要在室内另行设置支撑幕墙系统的结构体系，材料的强度利用率极其低下。因此，理想的目标是通过改变幕墙构造的方式来提高材料的强度利用率，同时保证或提高幕墙的隔热等各项功能。另外，如幕墙系统中能够取消断热条而不影响隔热效果，材料成本更能降低。断热铝型材的加工工艺可分为“穿条式”和“浇注式”两种。其生产工艺不同，所带来的材料的力学品质当然也有所不同。由于加工是个必要的过程，因此在加工过程中产生品质问题也是必然的。四、新断热构造设计从工程可靠性的角度，环节越多，受到外界的影响机会也就更多，其可靠性将会逐步降低。在实际工程项目中，环节多，同时也意味着管理范围的扩大，不可控因素增多。像普通铝型材与断热铝型材相比，若忽略其特殊用途，断热型材增加了断热条、热熔剂两种材料，而其加工工艺则增加了滚压嵌入、注胶等工艺，同时型材的受力状态也受到限制等。由此可以推断：若忽略断热型材的断热用途，其可靠性一定低于常规型材。下述新断热构造则取消了“隔热条”的使用，均采用普通铝型材与其他材料的组合，也能达到理想的断热效果，且在一定程度上增加了该系列幕墙的通用性。本文提供了一种幕墙断热构造和与之相关的幕墙系统，其中，幕墙立柱位于室外，立柱与幕墙支座及横梁的连接部位均为断热连接，而在该立柱其他部位与室内装饰构件形成较大的空隙，足以形成隔热空间，从而达到幕墙系统的隔热目的;并且，由于立柱位于室外，可以作为幕墙外部竖向大装饰条的基础构件，更好地保证外装饰条的安装强度与刚度，提高了材料的强度利用效率。而幕墙室内构件由于不承担幕墙荷载，可以根据室内装饰的需要自由装饰，即可以采用金属、陶瓷、木材等与幕墙室内构件安装成一体，形成不同的室内装饰风格。此种幕墙可以摆脱断热幕墙对断热材料的依赖，并可以根据需要调整不同的断热空间达到不同的断热需求。本文提供了一种幕墙断热构造和幕墙系统，用以解决现有幕墙断热构造和幕墙系统存在的问题，特别是解决室外结构材料与建筑结构的断热联接，并通过改变幕墙构造的方式来提高材料的强度利用率，同时保证或提高幕墙的隔热等各项功能。基于上述问题，本文提供的一种断热构造和幕墙系统，其核心是幕墙立柱即作为幕墙结构系统的主龙骨，又是外部装饰带的固定基座，同时又能满足较好的幕墙隔热功能。主要构件包括：立柱(1)、套筒(2)、铝扁芯(5)、包络垫(6)、隔离垫(7)、内槽座(12)、横梁(18)、槽钢连接件(19)、横梁连接件(20)、内槽扣板座(23)和内槽扣板盖(24)等。见 图4-1、图4-2。

本设计的幕墙立柱外置，极大地提高了材料的强度利用率。对于隔热型幕墙而言，立柱与结构主体的联接及与横梁(18)的联接必然受到面板部分的隔断，与隔热部分相干涉。该构造最大特点就是解决了这个构造上的矛盾。图4-1中铝扁芯(5)与包络垫(6)组合成为一个具备隔热及强度的组合件，其上攻螺丝孔，使螺栓(8)可以与其螺栓联接。该连接方式可以最大限度减少立柱(1)通过螺栓(8)与内槽座(12)、外联结角钢(9)或槽钢连接件(19)之间的热传递，虽然较大空腔隔热性能较差，但根据《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》(JGJ T 151-2008)第4.3.5之规定(4.3.5 若幕墙与墙体之间存在热桥，当热桥的总面积不大于墙体部分面积1%时，热桥的影响可忽略;当热桥的总面积大于实体墙部分面积的1%时，应计算热桥的影响。)，全部此种联接总和面积远低于幕墙面积，因此可以忽略其热桥影响。退一步来讲，即便采用全金属联接，对整个幕墙隔热性能的影响可以忽略不计;隔离垫(7)为一个隔热构件，其上钻孔。其作用是立柱(1)与内槽座(12)之间形成空腔，现设计空腔为20mm，足以满足国内建筑节能中最严苛的要求;立柱(1)与内槽座(12)、外联结角钢(9)或槽钢连接件(19)之间的联接采用了两个螺栓(8)。即可以限制立柱(1)的扭拧作用，同时足以承担风力荷载、地震荷载及自重荷载;横梁(18)与横梁连接件(20)插接的同时与槽钢连接件(19)通过螺栓(21)联接，并通过扁芯(5)与包络垫(6)的组合件与槽钢连接件(19)联接固定;横梁连接件(20)为“弓形”，在右旋螺栓(21)时发生弹性变形，可提供对横梁(18)的支撑张力;外装饰盖(5)与立柱(1)插接，并通过盖板压紧件(25)及螺栓(16)压紧固定;其中：外装饰盖(5)为可变构件，包括并不限于尺寸、材质、形状及连接方式的变化;内槽座(12)通过外联结角钢(9)或槽钢连接件(19)与立柱(1)夹持联接，并通过螺栓(8)联接固定;内槽扣板座(23)通过拉铆钉(22)与内槽座(12)固定，以便为后续的内槽扣板盖(24)提供精准的位置;内槽扣板盖(24)与内槽扣板座(23)扣接，垂直方向上由角铝(27)止动;其中：内槽扣板盖(24)为可变构件，包括并不限于尺寸、材质、形状及连接方式的变化。五、新断热构造特点及实施本幕墙系统的有益效果包括：可以最大限度地提高幕墙铝合金材料的强度利用率;减少单位幕墙面积的材料使用量;由于取消了断热条，仅使用铝合金型材，从而降低了成本;可无成本扩大断热空腔距离，从而可进一步提高断热效果。本隔热幕墙构造和幕墙系统中，内槽扣板盖(24)为可变构件，包括并不限于尺寸、材质、形状及连接方式的变化。例如可将内槽扣板盖(24)改变为金属、陶瓷、木材等，与幕墙室内构件安装成一体，形成不同的装饰风格。图5-1~5-2为大装饰带构件式断热玻璃幕墙与建筑结构联接示意图;图5-3~5-4为大装饰带构件式断热玻璃幕墙横梁处联接示意图;图5-5为大装饰带构件式断热玻璃幕墙断热空腔示意图;图5-6为横梁连接件(20)加工图;图5-7为提供的幕墙断热构造和与之相关的幕墙系统的装配方法的流程图;图5-8为大装饰带构件式断热玻璃幕墙立柱组装示意图;图5-9为大装饰带构件式断热玻璃幕墙立柱在建筑体上的安装示意图;图5-10为大装饰带构件式断热玻璃幕墙横梁安装示意图;图5-11为大装饰带构件式断热玻璃幕墙玻璃及装饰盖板安装后示意图;

六、无断热型材的断热幕墙节能效果分析为了验证本新构造的节能效果，本节通过对照断面的温度场分析对新结构的热工状况进行分析判定，通过框的传热系数来判定构造的隔热性能。(一)计算依据1. 相关标准及参考文件《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》 JGJ/T 151-2008;《民用建筑热工设计规范》GB 50176-1993等。2. 计算软件《粤建科MQMC建筑幕墙门窗热工性能计算软件》2012正式版3. 计算边界条件3.1 工程所在地气象参数

3.2 热工性能计算边界条件

依据《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》(JGJ/T 151-2008)(以下简称“JGJ/T 151”)结露性能评价与计算，在进行工程设计时，工程实际边界条件计算结露性能。下图为简化后两种构造的温度线图。

(二)幕墙热工计算A、新型无断热型材幕墙

从传热系数的比较来看，二者差别很小，完全可以满足幕墙节能设计的需要。按《建筑外窗保温性能分级及检测方法》GB/T 8484-2008分级标准，二者同属6级。按《建筑幕墙》GB/21086-2007分级标准为5级。适用于没有特殊要求的几乎全部幕墙之热工指标要求。(三)幕墙结露性能计算(1) 露点温度计算

(2) 结露计算1. 计算条件

2. 框与面板边缘的结露评价编号框T10(℃)湿度30.0%缘T10(℃)湿度30.0%10.8不结露0.8不结露20.2不结露0.1不结露310.2不结露0.1不结露410.2不结露0.1不结露510.2不结露0.1不结露60.2不结露0.1不结露710.2不结露0.1不结露810.2不结露0.1不结露90.8不结露0.8不结露100.8不结露0.8不结露110.2不结露8.1不结露1210.2不结露0.1不结露1310.2不结露0.1不结露1410.2不结露8.1不结露1510.2不结露8.1不结露1610.2不结露8.1不结露1710.2不结露8.1不结露184.8不结露0.8不结露1910.2不结露8.1不结露204.8不结露0.8不结露214.8不结露0.8不结露2210.2不结露8.1不结露234.8不结露0.8不结露244.8不结露0.8不结露2510.2不结露8.1不结露264.8不结露0.8不结露274.8不结露0.8不结露2810.2不结露8.1不结露294.8不结露0.8不结露304.8不结露0.8不结露314.8不结露0.8不结露3210.2不结露8.1不结露334.8不结露0.8不结露344.8不结露0.8不结露3510.2不结露8.1不结露364.8不结露0.8不结露3710.2不结露8.1不结露3. 面板的结露评价

4. 幕墙幅面结露评价

(四)幕墙热工性能汇总1. 面板计算结果汇总表

2. 幕墙结露计算结果汇总表

从以上两根不同做法的温度场图的色温可以看出，虽然新型幕墙室内侧框体温度较隔热条幕墙框体略低，但仍高于露点温度，因此完全不会结露。

从上图同样观察横梁的温度场图的色温可以看出，二者几无差别。所以总体来说无断热型材幕墙在热工性能上与隔热幕墙型材幕墙的差别不大，完全可以满足使用要求。七、结语综上所述，新幕墙系统在在热工方面完全可以等同于采用了断热条的幕墙系统，且可以通过调整空隙的大小提高隔热性能;同时构造上比断热幕墙系统更为灵活，成本更低，较易实施。参考文献[1]赵金，“浅析断热幕墙型材多种连接方式对力学与热工性能的影响”.绿色建筑 ,2014年第5期[2]《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》(JGJ T 151-2008)[3]付鹏 王慧 肖强 于传杰，“小议玻璃幕墙的热工性能”.中国建筑装饰 ,2004年第9期/总第172期[4]《建筑幕墙》GB/21086-2007[5]《建筑外窗保温性能分级及检测方法》GB/T 8484-2008[6]作者单位：安信证券股份有限公司（基建办）作者：孙绍军来源：2020论文集立足协会 服务行业400-60-54100