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开启腔节能设计原理

来源:2011年年会论文集 作者:姜仁 日期:2011-5-20 　 页面功能 【字体：大 中 小】【打印】【关闭】【评论】
摘要：本文总结了铝合金节能门窗型材固定腔、开启腔的节能设计经验，对各道密封线的进行了剖析、命名，总结了密封线的设计要领。本文还对幕墙的固定腔和开启腔节能设计提出建议，介绍了国外成功的设计案例。本文对建筑幕墙的节能设计具有参考价值。
关键字： 幕墙 节能设计
　　1 前言
　　能量的传递有三种途径：辐射、热传导和对流。作为建筑围护结构，门窗幕墙必须同阻止这三种热量传递途径才能达到节能的最佳效果。
辐射传热是能量通过射线以辐射的形式进行的传递，包括可见光、红外线和紫外线等。在门窗幕墙领域，可以通过透明材料如玻璃的设计达到节能要求。设计通常采用单银或双银LOW-E中空玻璃来降低通过玻璃的辐射，如果建筑许可，还可以通过遮阳等手段进行节能设计，阻止热量通过辐射的形式进行传播。
　　热传导是通过物体分子的运动带动能量进行传递。在门窗幕墙领域，通过设置隔热条降低型材的传热，通过中空玻璃的空气层降低热量在透明材料中的传导，暖边技术能够降低玻璃组件边缘的传热导等。
　　对流是在围护结构两侧存在温度差，造成热量从高温端向低温端运动的一种传递。常用节能方法有：在固定腔设置隔热屏障，通过EPDM胶条、尼龙66隔热条、泡沫条以及填充一些发泡材料等，组织固定腔内的对流；透明材料则可采用真空玻璃等，达到阻止对流的最佳效果。
　　目前，型材隔热技术、玻璃隔热技术已经比较成熟，解决了门窗幕墙节能设计的主要问题。至于固定腔、开启腔的设计，铝合金节能门窗已经经过几代的产品技术的改善，达到较高的技术水平；幕墙固定腔的设计已经不断完善，基本能够满足节能要求，但是幕墙开启腔的设计还基本停留在原始设计阶段，绝大部分仍然采用单等压腔构造，没用多大的进步。其原因可能是：一方面研究、设计人员重视程度不够，认为开启部分，所占比例较少，对幕墙的节能影响不大，放弃对开启腔高标准要求；另一方面可能是技术方面实现较难，通常幕墙的开启扇面积较大、重量大，对五金件的要求高，因此在型材断面设计时难度也大，并且幕墙的开启方式和门窗有较大不同，不能直接套用相同的设计构造。
　　本文试图通过对铝合金门窗节能构造进行剖析，寻找与幕墙设计有共性的规律，以便改善幕墙固定腔和开启腔的节能设计，最终提高建筑幕墙节能设计水平。
　　2 各道密封线的命名与作用
　　为了叙述和设计方便，对铝合金节能门窗、铝合金幕墙的固定腔、开启腔的各密封线进行统一命名。根据其构造位置、功能作用，从外到内分别为：尘密线、水密线、热密线和气密线。
　　（1）尘密线。通常设置在最外侧，阻止灰尘进入型材的墙体，在空气洁净度不高的环境中，应设置这道密封线，主要用于单元式铝合金幕墙。
　　（2）水密线。一般设置在室外，承担阻水、批水作用，是完成“雨幕原理”的第一步，形成建筑外的水和围护结构间的一个屏障。一般情况下，水密性不能够全部封闭，应当设置适当的开口，以便在其后部实现等压腔，并能将进入等压腔的水顺利排出腔外。
　（3）热密线。热密线是阻止热量传递的一条密封线，也可以叫做“等温线”。构造上通过EPDM胶条、隔热条和发泡材料等实现，将等压腔（固定腔、开启腔）分割成内外两个腔体。在需要保温的地区，外腔为冷腔，内腔为热腔；在需要隔热的地区正好相反，外腔为热腔，内腔为冷腔。因此为了达到更好的隔热效果，腔体采用“冷热腔”（也可称做“双腔”）隔热，有效避免了腔体内冷端型材和热端型材间的对流传热，使幕墙或门窗的中空玻璃、隔热条、热密线，再到隔热条能够形成一条连续的等温线，较好实现隔热作用。热密线还可以提高腔体的气密性和水密性。
　　（4）气密线。是最后一道防线，尤其是水、空气不能透过，应当在四周形成闭合。因此也是最重要的一条线。气密线一般设置在最内侧。
　　3 铝合金节能门窗的节能设计
　　未采用隔热型材的铝合金门窗，已经淡出门窗市场。凭借高超隔热型材技术、腔体隔热设计技术，铝合金门窗夺回一度失去的市场份额。与未增塑聚氯乙烯（PVC-U）型材和玻璃钢相比，铝合金型材更具加工性、可塑性，并可以回收利用，实现可持续发展。因此应更加深入的研究铝合金门窗和幕墙的节能技术，以便提高围护结构的整体性能。
　　3.1门窗固定腔和开启腔
　　固定腔体通常采用三道线：气密线、热密线和水密线，见图1。热密线可以采用多道密封，利用隔热条胶条搭接、泡沫条封堵等措施实现。在开启腔，由于需要开启操作，一般采用隔热条和胶条搭接形成热密线。在开启腔采用多道热密线可能会导致关闭力增加，设计时应予以取舍。

　　门窗隔热型材的发展经过四个阶段：第一阶段，单腔隔热，等压腔内外型材可以通过对流传热；第二阶段，I形隔热条和鸭嘴形胶条配合，鸭嘴形胶条和铝合金型材搭接，这个阶段也是“冷热腔”隔热，有时会采用两道热密线，但是热密线存在热桥，不能完全实现隔热。采用多道热密线构造，也会导致门窗关闭困难，不够理想；第三阶段，T形隔热条和鸭嘴形胶条搭接阶段，见图1，这个阶段已经形成完全的热密线，但隔热条和胶条的截面设计比较简单，隔热效果不够完美；第四阶段，采用的隔热条、胶条截面形状比较复杂，隔热间距也比较大，热密线将开启腔全部分开，其开启腔隔热效果的较大提升。见图2。

　　4 幕墙固定腔节能设计
　　幕墙的板块间的连接，应具有较高的物理性能。初级阶段，更重视对气密性和水密性的要求，其技术发展经历了三阶段[1]：十全密封阶段、存储排水阶段和结构化防水（单元式等压原理）阶段。目前十全密封阶段的构件式幕墙和结构化防水阶段的单元式幕墙仍为目前玻璃幕墙系统的主流。随着建筑对围护结构节能性能要求的提高，幕墙的接缝（包括固定腔、开启腔）设计变得相当重要。下面对构件式明框幕墙和单元式幕墙节能设计分别进行讨论。
　　4.1构件式明框幕墙固定腔
　　幕墙的固定腔也遵循铝合金节能窗的设计原理，其水密线、气密线功能基本相同，一些较好的固定腔同样有热密线的设计，如图5。
　　4.2单元式幕墙固定腔
　　单元式幕墙是现阶段比较流行的幕墙系统，有其他幕墙系统不可取代的优点，其固定腔的水密线、气密线功能与铝合金节能窗的设计基本相同。但由于幕墙单元尺寸较大，采用插接、对接等方式，等压腔一般较大，因此在气密线开口处应设置海绵等，防止雨水倒灌。在空气洁净度较差地区，还应该设置尘密线，防止灰尘进入等压腔，造成堵塞现象。尘密线在沿海或空气洁净度较好的地区，可以略去不用。

> 　　4.3 单元幕墙气密线不共面问题
　　 气密线是单元式幕墙的重要密封线。工程应用表明，横梁和立柱的气密线应该在一个平面内比较合适，否则在十字缝处会有永久孔洞，导致漏气漏水，一些设计在该部位打注密封胶密封，当时效果很好，但耐久性较差。
　　5 幕墙开启腔
　　幕墙开启方式与铝合金节能门窗开启方式有较大不同。铝合金幕墙的开启形式主要有：上悬、下悬、平推，较少采用平开形式，基本没有推拉形式。铝合金门窗的开启形式相当丰富：平开、推拉、旋开、提拉等。因此幕墙开启腔不能直接套用门窗的节能设计。
　　5.1 常规幕墙开启腔
　　上悬开启方式是玻璃幕墙应用最为普遍的开启形式，见图4。有水密线、气密线的设计，能够实现等压腔，但没有设计热密线，节能效果较差。

　　5.2 节能幕墙开启腔
　　为提高幕墙的节能设计水平，将铝合金节能窗的设计理念引入幕墙的设计，使开启腔实现“冷热腔”隔热，能较大幅度提高幕墙的节能性能、气密性和水密性。构造示意见图5。
　　由于在开启腔内采用胶条和隔热条搭接，使幕墙等温线得以连续，不仅提高了开启部位的热工性能，还能够提高开启部位的水密性和气密性，综合性能有较大的提高。

　　6 讨论
　　与功能性相比，安全性更为重要，因此在进行节能设计时，不能以牺牲安全性作为代价。下面提醒几点：
　　（1）解决上悬挂接节点的可靠性，合理处理鸭嘴胶条和挂件的布局；
　　（2）五金件应与开启框锚固连接在同一个型材上，不宜将二者分开，避免隔热条承受较大因开启带来的交变荷载，提高隔热条连接的使用寿命和可靠性；
　　（3）热密线是否四周封闭有待进一步探讨。在降雨量较大地区，可以在下边设置开口，避免开启腔内腔进水无法排出；在降雨量不大地区，热密线不必设置开口，避免冷热腔空气对流，提高隔热效果；
　　（4）热密线尽可能与幕墙横梁、立柱的隔热条位置相当，确保等温线在幕墙平面内贯通，达到较佳隔热效果；
　　（5）必要时可以调整五金件的设计，使幕墙开启腔的设计效果达到最优化。
　　本文阐述的只是幕墙开启腔的设计原理，工程应用示例可能具有专利，因此涉及专利内容，请向持有人购买。
　　参考文献
　　1 姜仁.建筑幕墙防水概念透析.铝门窗&幕墙，第10期，2004
　　2 张芹等.建筑幕墙与采光顶设计施工手册.中国建筑工业出版社，2002.10
　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
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