关于建筑幕墙工程中双层通风玻璃幕墙的节能设计分析

摘要：随着我国建筑幕墙行业的发展,各种新型建筑幕墙形式得到广泛应用。低碳经济、节能政策的相继出台,给建筑幕墙的高效节能设计提出了新的课题。双层幕墙的出现,曾一度给行业带来期待;一些开发商、建筑设计院、幕墙公司追赶潮流,相继建成了一些工程, 但节能效果多数不如意。什么原因导致这

样的结果呢? 与传统玻璃幕墙相比，双层玻璃幕墙在一定程度上可改善建筑的热工性能，然而，其优势能否发挥，还取决于建筑幕墙的设计是否合理。本文分析了双层玻璃幕墙在不同季节的热传递过程，并提出了提高幕墙建筑节能效果的热工设计方法。

关键词：双层幕墙；节能设计；设计方案

一、 概述

当今,玻璃幕墙在现代建筑，特别是在高层和超高层建筑中的风靡程度有增无减，它几乎是世界各大城市建筑立面的一致选择。主要原因之一是人们的审美倾向仍然受现代主义风格的影响，而玻璃幕墙不仅外观简洁、通透、富有现代感，甚至可以在一定程度上彰显企业实力、突出企业形象。因而受到众多业主和建筑师的追捧。然而，人们为了这种独特的外观也付出了沉重的代价，由于传统玻璃幕墙的保温、隔热性能均远不及传统墙体，同时传统玻璃幕墙缺乏合理控制太阳辐射的措施，这就大大增加了该类建筑的制冷和采暖能耗。在2005年，我国推出公共建筑设计节能标准，对玻璃幕墙提出了严格的热工要求。

与传统玻璃幕墙相比，双层玻璃幕墙（Double Skin Falade，以后简称DsF)独特的通道夹层设计，不仅为提高幕墙的保温隔热性能上提供了更多可能，更重要的是，为遮阳构件提供了一个栖身之地，使之既能有效遮阳，又不破坏建筑外观。此外，它还可以通过强化通风降温来降低建筑能耗，因而倍受建筑师的推崇。然而，采用DSF不仅会增加成本，牺牲可观的建筑面积，同时其维修费用也高出一般幕墙。而且，不能简单地认为DSF一定具有更好的保温、隔热、通风等热工性能，目前大多数类型的DSF都不能同时减少采暖和制冷负荷，只有根据具体情况把不同类型结合起来或改变系统设置，以其科学的结构、完善的功能、先进的设计理念充分利用太阳能、自然通风换气，降低空调能耗减少风及恶劣气候的影响才可能比传统的隔热玻璃加外遮阳方案有实质性进步。

二、双层幕墙的通风分析

双层通风玻璃幕墙又称为呼吸式幕墙，热通道玻璃幕墙，它通常包括外层玻璃幕墙、通风空气层（也称热通道）和内层玻璃幕墙。双层通风玻璃幕墙热通道宽度一般为100～2000mm，热通道上下一般设有进出风口，遮阳装置设置在热通道内，如图1所示。通常认为的通风双层玻璃幕墙的节能原理是这样的：冬天,关闭进出风口,由于阳光的照射,使热通道内温度升高,像一个温室,等于提高了内层玻璃幕墙的外表面温度,减少了建筑物采暖时间和能量损耗,如图1；双层玻璃幕墙在夏季具有隔热作用,在夏季,开启热通道上下风口可以实现外循环通风,利用空气流动的热压原理(自然通风),或是利用机械通风装置(机械通风),玻璃幕墙从进风口吸入空气进入缓冲区,在缓冲区内气体受热,产生由下而上的热运动,由出气口将热空气排到外面,从而降低了内层幕墙的温度,起到了隔热作用,如图2。

图1通风双层玻璃幕墙冬季无通风示意图 图2 通风双层玻璃幕墙夏季外循环示意图

对内层幕墙可开启的通风双层玻璃幕墙，可实现内循环的通风方式，如图3，夏季白天由于太阳辐射和围护结构的传热，室内温度升高并且室内家具墙体将蓄存一部分的热量，而夏季夜间通风正是利用室内的温度较低的空气带走室内热量，进一步减少第二天的空调耗能，如图4：

图3通风双层玻璃幕墙夏季内循环示意图 图4 通风双层玻璃幕墙夏季夜间通风示意图

三、通风双层幕墙的工作分析

1 透射体系研究

从遮阳装置或者设备的布置的角度来看，DSF分以下几种形式：第一种，DSF的内外侧都是玻璃，中间加设遮阳构造，其形式主要有：装置、格挡等，如百叶、格栅等，这是目前较为常用的一种，尤其结合感光智能控制的遮阳百叶等设备；第二种，遮阳设备设在双层玻璃幕的内侧或者外侧。对于，热通道内加设遮阳百叶通风幕墙组成的透射体系：两侧是玻璃，中间是空气层和遮阳百叶。忽略遮阳装置的影响，该体系可以视为阳光照射到两侧均为空气的双层半透明薄层，射线要通过两个玻璃界面透射到另一侧，阳光首先进入第一个玻璃层，此时由于反射的作用(设此层玻璃的总反射率分别为r)，则只有(1-r)的辐射能进入玻璃层；经玻璃的吸收后(玻璃吸收率设为α)，有(1-r)(1-α)的辐射能可达玻璃另一侧层界面；由于反射作用，只有(1-r)2 (1-α)经玻璃吸收后可以透过该玻璃层，而反射(1-r)r(1-α)要反射回玻璃第一层界面部分辐射能经过反射、吸收、透射等反复进行下去(见图5)。

图5双层玻璃幕墙透射体系模型

于是可以得到单层玻璃的吸收率：αz=α(1-r)[(1+r(1-α)+r2(1-α)2+…]=

α(1-r)/[1-r(1-α)]

反射率： R=r{1+(1-α) 2 (1-r)2/[1-r2(1-α)2]}

透过率： T=(1-r)2(1-α)/[1-r2(1-α)2]

同样，双层玻璃的总透过率为：Ts =t1t2/[1-ρ1ρ2]

总的反射率为：ρ=ρ1+t12ρ2 /[1-ρ1ρ2]

第一层玻璃的总吸收率为：αZ1=α1+{1+t1ρ2/[1-ρ1ρ2]}

第二层玻璃的总吸收率为：αZ2= t1α2/[1-ρ1ρ2]

上述式子中，t1、t2分别为两层玻璃透过率；α1、α2分别为两层玻璃的反射率；ρ1、ρ2 分别为两层玻璃的吸收率；这些都和玻璃本身的物理性质、介质温度、太阳辐射入射角度等有关。

2 关于热阻的模型

（1）热通道内空气的不定向流动

在冬天，关闭幕墙上下的风口，DSF完全是一个两层玻璃中间是空气夹层的结构体系(见图6)，DSF共三层，4个界面，则热阻组成为：外侧玻璃外表面的换热热阻(玻璃与室外环境的对流换热系数设he)，外侧玻璃本身的热阻Reg，热通道内综合热阻R，内侧玻璃本身的热阻Rig，内侧玻璃与室内环境的表面换热阻(对流换热系数为hi)。热通道内假设为理想状态：即热交换只有辐射热交换，那么，外侧玻璃与室外环境的传热热阻以下式计算：Re=1/Ue=1/her+1/he+Reg。

式中，Ue为外侧幕墙的传热系数，her、he分别为外侧玻璃内表面的辐射换热系数和外表面的对流换热系数。内侧玻璃幕墙的总热阻计算方法与外侧幕墙相

同，内侧幕墙热阻设为Ri。中间热通道的热阻比较复杂，只考虑辐射换热，那么辐射换热系数可以由下式求出：Her =σ(T2eg +T2ig )(Teg +Tig)/(1/εeg +1/εig -1)

式中：σ为斯蒂芬-波尔斯曼常数，σ=5.67×l0-8W/(m2•K4) ；Teg 、Tig为外侧和内侧玻璃的热力学温度；εeg、εig为外侧玻璃幕内表面和内侧玻璃幕的外表

面发射率。

图6DSF传热模型

由于通道内的空气在自然状态下是均匀的，因此内外侧幕墙在通道里的辐射换热阻是相等的，于是热通道内的总热阻：R=1/2her

而事实上，即使是密封性很好的双层玻璃幕墙热通道内的空气也不可避免地分布不均匀或者出现涡流的情况，因此，理想条件下的情况是很难实现的

（2） 热通道内形成空气流

当热通道内形成空气流，那么我们只考察热通道内的热阻，而把内外侧玻璃幕墙表面的换热热阻中的对流换热部分纳入热通道的热阻中来，内外侧玻璃的热阻不变(按照（1）中的式子不变化)，此时热通道的热阻组成为：热通道内的总热阻R和玻璃界面的对流换热热阻h以及辐射换热热阻h。即：R=1/2her+hc

对流换热系数可依据有关公式计算：

hC =6.12uf0.78 uf >5m/s

hC =4.8+3.4ufuf≤5m/s

式中：uf热通道中空气流速，单位是m/s。

四、提高节能效果的热工对策

1 基于气候的热工设计对策

1.1 严寒地区和寒冷地区的热工设计对策

对于严寒和寒冷地区，由于要充分考虑冬季建筑的保温和太阳能利用，所以要特别重视幕墙的保温性能。提高幕墙保温性能的措施如下：

(1)提高幕墙的密封性能，减少冷风渗透。

(2)内侧幕墙采用双层甚至多层中空玻璃，增加内层幕墙的气密性。

(3)在幕墙不可视位置加设保温棉，提高幕墙的保温性能。

(4)提高幕墙玻璃本身的热工性能：采用断热铝型材龙骨；外层玻璃采用LOW-E镀膜玻璃，即低辐射玻璃，可提高对太阳能的利用率，又减少了玻璃的反射对周围环境的影响。

(5)内遮阳装置遮阳片可以对太阳高度角的变化进行旋转，减小其对太阳辐射的影响，以使室内获得更多的太阳辐射。

实际上，由于我国太阳辐射资源丰富，双层通风玻璃幕墙在冬天可使建筑上形成一个大的温室，由于温室效应，冬天可以很好地利用太阳能，从而减少冬天的采暖能耗。但是到了夏天，幕墙的温室效应则会大大增加建筑的制冷负荷。因此，无论在我国的寒冷地区还是南方的炎热地区，这种幕墙在夏天最大的问题都是遮阳和隔热问题。

1.2 炎热地区的热工设计对策

炎热地区，对于DSF而言，最重要的是夏季的遮阳和隔热。撒世忠等的研究论文中给出了遮阳百叶设在热通道后可以增加幕墙的遮阳和隔热性能，如内层幕墙采用中空玻璃时，太阳辐射的透射率为0.17，大大减小了室内太阳辐射量。同时，在通风幕墙中使用传热系数为2.05W/(m2•K) 中空玻璃时，无遮阳百叶的通风幕墙透明部分的传热系数为1.29W/(m2•K)， 而有遮阳百叶的通风幕墙的透明部分的传热系数为1.17 W/(m2•K)，节能效果显著。清华大学超低能耗楼采用的双层通风玻璃幕墙，内外玻璃幕墙之间设置了遮阳百叶和反光板。各层的内遮阳百叶，下部固定，向上开启，反光板可调角度，能在一定程度上把自然光反射到室内，双层幕墙上都设有开启扇，可合理控制过渡季节的自然通风。一般认为，外遮阳的效果最好，可遮挡高达90%的太阳总辐射。

夏季，由于太阳辐射的影响，热通道内空气温度升高，由于向上的浮力作用，热通道内形成自下而上的气流，由于空气的流动自上面的排气口带走了部分热量，从而使幕墙自然降温(NaturalCooling)，降温幅度很大程度上取决于通道内的热流速度。由上文分析得知热流速度大，则热通道内的辐射和对流换热系

数就会显著增大。因此，在热通道内设导流设备以及鼓风或者是抽风设备增大通道的气流速度是十分有效的措施。有研究发现：选择适当的玻璃幕墙性能组成可降低热负荷，同时适当的利用热通道内气流能改善总的热平衡：有人认为当通道内气流速度达到 6m/s时，夏季进入建筑的热负荷可大大降低；而当气流速度是 1.5m/s时，此时进入建筑的热负荷只相当于自由对流的情况。但是，如何使热通道内的热流顺利从开口排出，带走热量，不仅与双层幕墙的间距有关，而且也与幕墙的高度，当地的气候等因素有关。研究通道内的热流是很复杂的，目前采用的计算机软件模拟取得了一些公认的成果，比如采用CFD(ComputationalFluidDynamics计算流体力学)软件模拟传热过程等。

2 实例运用

某大厦所采用的通风双层玻璃幕墙，体现了诺曼福斯特高技派设计风格，该幕墙内层采用可开启的洁净透明钢化玻璃，外层为透明钢化中空 LOW-E玻璃，内外层中形成的热通道宽度为320mm；中间设有宽 35mm的电动百叶，百叶可以转换角度以及升降开启以遮阳和调节光线。夏天，空腔内由于烟囱效应使气流从上边开口排出，形成一道空气缓冲层，从而减少室内外温度交换，降低了制冷负荷，节能可达30%~40%左右。

五、结束语

我国现阶段建筑节能的状况，迫切需要能有效提高幕墙热工性能的双层玻璃幕墙设计方法。为了避免损失，国内应尽快探索能正确指导DSF实施的理论和经验。因此，在开展热工理论、实验研究的同时，应尽快开展对已有工程经验的分析和总结，根据项目所处地理位置、气候条件、建筑规模和用途、建筑平面布局和使用情况等因素来判断DSF的适用程度和提出合理的DSF方案，从而保证DSF的优势更有效地发挥出来。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。