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作為現(xiàn)代社會(huì)中的重要資源，能源已經(jīng)日益顯現(xiàn)出它的珍貴性。在發(fā)達(dá)的工業(yè)化國(guó)家，建筑物消耗了近40%的能源，經(jīng)過粗略的估算，其中的2/3 – 3/4本可通過正確的建筑措施節(jié)省下來。我國(guó)能源結(jié)構(gòu)不合理，能耗消費(fèi)總量已達(dá)世界第二，能源生產(chǎn)與供應(yīng)將會(huì)成為突出矛盾，極大地制約了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。長(zhǎng)期以來，夏熱冬冷地區(qū)的建筑在保溫、隔熱、通風(fēng)條件方面較差，人們?yōu)榱私鉀Q夏季降溫和冬季取暖的問題，不得不采用空調(diào)設(shè)施。當(dāng)空調(diào)與暖氣逐漸走入家庭為我們帶來室內(nèi)局部舒適的同時(shí)，能耗問題、污染問題、城市熱島問題出現(xiàn)并迅速加劇。

北京氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶?rùn)半干旱季風(fēng)氣候。冬季寒冷，夏季較為炎熱，月平均最高溫度超過30°C，平均晝夜溫差較大，平均達(dá)15°C，（年極端最高氣溫—般在35～40°C之間，而年極端最低氣溫一般在－14～—20°C之間）；降水豐沛，明顯集中于夏季3個(gè)月，偶有暴雨發(fā)生，冬春季比較干燥，夏秋季較為濕潤(rùn)，夏季多云；春季及深秋有大風(fēng)，春季偶有沙塵暴發(fā)生。因而北京在一定程度上具有中國(guó)夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)：夏季更熱，冬季更冷，同時(shí)具有兩種極端氣候的特征。另外，北京具有干熱氣候特點(diǎn)以及春季防沙塵暴的要求。

建筑幕墻在當(dāng)前越來越受到關(guān)注，但一般只是作為設(shè)計(jì)手法的重要對(duì)象，忽視了建筑幕墻是影響室內(nèi)熱舒適度和建筑能耗的重要因素和關(guān)鍵部位。夏熱冬冷地區(qū)建筑同時(shí)面對(duì)冬、夏兩種極端氣候，單一的材料無法同時(shí)滿足對(duì)冬季保溫和夏季防熱、隔熱的要求。在極端氣候共存的北京，玻璃幕墻更加需要適應(yīng)性、復(fù)合性。

北京新源大廈一期工程­（現(xiàn)改稱北京公館），是一幢集居家、商務(wù)、休閑于一體的高檔住宅樓，由德國(guó)GMP建筑設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)，北京千禧房地產(chǎn)開發(fā)有限公司承建。該項(xiàng)目建筑面積6.6339萬平方米，樓高82.3米，共26層。針對(duì)北京的氣候特點(diǎn)，以及節(jié)能、環(huán)保等多方面的需求，本工程的幕墻形式選用先進(jìn)的雙層外循環(huán)呼吸式幕墻（也稱為雙層皮外循環(huán)呼吸式幕墻）。該雙層幕墻及其中間的水平遮陽系統(tǒng)，作為一個(gè)立面構(gòu)圖元素，豐富了整個(gè)立面。平面每隔三層退近，形成周圍的室外平臺(tái)，強(qiáng)調(diào)了建筑水平線條并構(gòu)成了極強(qiáng)的韻律感，建筑的東西兩塔頂部樓層以三層為單位，逐步跌落，形成退臺(tái)，使原本龐大的建筑體顯得錯(cuò)落有致。

 

雙層幕墻在當(dāng)前生態(tài)建筑技術(shù)領(lǐng)域成為重要的關(guān)注話題，并且在大多數(shù)歐洲國(guó)家得到了廣泛的推廣和運(yùn)用。但針對(duì)性地從“雙層玻璃幕墻的表皮氣候適應(yīng)性”角度進(jìn)行研究或是節(jié)能設(shè)計(jì)在中國(guó)尚處在萌芽階段。僅有的幾座在國(guó)內(nèi)建成的雙層幕墻建筑只是走“雙層皮”時(shí)髦概念的路線，缺乏對(duì)雙層皮的生態(tài)層次的理解和掌握。如北京某會(huì)計(jì)學(xué)院：空腔間層間距和通風(fēng)口面積過小，造成通風(fēng)不利，且缺乏有利的防熱措施，易引發(fā)室內(nèi)過熱（見照片1）。北京某大型公寓：風(fēng)口進(jìn)、出風(fēng)不暢和通風(fēng)模式選擇不當(dāng)，不利于室內(nèi)外空氣對(duì)流（見照片2）。上海某大廈：幕墻開啟方式和室內(nèi)外氣流環(huán)流模式不當(dāng)引發(fā)夏季室內(nèi)過熱（見照片3）。

          照片2  北京某大型公寓雙層皮通風(fēng)口構(gòu)造                      照片3  上海某大廈雙層皮內(nèi)層表皮

 

2002年夏冬兩季和2003年夏天，華中科技大學(xué)建規(guī)學(xué)院李保峰教授及其研究生與武漢凌云建筑裝飾工程有限公司合作，進(jìn)行了雙層玻璃幕墻相關(guān)系列實(shí)驗(yàn)（見照片4）。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)深入研究了不同遮陽狀況、通風(fēng)狀況、朝向狀況、淋水使用狀況、空調(diào)使用狀況對(duì)玻璃幕墻實(shí)驗(yàn)體室內(nèi)熱環(huán)境和能耗的影響。實(shí)驗(yàn)證明，通過設(shè)計(jì)合理的通風(fēng)口，加上有效的遮陽以及正確的使用方式，可以明顯降低夏天室內(nèi)空氣氣溫和玻璃表               照片4  “雙層皮”玻璃幕墻生態(tài)實(shí)驗(yàn)站

面溫度。具體如下：

朝向系列檢驗(yàn)雙層皮玻璃幕墻面向環(huán)境的熱適應(yīng)性。

實(shí)驗(yàn)表明：雙層皮玻璃幕墻在四個(gè)朝向均有較好的熱工性能（雙層間遮陽的雙層皮相對(duì)于采取內(nèi)遮陽的單層皮），尤其是西向。但前提條件是保證雙層皮玻璃幕墻的空腔間層有較好的通風(fēng)狀況。值得考慮的是：“單雙層皮”構(gòu)造為何在不同的朝向會(huì)有如此大的溫差？南向?qū)嶒?yàn)室內(nèi)溫差有6度，北向?qū)嶒?yàn)室內(nèi)溫差也有4～5度,而西向?qū)嶒?yàn)竟達(dá)17度之多。傳統(tǒng)的“單層皮”玻璃幕墻的維護(hù)結(jié)構(gòu)為一層玻璃，由于玻璃的通透性，夏季陽光直射到室內(nèi)，直接產(chǎn)生溫室效應(yīng)，造成室內(nèi)過熱。而“雙層皮”玻璃幕墻不同于傳統(tǒng)的單層幕墻,它由內(nèi)外兩道幕墻組成。雙層皮空腔間層若是處于空氣流動(dòng)的可控制狀態(tài),室內(nèi)外熱量在此空間內(nèi)流動(dòng)、交換,實(shí)現(xiàn)室外氣候和室內(nèi)小環(huán)境的過濾器和緩沖層作用。不難理解，在高溫的夏季，持續(xù)烘烤的西向比其它方向更能體現(xiàn)這種過濾緩沖效應(yīng)帶來的差異。

因而，具有合適遮陽位置和通風(fēng)模式的“雙層皮”玻璃幕墻比傳統(tǒng)的“單層皮”玻璃幕墻具有更佳的熱工性能。在夏熱冬冷地區(qū)，“雙層皮”玻璃幕墻會(huì)直接降低空調(diào)的使用時(shí)間，不僅節(jié)約了能源，又有利于生態(tài)環(huán)境。

其一，測(cè)試改變基本遮陽位置對(duì)玻璃幕墻防熱條件的影響。

實(shí)驗(yàn)表明：遮陽狀況的有無和好壞，是影響“雙層皮”玻璃幕墻室內(nèi)熱環(huán)境的關(guān)鍵因素。而其中遮陽的位置是“雙層皮”玻璃幕墻的設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一，不同的位置將對(duì)其功效產(chǎn)生不同影響。在有通風(fēng)的前提條件下，雙層皮雙層間遮陽的效果要比其它遮陽方式的效果好，不僅降低了室內(nèi)空氣溫度，而且減少了遮陽構(gòu)件所占用的建筑室內(nèi)使用面積，實(shí)現(xiàn)了在節(jié)能的前提下保持了光潔建筑物表面的設(shè)計(jì)初衷，沒有做任何熱防護(hù)的“單層皮”玻璃幕墻的隔熱效能則最差。值得注意的是在沒有通風(fēng)的情況下，雙層間遮陽的雙層皮的綜合相對(duì)U值要高于外遮陽的單層皮，也就是說前者不能保證較好的通風(fēng)時(shí)，其空腔間層的煙囪效應(yīng)無法發(fā)揮作用，隔熱效能相反不行。

因而，對(duì)“雙層皮”玻璃幕墻而言，除了正確設(shè)計(jì)以外，正確使用也是十分重要的。采用雙層間遮陽并配合恰當(dāng)?shù)耐L(fēng)方式是“雙層皮”玻璃幕墻在夏季不可或缺的條件。

其二，測(cè)試相同遮陽裝置在空腔中位置變化導(dǎo)致的防熱效果。

實(shí)驗(yàn)表明：雙層皮空腔間層遮陽位置的微調(diào)是“雙層皮”玻璃幕墻的遮陽防熱設(shè)計(jì)的再延續(xù)。遮陽裝置越是靠近內(nèi)層玻璃，內(nèi)層玻璃外表面升溫越快，直接向室內(nèi)傳熱的傳熱量也就越大。同時(shí)遮陽裝置和玻璃之間的空間間距越小，其容納空氣的攜熱能力越低，空氣升溫越快，也直接影響到室內(nèi)的熱環(huán)境。

因而，在遮陽裝置后面的通風(fēng)換氣層對(duì)于保證室內(nèi)不出現(xiàn)過熱現(xiàn)象尤為重要，特別是采用封閉式內(nèi)循環(huán)空氣環(huán)流的雙層皮玻璃幕墻。雙層間遮陽位置選擇靠近外層玻璃內(nèi)皮，且處于空腔1/3處較為有利，并且要求遮陽位置距內(nèi)皮最少15cm。

其三，通過測(cè)試不同遮陽裝置的防熱效果。

實(shí)驗(yàn)表明：不同的遮陽構(gòu)造材料，因?yàn)閷?duì)太陽輻射吸收率、透過率、反射率的不同而表現(xiàn)出不同的隔熱效能。遮陽布由于反射率較高（表面有特制的防輻射層），透過率最小，其隔熱效能最好，但是遮陽布以犧牲室內(nèi)照度及視線為代價(jià)。木活動(dòng)百葉遮陽較薄金屬活動(dòng)百葉遮陽簾、塑料活動(dòng)百葉遮******有一定的蓄熱能力，透過率也較低，隔熱效能相對(duì)要好，但要注意木活動(dòng)百葉遮陽自重較大，提升不便的特點(diǎn)。薄金屬活動(dòng)百葉遮陽簾較輕，方便操作，但易受風(fēng)壓的影響而產(chǎn)生噪聲，在高層辦公環(huán)境中不利。塑料活動(dòng)百葉遮陽由于各方面性能都相對(duì)較差，隔熱效能則差一些。

因而，遮陽應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況采取相應(yīng)的遮陽材料。甚至根據(jù)材料某些特點(diǎn)以修正、改變其太陽輻射吸收率、透過率、反射率，從而達(dá)到理想的隔熱效能。另外，采用活動(dòng)遮陽，可以根據(jù)需要控制太陽輻射量和進(jìn)光量，具有較好的靈活性和適應(yīng)性。

 

其一，通過測(cè)試通風(fēng)和空腔內(nèi)溫度、玻璃表面溫度和室內(nèi)熱環(huán)境的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)表明：通風(fēng)狀況的好壞，是影響“雙層皮”玻璃幕墻空腔間層和室內(nèi)熱環(huán)境的基本因素。由于通風(fēng)的原因（A房風(fēng)速峰值達(dá)0.37m/s），A房空腔內(nèi)二次輻射熱較快地從出風(fēng)口導(dǎo)出，B房卻因?yàn)轱L(fēng)口關(guān)閉無法帶走熱量?？梢钥吹紸房空腔內(nèi)溫度明顯比B房低6度左右。由此影響到內(nèi)層玻璃外表面和內(nèi)表面溫度，A房與B房?jī)?nèi)層玻璃外表面溫度差大約4~5度，而A房?jī)?nèi)表面的溫度也始終是比B房低，只是絕對(duì)數(shù)值差沒有外表面的大。這又直接影響到室內(nèi)溫度。顯然有通風(fēng)的“雙層皮”比無通風(fēng)的在夏季具有更佳的防熱能力。

在夏天強(qiáng)烈的陽光輻射下，“雙層皮”玻璃幕墻空腔換氣層往往溫度較高。若是進(jìn)出風(fēng)口的自然通風(fēng)無法實(shí)現(xiàn)，反而急劇增加了制冷的負(fù)荷，這對(duì)于夏季炎熱地區(qū)是致命的缺點(diǎn)。所以，在夏季保證“雙層皮”玻璃幕墻空腔間層良好的通風(fēng)條件，是發(fā)揮“雙層皮”玻璃幕墻優(yōu)越性的關(guān)鍵所在。

其二，通過測(cè)試通風(fēng)模式與室內(nèi)熱環(huán)境的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)表明：在箱體式“雙層皮”玻璃幕墻中，夏季外立面通風(fēng)的面積直接影響空腔和室內(nèi)的熱環(huán)境。對(duì)于箱體式“雙層皮”玻璃幕墻，高度有限，若不加大進(jìn)出風(fēng)口的開啟面積，那么熱壓作用產(chǎn)生的通風(fēng)效應(yīng)則會(huì)更小。在四種通風(fēng)模式當(dāng)中，上下風(fēng)口開啟通風(fēng)模式的通風(fēng)面積最大，氣流環(huán)流最為便捷，其空腔間層的通風(fēng)效果最好，影響室內(nèi)的防熱效果也是最好。所以，在不影響幕墻的光潔外立面和空腔熱壓作用的情況下，應(yīng)加大風(fēng)口開啟面積，提高外立面整體通風(fēng)面積，并且在通風(fēng)線路上力求短捷，減少氣流短路的可能性。

不過，因?yàn)椴煌L(fēng)模式對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響相對(duì)于對(duì)空腔換氣層的影響來說要小的多，因而在考慮整體幕墻風(fēng)口的氣流短路和樓層之間聲音干擾問題時(shí)，錯(cuò)位通風(fēng)模式仍不失為一個(gè)好的選擇。在幕墻外部風(fēng)壓較大和室內(nèi)對(duì)隔音要求不高的時(shí)段里，開啟所有通風(fēng)百葉加強(qiáng)空腔內(nèi)氣流環(huán)流，提高空氣換氣量；在室外靜風(fēng)和太陽輻射較強(qiáng)的時(shí)段里，利用對(duì)角線模式（即錯(cuò)位通風(fēng)模式）避免進(jìn)出氣流短路，充分發(fā)揮熱壓作用，實(shí)現(xiàn)空腔與室外的換熱過程。

通風(fēng)系列實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)試淋水立面對(duì)防熱的影響。

實(shí)驗(yàn)表明：淋水立面直接影響玻璃幕墻外表皮的表面溫度，并對(duì)降低室內(nèi)溫度產(chǎn)生積極的影響。雙層間有遮陽 “雙層皮”玻璃幕墻在有淋水和無淋水狀況下的外表皮溫度差有13度之多，影響到室內(nèi)其溫度差也有4～5度。所以在夏季考慮淋水清洗立面的作用的同時(shí)，充分發(fā)揮淋水對(duì)“雙層皮”玻璃幕墻夏季降溫的作用。

能耗系列實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)試雙層皮玻璃幕墻節(jié)能效應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)表明：“雙層皮”玻璃幕墻在夏季具有良好的節(jié)能效應(yīng)。在有通風(fēng)條件下，雙層間有遮陽的雙層皮和內(nèi)遮陽的單層皮的能耗比較實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，雙層皮室內(nèi)溫度在空調(diào)設(shè)定的工作溫度27℃上下波動(dòng)，空調(diào)正常間歇時(shí)間為30～45分鐘。然而，單層皮室內(nèi)溫度從上午9：30～下午17：00一直在空調(diào)工作溫度以上，并于中午13：30出現(xiàn)峰值32度，空調(diào)持續(xù)工作。單層皮其它時(shí)段內(nèi)空調(diào)的間歇時(shí)間也比雙層皮要短一些。24小時(shí)能耗比較，無論雙層皮空腔間層有無通風(fēng)，雙層皮比單層皮都要節(jié)能14％。即便單層皮采取外遮陽的情況下，“雙層皮”玻璃幕墻也要節(jié)能5.9％。

能耗對(duì)比試驗(yàn)所采用的“單層皮”玻璃幕墻是把其中一個(gè)“雙層皮”玻璃幕墻實(shí)驗(yàn)房外層的玻璃拿掉后形成，其內(nèi)層由一半復(fù)合鋁板和一半8mm白玻組合成外皮。而真正意義上的傳統(tǒng)“單層皮”玻璃幕墻是整片大玻璃覆蓋立面，比實(shí)驗(yàn)站使用的“單層皮”玻璃幕墻多出一半的直接接受熱輻射的面積，室內(nèi)外換熱量多出一倍，因此能耗也要增加將近一半。這樣理解的話，實(shí)際上雙層皮比單層皮要節(jié)能(7.97×2－6.85)/ (7.97×2)=57％。

 

 

 

據(jù)有關(guān)專家估計(jì)，世界上30%－45%的能耗是建筑能耗，而從普通窗戶中散失的能量則達(dá)到一般實(shí)體墻的5-6倍，傳統(tǒng)單層玻璃幕墻雖然在熱工性能上比普通窗戶有很大的提高，但它仍然是建筑能耗的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)?！半p層皮”玻璃幕墻的優(yōu)點(diǎn)就充分體現(xiàn)于它的雙層幕墻結(jié)構(gòu)，在陽光照射、熱輻射以及熱傳導(dǎo)等性能方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的單層玻璃幕墻。

中國(guó)夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能性能估算：根據(jù)前文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在夏季一定遮陽和通風(fēng)條件下，“雙層皮”玻璃幕墻比普通玻璃幕墻節(jié)約制冷能耗約57％。再根據(jù)國(guó)外“雙層皮”玻璃幕墻采暖與制冷節(jié)能情況（德國(guó)有關(guān)資料表明：“雙層皮”玻璃幕墻與傳統(tǒng)單層玻璃幕墻的能源消耗相比，采暖時(shí)可節(jié)約能源42%-52%，制冷時(shí)可節(jié)約能源38%-60%），假定按最低節(jié)約采暖能耗42%計(jì)算。如果冬、夏兩季各開空調(diào)三個(gè)月（每月20天，每天間歇式空調(diào)采暖或制冷），開機(jī)24h，在夏季三個(gè)月，每1000㎡南向“雙層皮”玻璃幕墻比普通玻璃幕墻節(jié)電4.54萬度；在冬季三個(gè)月，每1 000㎡南向“雙層皮”玻璃幕墻比普通玻璃幕墻節(jié)電3.35萬度。

可見，“雙層皮”玻璃幕墻具有非常優(yōu)異的節(jié)能性能?！半p層皮”玻璃幕墻和普通單層幕墻相比，增加了一道屏障，一次性制造成本提高了，但從 “雙層皮”玻璃幕墻節(jié)電效果來看，“雙層皮”玻璃幕墻使用10年左右而節(jié)約的電費(fèi)就相當(dāng)于單層幕墻的成本，而建筑幕墻的使用壽命至少可達(dá)20－30年，節(jié)約的電費(fèi)將會(huì)更加可觀。

 

房間的空氣流動(dòng)情況對(duì)于建筑物能耗、室內(nèi)空氣品質(zhì)和人體健康至關(guān)重要。眾所周知,建筑通風(fēng)設(shè)計(jì)的目的就是通過人工的方法,盡量減少或避免使用不可再生型能源，在室內(nèi)空間創(chuàng)造一種健康、舒適、安全的空氣環(huán)境。

基于流體力學(xué)的模擬計(jì)算軟件Comis，進(jìn)行通風(fēng)計(jì)算時(shí)可以涉及一些細(xì)微但很重要的因素，如開啟的窗口兩側(cè)空氣的雙向流動(dòng)；特定溫度、濕度對(duì)縫隙兩側(cè)溫度的影響。因此，可以根據(jù)給出的即時(shí)計(jì)算使模型如實(shí)地反映不同的天氣條件對(duì)室內(nèi)空氣流動(dòng)的影響，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供良好的參考。

模擬過程：根據(jù)“雙層皮”玻璃幕墻實(shí)驗(yàn)站實(shí)際情況，取高度為四米的一個(gè)幕墻單元為模擬對(duì)象，分別模擬了幕墻單元高度、開窗形式、窗口大小及組合方式對(duì)空氣交換量的影響。

 

窗口尺寸(寬*長(zhǎng)m)	窗戶個(gè)數(shù)	壓力（Pa）	流出空氣量(Kg/h)	流入空氣量(Kg/h)
0.6/2.4*2	2	1.03	1417	1226
2.4/0.6*2	2	0.26	748.7	551.8
2.4/1.2	1	0.493	1936	1740
2.1/1.2	1	0.496	1705	1509
2.1/0.9	1	0.377	1133	937
2.1/0.6	1	0.264	668.4	471.6
2.1/0.3	1	0.157	307.4	110
2.1/0.1	1	0.154	197.4	0

 

由上表可知：

（1）窗戶開口面積越大，通過這扇窗的空氣交換量越大。隨著窗口高度的減小，空氣流出和流入量都逐漸減小，當(dāng)高度減小到0.1米時(shí)，程序即只考慮這個(gè)窗戶的單方向空氣流動(dòng)。

（2）當(dāng)窗口面積相等時(shí)，橫長(zhǎng)窗沒有縱長(zhǎng)窗的通風(fēng)效果好。同樣2.4*0.6米的窗口，2.4米高0.6米寬的窗戶，通風(fēng)換氣量是0.6米高2.4米寬的窗戶的兩倍。

（3）窗口總面積相等，一扇開窗比分成兩扇的通風(fēng)換氣量大。兩扇2.4*0.6米的窗戶開口面積等于一扇2.4*1.2米的窗戶，但前者通風(fēng)換氣量?jī)H為后者的2/5。

 

 

 

 

 

 

 

Comis模擬兩種開窗形式：平開窗和懸窗，不管外立面是一扇窗還是兩扇窗，懸窗的通風(fēng)效果都優(yōu)于平開窗。當(dāng)有一扇開窗時(shí)懸窗通風(fēng)換氣量是平開窗的2倍，當(dāng)雙層皮外墻玻璃上有上下兩個(gè)開口時(shí)，由于煙囪效應(yīng)和懸窗的導(dǎo)風(fēng)效果，通過懸窗的空氣流通量是平開窗的10倍。

 

 

懸窗不同的開啟角度對(duì)通風(fēng)換氣量也有很大的影響，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，開啟角度越大空氣流通量越大。流通量隨著開啟角度成正比增長(zhǎng)。

 

 

空間尺寸(長(zhǎng)*寬*高m)	開窗形式	壓力（Pa）	流出空氣量(Kg/h)	流入空氣量(Kg/h)
3/0.4/10	1平開窗	0.261	1419	1224
	2懸窗	4.44	120500	120300
3/0.4/4	1平開窗	0.253	1396	1201
	2懸窗	1.67	29070	28880

 

隨著幕墻空間高度的增加，空氣交換量也增加?？臻g高度由4 米增加到10米，平開窗的情況下，流通量增加5%；懸窗的情況下，流通量增加3倍。這說明井箱式幕墻通過將上下層幕墻單元連通形成通風(fēng)豎井，利用煙囪效應(yīng)，在窗戶采用懸窗的情況下，有利于雙層皮幕墻空腔內(nèi)的空氣流通，可以起到較好的降溫效果。

 

根據(jù)能量守恒定律,對(duì)內(nèi)、外側(cè)玻璃和熱通道空氣層3個(gè)獨(dú)立對(duì)象建立熱平衡方程:

外側(cè)單層玻璃的熱平衡方程:

                (1)

內(nèi)側(cè)雙層玻璃的熱平衡方程:

                 (2)

熱通道空氣層的熱平衡方程:

                          (3)

式(3)的邊界條件為:ｚ=0,ｔｆ=ｔｏ.式(1)～(3)是關(guān)于ｔｆ,ｔ2和ｔ3的3個(gè)獨(dú)立方程,如果式(1)～3)中所有系數(shù)已知,則可以求出ｔｆ,ｔ2和ｔ3.

式(1)～(3)構(gòu)成了熱通道玻璃幕墻的熱工計(jì)算模型.

若太陽輻射透過熱通道玻璃幕墻進(jìn)入室內(nèi)的傳熱率為ｑａ,則室內(nèi)得熱速率：

                 (4)

根據(jù)圖2所示的射線跟蹤法可求出系統(tǒng)的太陽能吸收率和透過率.τ和θ分別為玻璃的太陽能透過率和反射率。

 

玻璃幕墻的透過率

外側(cè)單層玻璃的吸收率

內(nèi)側(cè)雙層玻璃的吸收率

外側(cè)單層玻璃吸收太陽能的速率

ｑａｏ=αｓｏＩｄ+αＳｏＩＤ                               

內(nèi)側(cè)雙層玻璃吸收太陽能的速率

從室外(溫度為ｔｏ)到玻璃內(nèi)表面(溫度為ｔ2)之間的熱阻1/ｋｏ為對(duì)流熱阻1/ｈｏ與玻璃傳導(dǎo)熱阻δｏ/λｏ之和:

將內(nèi)側(cè)雙層玻璃作為一個(gè)整體,同樣,從玻璃內(nèi)表面(溫度為ｔ3)到室內(nèi)(溫度為ｔｉ)之間的熱阻1/ｋｉ為

                                          

此處δｉ/λｉ為將內(nèi)側(cè)雙層玻璃作為一個(gè)整體的傳導(dǎo)熱阻,其值由生產(chǎn)廠家提供或?qū)崪y(cè)得出.

內(nèi)外兩側(cè)玻璃之間的輻射傳熱系數(shù)

ｈｉ,ｈｏ和ｈｆ可根據(jù)玻璃表面對(duì)流換熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式(式(13))確定:

 式中,Δｔ為相界面溫差.

流通空氣形成穩(wěn)定氣流,必然滿足熱壓Δｐｈ與氣流阻力損失壓力頭Δｐｌ相等,即

式中,ｔｆｍ為熱通道空氣平均溫度,

由于熱通道氣流速度遠(yuǎn)低于音速,所以流體壓力損失與空氣流速ｖｆ有關(guān),可按水力學(xué)原理計(jì)算.我們發(fā)現(xiàn),熱通道中空氣流速低時(shí),流體壓降主要在進(jìn)出口,這與Ｔｒｏｍｂｅ通道壓降情況吻合.故有

ｉ=1式中,ξｉ為氣流阻力損失系數(shù),其計(jì)算公式如下:

氣流進(jìn)口損失系數(shù)

進(jìn)氣孔至熱通道突然擴(kuò)大時(shí)的氣流損失系數(shù)

熱通道至出氣孔突然縮小時(shí)的氣流損失系數(shù)

   

1ζ0可通過工程手冊(cè)查到.

氣流出口損失系數(shù)

式中,ω為熱通道空氣水平截面積,ω1為進(jìn)氣或出氣孔累計(jì)垂直截面積;

由前面各式便可求出熱通道空氣流速ｖｆ.

計(jì)算時(shí)首先輸入玻璃和空氣的物理參數(shù)、室內(nèi)外空氣溫度、太陽能輻射強(qiáng)度,以及幕墻幾何尺寸.初步設(shè)定ｖｆ,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可初設(shè)為0.3ｍ/ｓ.求出方程(1)～(3)中各系數(shù)的值;求解式(1)～(3),得出ｔｆ,ｔ2和ｔ3.再求出Δｐｈ和Δｐｌ,判定Δｐｈ-ΔｐｌΔｐｈ≤ε是否成立.判定不成立,則繼續(xù)設(shè)定ｖｆ,修改物理參數(shù);判定成立則認(rèn)為ｖｆ設(shè)定合理,根據(jù)式(4),求出室內(nèi)得熱速率ｑ.

采用方程(1)～(3)作為計(jì)算模型,可以較好地進(jìn)行熱通道玻璃幕墻的熱工計(jì)算,只要確定了式(1)～(3)中的各個(gè)系數(shù),就可以求出方程的解.我們采取了以下簡(jiǎn)化措施來確定方程的各個(gè)系數(shù):

(1)由于散射系統(tǒng)的散射強(qiáng)度不容易得到,為了簡(jiǎn)化太陽輻射能的計(jì)算,故認(rèn)為散射系統(tǒng)的效果近似于直射系統(tǒng),如對(duì)于內(nèi)側(cè)玻璃有ｑａｉ=αｓｉＩｄ+αＳｉＩＤ=αｓｉＩ,其它按此同樣處理;

(2)空氣的初始物理參數(shù)可按室內(nèi)外平均溫度查表得到;

(3)ｖｆ可初設(shè)為0.3ｍ/ｓ,計(jì)算步長(zhǎng)Δｖｆ取為0.001ｍ/ｓ,允許誤差ε可取10-3,以保證較快收斂和較好精度;

(4)在冬季,關(guān)閉了進(jìn)出風(fēng)口,取流速ｖｆ為零,同樣可以利用該模型進(jìn)行熱工計(jì)算.

 

符號(hào)說明:

Ｂ—空氣厚度,ｍ

Ｃｂ—輻射系數(shù)

ｈ—對(duì)流或輻射傳熱系數(shù),Ｗ/(ｍ²·Ｋ)

Ｈ—熱通道高度,ｍ

Ｉ—太陽輻射強(qiáng)度,Ｗ/ｍ²

ｋ—傳熱系數(shù),Ｗ/(ｍ²·Ｋ)

Δｐ—空氣流程壓降,Ｐａ

ｑ—單位面積傳熱速率,Ｗ/ｍ²

ｔ—溫度,℃

Ｔ—絕對(duì)溫度,Ｋ

ｖ—空氣流速,ｍ/ｓ上下標(biāo):

ａ—照射(直射、散射)系統(tǒng)

ｄ—直射

ｚ—高度,ｍ

α—輻射吸收率

δ—玻璃厚度,ｍ

λ—導(dǎo)熱系數(shù),Ｗ/(ｍ·Ｋ)

θ—反射率

ρ—空氣密度,ｋｇ/ｍ³

τ—透過率

ω—流通面積, ｍ²

ε—允許誤差

ξ—阻力系數(shù)

ｏ—外側(cè)

ｒ—輻射

Ｄ—散射

ｆ—對(duì)流

ｉ—內(nèi)側(cè)

ｓ—直射系統(tǒng)

Ｓ—散射系統(tǒng)

5.  北京新源大廈雙層幕墻

該工程雙層幕墻采用自然通風(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)的混合通風(fēng)方式，有效組織進(jìn)出氣流，帶走空腔內(nèi)余熱，在室內(nèi)與室外通風(fēng)處理上，以每三層為單元進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)換氣，保證室內(nèi)換氣量至少1.0次每小時(shí)。針對(duì)北京沙塵暴氣候特點(diǎn)，特別設(shè)計(jì)了固定開啟角度的通風(fēng)百葉（通風(fēng)換氣用）和電動(dòng)開啟窗（防沙塵暴和控制進(jìn)出氣流量），兩道控制系統(tǒng)，大大提高了通風(fēng)換氣和抵抗沙塵暴的能力，并且在層間布置有防塵網(wǎng)，有效地起到了防塵的效果。雙層幕墻的外層采用10mm單層透明鋼化玻璃，內(nèi)層采用冷熱“斷橋”型材和6mm+12A+6mm中空玻璃（外片為L(zhǎng)ow-E玻璃），內(nèi)外層幕墻間距為500mm（凈寬）的空腔，保證了緩沖區(qū)換氣層夏季通風(fēng)換熱作用和冬季囤熱保溫作用的兼顧。

加之雙層幕墻的出氣口可控制其開閉狀態(tài)，顯著地阻止了夏季熱量的進(jìn)入和冬季室內(nèi)熱量的散失，從而真正使雙層幕墻起到了冬季保溫，夏季隔熱的功效。雙層幕墻中的旋轉(zhuǎn)側(cè)收可調(diào)節(jié)遮陽百葉，可按照住戶的需要，隨意改變?nèi)~片的角度或位置，讓光線均勻進(jìn)入室內(nèi)，大大地改善了室內(nèi)的光環(huán)境。

與傳統(tǒng)的單層幕墻相比，本工程的雙層幕墻有如下突出的優(yōu)點(diǎn)：

（1）從原理上，雙層幕墻利用“煙囪效應(yīng)”與“溫室效應(yīng)”的原理，從幕墻的功能上解決節(jié)能問題；單層幕墻則只是從材料的選用上，通過材料本身的特性來達(dá)到一定的節(jié)能效果。

雙層幕墻的保溫隔熱原理如下：

冬季保溫工作原理：進(jìn)入冬季，關(guān)閉外層幕墻的出氣口，使熱通道內(nèi)形成溫室。白天太陽照射使溫室內(nèi)空氣蓄熱，溫度升高，使內(nèi)層幕墻的外片玻璃溫度升高，從而降低內(nèi)層幕墻內(nèi)外的溫差，有效阻止室內(nèi)熱量向外擴(kuò)散。夜間室外溫度降低，由熱通道內(nèi)蓄熱空氣向外層幕墻補(bǔ)償熱量，而室內(nèi)熱量得到相應(yīng)保持，因而無論白天和夜間，均可實(shí)現(xiàn)保溫功能。

夏季隔熱工作原理：進(jìn)入夏季，打開出氣口，利用空氣流動(dòng)熱壓原理和煙囪效應(yīng)，使雙層幕墻由進(jìn)氣口吸入空氣進(jìn)入熱通道，在熱通道內(nèi)氣體受熱，產(chǎn)生由下向上的熱運(yùn)動(dòng)，由出氣口把雙層幕墻內(nèi)的熱氣體排到外面，從而降低內(nèi)層幕墻溫度，起到隔熱作用。

（2）從環(huán)保上，雙層幕墻由于其功能解決節(jié)能，外層玻璃選用無色透明玻璃，可最大限度地減少玻璃反射帶來的不良影響（“光污染”）；單層玻璃幕墻為保證室內(nèi)外效果與節(jié)能的考慮，玻璃一般選用有一定反射功能的鍍膜玻璃。

（3）從節(jié)能上，雙層幕墻由于熱通道的作用，比單層幕墻節(jié)能約50%，是解決建筑節(jié)能的一個(gè)新的方向。

（4）從使用上，熱通道的出現(xiàn)，使雙層幕墻夏季節(jié)省制冷費(fèi)用，冬季可節(jié)省取暖費(fèi)用。同時(shí)遮陽百葉置于熱通道，能有效地防止日曬，又不影響立面效果。

 

圖34：旋轉(zhuǎn)側(cè)收遮陽百葉效果

 

（5）從舒適度方面，雙層幕墻特制的內(nèi)外雙層構(gòu)造、熱通道和內(nèi)層全密封方式，使其隔聲性能比傳統(tǒng)幕墻高一倍以上（內(nèi)層玻璃幕墻開窗時(shí)45Db,關(guān)窗時(shí)67Db）,讓室內(nèi)生活與工作的人們有一個(gè)清靜的環(huán)境；另一方面，無論天氣好壞，勿須開窗，熱通道都可直接將自然空氣傳至室內(nèi)，為室內(nèi)提供新鮮空氣，
從而提高室內(nèi)的舒適度，并有效地降低高層建筑單純依賴暖通設(shè)備機(jī)械通風(fēng)帶來的弊病。

圖35：出風(fēng)部位電動(dòng)開啟扇效果

圖36：自然進(jìn)風(fēng)層剖面效果

 

（6）從安全方面，雙層幕墻對(duì)此給予了充分考慮,比如：下雨時(shí)可通風(fēng),雨不會(huì)進(jìn)入室內(nèi),可保持物品安全；通風(fēng)時(shí)風(fēng)速柔和, 物品不會(huì)被風(fēng)卷走，也不易墜落；兩道幕墻防護(hù)，有利于防盜。

通過該項(xiàng)目的實(shí)施，我公司獲取了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)了一大批高素質(zhì)的人才。由于其環(huán)保、節(jié)能性能突出，在建筑領(lǐng)域也取得了較大影響。正是憑借其具有的知名度和廣泛的影響力，該工程有力地支持了我公司的市場(chǎng)營(yíng)銷工作。項(xiàng)目實(shí)施以來，先后有西安、天津、南京、廣州、科威特等國(guó)內(nèi)外眾多客戶到北京新源大廈進(jìn)行實(shí)地考察，該工程采用的雙層外循環(huán)呼吸式幕墻給大家留下了深刻的印象，其中大部分客戶最終選擇了凌云為承包單位。北京新源大廈雙層外循環(huán)呼吸式幕墻為公司開拓市場(chǎng)作出了重要貢獻(xiàn)，樹立了光輝的典范。

北京新源大廈的雙層外循環(huán)呼吸式幕墻作為一種新型的幕墻形式，有著其它幕墻不可比擬的優(yōu)勢(shì)，已為越來越多的用戶所接受，它打造了幕墻高新技術(shù)的制高點(diǎn)，為凌云實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為打造“凌云18”著名品牌作出了重要貢獻(xiàn)！

 

 

 

(中國(guó)裝飾施工網(wǎng)熊翔:由于文章篇幅較大,文中一些實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)圖表,未能放進(jìn)來,敬請(qǐng)諒解.如欲了解詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),請(qǐng)和武漢凌云公司聯(lián)系.)