双层幕墙节能技术（共6篇）
双层幕墙节能技术 篇1
双层幕墙(也叫双通道幕墙或呼吸式幕墙)是一种节能环保型幕墙,主要是由外层幕墙、空气交换通道(俗称热通道)、进风装置、出风装置(承重隔栅)、遮阳系统以及内层幕墙(或门、窗)等组成,且在空气交换通道内能够形成空气有序流动的建筑幕墙。
呼吸式双层幕墙其设计理念与设计思想主要是体现“自然、节能与环保”,使室内工作环境与室外自然环境融为一体。双层幕墙经过了四个演变过程,即整体式双层幕墙、通道式双层幕墙、廊道式双层幕墙、箱体式双层幕墙。
1双层幕墙的概念
根据GB/T 21086的定义,双层幕墙是由外层幕墙、热通道和内层幕墙(或门、窗)构成,且在热通道内可以形成空气有序流动的建筑幕墙。双层幕墙是双层结构的新型幕墙,外层结构一般采用玻璃幕墙,内层结构可采用玻璃幕墙、铝合金门或铝合金窗。内外结构之间分离出一个中间层,形成一种通道,空气可以从下部进风口进入通道,也可以从上部出风口排出通道,空气在通道流动,导致热能在通道的流动和传递,这个中间层称为热通道,所以双层幕墙又称为热通道幕墙。
2双层幕墙的类型
双层幕墙由内外两层玻璃幕墙组成,与传统幕墙相比,双层幕墙的内外两层幕墙之间形成一个通风换气层,因而它在节能方面比传统的幕墙节能达50%,采暖时节约能源42%～52%,制冷时节约能源38%～60%,保温性能达国际Ⅱ级,具有冬季保温和夏季隔热的双重功能,有效地减少空调的使用,达到节能效果。双层幕墙根据通风层的结构不同可分为“封闭式内通风”和“敞开式外通风”两种。内通风与外通风双层幕墙作用原理如图1所示。
3双层玻璃幕墙的特点
3.1 高效节能
与基准幕墙和普通节能幕墙相比,双层幕墙是节能效果最理性的高效节能幕墙,经实践证明北京地区其节能效果见表1。
3.2 环境舒适
与单层幕墙和普通节能幕墙相比,双层幕墙能创设良好的热环境和通风环境,提供舒适的办公环境,如图2所示。
3.3 采光合理
进入室内的光线角度和强弱,直接影响到您的舒适感。双层玻璃幕墙可以根据您的需要,只要您轻轻一按开关,遮阳百叶便可按照您的意愿或收起或任意位置放下或叶片倾斜,让光线均匀进入您的室内,尽情享受光线的变化,大大改善室内光环境。
3.4 隔声降噪
双层幕墙特制的内外双层构造、缓冲区和内层全密封方式,使其隔声性能比传统幕墙高1倍以上(内层玻璃幕墙开窗时45 dB,关窗时67 dB),为营造舒适、宁静的生活环境必不可少。
3.5 安全性能
双层幕墙下雨时可通风,雨不会进入室内,可保持物品安全,通风时风速柔和,东西不会被风卷走。双层幕墙物品不易坠落,而且两道玻璃幕墙防护有利于防盗。双层幕墙从经济方面来看,单位面积成本较高,首期投资较大,比传统幕墙高出近一倍,这是广大建筑师和业主较为关心的问题,但从长远利益来看,其节能所产生的效益将更加明显。从技术方面来看,主要是空气通道内的防火问题,各种防火的方法及其效果需要通过实践加以检验。双层幕墙作为一项新兴技术产品,其良好的环保、节能性能,以及新颖的构造给建筑外装饰带来更多变化。
4双层幕墙的工作原理
4.1 内循环体系的工作原理
封闭式内循环通风幕墙的通风系统是由进风系统、空气通道系统、排风口和管道风机系统组成。封闭式内循环通风幕墙采用强制措施,电控管道系统,在夏季时将双层封闭热通道大部分热空气排出室外。冬季将温室效应蓄热通过管道回路系统加热后传到室内,当机械设备工作时,双层幕墙通道内形成负风压,室内的空气便先导入双层幕墙通道,空气在双层幕墙空腔内形成自下而上的空气有序流动,最后通过机械设备排出排风管道,达到节能效果。在通道内设置可调控的百叶窗或垂帘,可有效地调节日照遮阳,为室内创造更加舒适的环境。
4.2 外循环体系的工作原理
开敞式外循环通风幕墙的内外两层幕墙之间形成的通风换气层的两端装有进风和排风装置,利用室外新风进入,经热通道带走热量从上部排风口排出,可减少太阳辐射热的影响,节约能源。它无须专用机械设备,完全靠自然通风,维护和运行费用低。进风和排风装置上的风口可以开启和关闭(有手动和自动)。另外,还可以通过对进排风口的控制以及对内层幕墙通风窗的设计,达到由通风层向室内输送新鲜空气的目的,从而优化建筑内部的空气质量。
5双层幕墙节能技术
5.1 双层幕墙的热适应性
双层皮玻璃幕墙在四个朝向均有较好的热工性能(双层间遮阳的双层幕墙相对于采取内遮阳的单层幕墙),尤其是西向。但前提条件是保证双层皮玻璃幕墙的空腔间层有较好的通风状况。经测试,南向实验室内温差有6 ℃～7 ℃,北向实验室内温差也有4 ℃～5 ℃,而西向实验竟达17 ℃之多。双层皮空腔间层若是处于空气流动的可控制状态,室内外热量在此空间内流动、交换,实现室外气候和室内小环境的过滤器和缓冲层作用。不难理解,在高温的夏季,持续烘烤的西向比其他方向更能体现这种过滤缓冲效应带来的差异。因而,具有合适遮阳位置和通风模式的双层玻璃幕墙比传统的单层玻璃幕墙具有更佳的热工性能。
5.2 双层幕墙的遮阳性能
遮阳状况的有无和好坏是影响双层幕墙室内热环境的关键因素。而其中遮阳的位置是双层幕墙的设计重点之一,不同的位置将对其功效产生不同影响。以双层幕墙之间安装电动或手动操作的遮阳装置,遮阳百叶可调节角度,使阳光进入室内得到合理控制,遮阳装置的安装位置非常重要;一般距外层玻璃150 mm～180 mm为最佳,也应考虑内层幕墙开启窗或门的形式而定,避免影响窗或门的正常开启和闭合。
因而,对于双层幕墙而言,除了保证设计正确以外,正确使用也是十分重要的。采用双层间遮阳并配合恰当的通风方式是双层幕墙在夏季不可或缺的条件。
5.3 双层幕墙的通风性能
通风状况的好坏是影响双层幕墙空腔间层和室内热环境的基本因素。双层幕墙换气层是关键,其进出风口的设置、换气层的宽度大小、材料的选用等直接影响到其通风性能的发挥。在进行外循环体系通风系统设计时,要考虑楼体楼层不同高度,考虑到抗震要求和风压影响,进、出风口的沙尘过滤网的“目数”应通过计算选用不同目数的过滤网,而解决由于楼层高度变化产生不同“烟筒”效应,出风口可采用“鱼嘴”式结构,注意不要将滤网目数过大,防止空气滞阻。
在夏天强烈的阳光辐射下,双层幕墙空腔换气层往往温度较高。若是进出风口的自然通风无法实现,反而急剧增加了制冷的负荷,这对于夏季炎热地区是致命的缺点。所以,在夏季保证双层幕墙空腔间层良好的通风条件,是发挥双层幕墙优越性的关键所在。
5.4 双层幕墙的节能效果
双层幕墙在夏季具有良好的节能效应。在有通风条件下,双层间有遮阳的双层皮和内遮阳的单层皮的能耗比较实验当中,双层皮室内温度在空调设定的工作温度27 ℃上下波动,空调正常间歇时间为30 min～45 min。然而,单层皮室内温度从上午9:30～下午17:00一直在空调工作温度以上,并于中午13:30出现峰值32 ℃,空调持续工作。单层皮其他时段内空调的间歇时间也比双层皮要短一些。24 h能耗比较,无论空腔间层有无通风,双层幕墙比单层幕墙都要节能14%。即便单层幕墙采取外遮阳的情况下,双层幕墙也要节能6.1%。
6结语
玻璃幕墙是建筑工业化的产物,它赋予建筑以轻盈的体型、晶莹剔透的外观和良好的抗震性能,但也带来很多问题,其中之一就是由于传热系数过大和气密性不良而造成的建筑物能源消耗加大。而有效的节约能源是一个现代绿色建筑所必需的。双层玻璃幕墙就是建筑逐步走向绿色节能的一个体现。双层幕墙使幕墙在与建筑深度融合的过程中,不再只是简单的外墙,大大提高了建筑幕墙的节能效果。虽然,在中国广泛应用这一新技术的我们任重而道远,但我们坚信,作为建筑幕墙的“绿色”产品离我们不远了。
参考文献
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[4]李保峰.夏热冬冷地区适应气候变化的建筑表皮实验研究[D].北京:清华大学博士论文,2004.
双层幕墙节能技术 篇2
西门子上海中心是由西门子(中国)公司投资拟建的高档甲级办公楼,位于上海杨浦区,基地南临长阳路,西临大连路,北临昆明路,东临荆州路。西门子上海中心整个项目由6栋高度不一的单体建筑组成,单体建筑高度从9.5m到57.5 m不等,主要建筑为7层到14层的办公楼,还有一栋两层楼的餐饮楼。
2 工程特点及难点
双层外循环厢体式玻璃幕墙系统在本工程中广泛应用,是本工程的重点和难点,此系统每个单元板块规格为2800mm×4000mm,为超大单元构件,最大的单个单元构件的重量达到2.7t,该双层系统主要由以下几部分组成。
2.1 内层幕墙
内层幕墙采用玻璃单元板块、铝板单元板块。外观形式为内平开结构,内外面内塞胶条,既起到密封作用,还实现了弹性接触。
2.2 外层幕墙
外层幕墙系统由单片明框玻璃幕墙系统和通风百叶组成;玻璃面板的单块面积为2800mm×3700mm,中部区域厚度为12mm,边部区域厚度为15mm。
2.3 遮阳百叶窗帘
在内外层幕墙之间形成热通道,在热通道顶部安装电动遮阳百叶以有效调节日照遮阳。在夏季打开遮阳百叶,减少幕墙因太阳暴晒的辐射得热。
3 分析物理模型
3.1 双层幕墙的结构
本工程所使用的双层幕墙,其中内层为双层中空的Low-E夹胶玻璃,Low-E膜贴在双层玻璃的内侧(即从房间内侧向外的第三面上),外层为单层钢化玻璃。
3.2 双层幕墙的气流组织
通过在外表皮上的永久性开口,遮阳板区域可以自然通风。每个单元构件(2.80m×4.0m)的上部和底部各需大约1.40m×0.25m的开口部分。进气口和出气口偏移1.40m (构件的一半宽度),以保证较低构件的暖出气口不会成为上部构件的进气口。
4 双层幕墙的CFD分析
4.1 数学物理模型
双层换气幕墙热通道内的空气流动为粘性流体的湍流流动,其流动可用N-S描述。对于湍流流动,采用湍流经验理论的湍流模型对N-S方程进行简化,即可得到一组封闭的偏微分方程组,结合相应的边界条件,粘性流体流动的通用控制微分方程就建立起来了。基于该方程,即可求解热通道中空气的流场速度、温度等物理量的分布。
式中:ρ,φ,Гgradφ,S—分别表示密度、速度矢量、扩散通量和源项。
4.2 计算条件
应用通用CFD软件STAR-CD对双层幕墙热通道进行模拟分析,计算条件基于夏季代表日7月15日的数据。
环境条件:室外温度32.9℃,室内温度26℃,太阳辐射强度为296.5W/m2,太阳高度角为78.5°,太阳方位角为19°。
温度边界条件:外表面温度38.9℃,内表面温度32℃。
速度边界条件:入口速度为0.629 m/s。
湍流模型:k-ε模型。
其他条件:考虑重力加速度9.8 W/s2,国际标准空气参数。
4.3 CFD计算结果
4.3.1 速度分布
本文显示了夏季工况的双层幕墙内纵向和横向不同高度的气流速度的分布图,图1为纵向中间位置的气流速度分布图;图2为横向中间位置的气流速度分布图。
4.3.2 温度分布
纵向中间位置的气流温度分布如图3所示,横向中间位置的气流温度分布如图4所示,气流主流方向的气体温度接近室外空气约为32.9℃,回流区温度较高,最高可达41.4℃。
4.3.3 热流量分布
图5为外表面热流量分布图,图6为内表面热流量分布图所示,主流区比较大,回流区比较小,进出口的换热量最大,最高可达21.62W/m2。
5 结论
本双层幕墙相对于单层幕墙具有很好节能效果,而且中间加入遮阳百叶在夏季遮阳效果会更好,结合好的遮阳和通风控制节能效果将更佳;双层幕墙的通风量将对双层幕墙的
换热效果影响很大,本次设计双层幕墙会形成比较合适的通风量,在双层幕墙的箱体厚度和通风效果的权衡上取得了较好效果;由于太阳辐射和通风换热的双层影响,上半部分出现热量向外传递的现象,即上半部冷空气带走热量占主导作用的结果;下半部分正好相反热量向内传递,即太阳辐射得热量占主导作用的结果。
综上所述,本工程设计的双层幕墙能够形成良好的通风量既而降低了室内冷负荷,又形成比较低的内表面温度等优点,达到节能和提高室内热环境的目标,达到节能设计的要求。
参考文献
[1]张桂先,陈立东,丁鸥.CFD流体模型在双层换气幕墙传热分析中的应用[J].工程建设与设计,2003(9):4-7.
双层幕墙节能技术 篇3
目前国内大部分学者在研究DSF夏季特性时, 提到在冬季DSF采用封闭模式。刘猛等用CFD和数值模型结合,分析了冬季夏热冬冷地区DSF封闭模式传热性能和影响因素[1]。陈海等开发有限分析计算软件,对比分析了DSF封闭模式的增热率, 以及相对于中空玻璃的节能率[2]。与内通风模式相关的研究,刘猛等提出了用北向DSF通风腔排出室内空气,并与热回收排风进行了节能比较[3]。
对DSF进行模拟的方法很多,比较典型的求解模型有D. Faggembauu提出的控制体积法[4]和Jiru以及Haghighat提出的区域模型法[5],但这两种方法的理论性都比较强,不适用于一般工程人员对幕墙热工性能进行计算与评估。
本文首先建立计算DSF传热数值模型,参照Energy Plus软件中使用的能量平衡法[6]列出DSF系统各介质层的能量平衡方程解出各层温度,介绍通过幕墙引起的热负荷的计算方法。最后对空腔间距、室内设计温度、玻璃物性、朝向这几个影响幕墙冬季累计负荷的因素进行分析。
1DSF数值模型
DSF系统通风模式数值传热模型包括两个部分: 气流模型和传热模型,模拟时两个模型相互关联,通风模式传热网路见图1,玻璃厚度较薄,可以假设玻璃层温度分布均匀,空腔内气体为一维流动[6]。图1中T表示温度; K表示传热系数; K2是外层玻璃的综合传热系数,外层玻璃可以是中空玻璃; 下标中,w和n表示室内与室外; in和out表示空腔进口和出口; k表示空腔空气; L表示固体层; c和r表示对流换热和辐射换热; Liu对DSF各层的对流与辐射换热系数的计算做了详细介绍[7],这里不再叙述。Ka是室内与空腔空气之间的热流换热系数, 计算方法如下:
式( 1) 中,m是空气的质量流量; c是空气的比热容容;; DDSSFF封封闭闭模模式式没没有有这这一一换换热热系系数数。。内内通通风风模模式式空腔空气形成稳定的气流,必然满足热压 ΔP与气流阻力 ΔH相等,即:
式( 2) 中,ρout和 ρin是进出口空气密度; h各空腔的高度; ΔHin和 ΔHout是进出口损失; ΔHf是沿程损失。阻力损失计算见文献[8]。由上述分析分别建立DSF系统各介质层能量平衡公式如下:
外层玻璃外侧:
外层玻璃内侧:
内层玻璃:
空气层:
式中,β 是模式系数,通风模式为1,封闭模式为0; I是太阳辐射强度,分为直射辐射和散射辐射; α 是各层太阳辐射吸收率,在直射入射下光学参数按照幕墙方位和所在地区太阳位置的变化进行24 h逐时计算; 在散射入射下则等效为太阳直射入射角为60°时的直射计算[9]。
2通过幕墙负荷计算
负荷与得热量有关,通过透明维护结构的得热量包括传热部分和透过的太阳辐射部分,对于通风模式的幕墙还包括空腔加热室内空气的热量。透过DSF的得热量计算公式如式( 7) 。
式( 7) 中,τ 是太阳辐射进入室内部分; Kz是DSF的综合换热系数,传热系数的倒数是传热热阻,由热阻的并串联可以得到DSF的总热阻,由图1的传热网络图,Kz的计算如式( 8) 。
得热量随着室外温度、太阳辐射大小以及方向的变化而变化,冬季传热部分的得热量立即成为室内热负荷,进入室内的太阳辐射不会立即成为室内负荷,而会被地板或墙体吸收,随时间推移逐渐向室内放出热量成为室内负荷,所以要计算通过幕墙的负荷关键在于将透过的太阳辐射转换为室内的负荷。辐射系数法是ASHRAE提出的一种将太阳辐射转换成室内负荷的方法[10]。
辐射系数法与反应系数法计算冷负荷用的反应系数类似,也是根据当前和过去获得的得热量来计算负荷,不同在于在辐射系数法中,获得热量指的是辐射热量。辐射系数法的核心思想是将某一时刻的辐射得热负荷看作从这一时刻前23 h到这一刻各个时刻辐射得热的综合响应。这是一种简化的算法,但足够用来分析冬季通过幕墙的室内负荷变化情况,具体计算公式如下:
式( 8) 中,qθ-nδ表示 θ-nδ 时刻的得热量,W/m2; r0, r1,r2,…,r23表示时间序列系数,r0表示现在时刻辐射得热转化为负荷的比例,其余的类似。各种材料的时间序列可以通过查找ASHRAE手册得出。
3算例及分析
至此通过以上公式便可模拟出冬季通过幕墙的逐时负荷,为了比较玻璃特性、空腔宽度、朝向等参数对DSF负荷的影响,下面将整个冬季的累计热负荷大小作为判断各因素影响的依据。
由于我国大部分区域在北回归线以北,建筑南墙在冬季接收的太阳辐射最长,所以选取长沙正南向垂直安装的某DSF系统作为算例进行计算。
3.1主要模拟输入参数
DSF的外层是双层中空玻璃,内层是单层玻璃, 空气腔间距为0. 4 m,高度为2. 5 m,宽度为2 m; 空腔自然通风,所有玻璃均为厚度6 mm的普通玻璃。 模拟时,选取联合国环发署发布的SWERA气象数据作为冬季逐时太阳辐射和室外温度,该数据包括各种天气的数据,能比较真实的呈现各地区不同季节的太阳辐射与温度情况。设定室内温度恒定为291 K( 18 ℃ ) 。
3.2模拟结果及分析
3.2.1DSF逐时负荷结果
整个冬季通过幕墙的负荷作于图2( 正为热负荷,负为冷负荷) 。有幕墙房间的负荷有正有负,利用通风将房间多余的得热送到建筑内区,以节省总空调能耗。图2中可以看出大多数时间封闭模式比通风模式热负荷小,在某些太阳辐射较大的日子,通风模式比封闭模式的冷负荷高,吸收的的太阳辐射得热更多。基于此我们假设一种最优幕墙运行策略,即在通风模式相对封闭模式有利时采用通风模式,其他时间采用封闭模式。
3.2.2玻璃消光系数对通过幕墙累计负荷的影响
玻璃的消光系数一定程度代表了玻璃吸收率的大小。在玻璃厚度一定的情况下,消光系数越大,玻璃吸收率也就越大。为了玻璃消光系数与通过幕墙的负荷的关系,在模拟时保持其他参数不变,而将DSF各层玻璃 消光系数 依次取0. 015、0. 025和0. 045,计算出相应消光系数下累计负荷的变化如表1所示。
由表1可以看出,随着消光系数增大,通过幕墙的累计热负荷越大,可见增大玻璃吸收率不利于冬季对太阳辐射的利用,夏天则需要避免过多太阳辐射进入室内,这与冬季玻璃吸收率的选取是一个茅盾。但封闭模式相对于通风模式的节能率越来越低,可见消光系数越大通风模式会减弱玻璃吸收率增大对室内负荷的影响,最优模式在消光系数增大的情况下相对封闭模式的节能率也越来越大。考虑到夏天的情况可适当增大DSF玻璃的消光系数。
3.2.3幕墙朝向对累计负荷的影响
为了研究幕墙朝向对累计负荷的影响,在计算时保持其他参数不变而改变DSF为正冬、正南、正西和正北四个朝向,计算结果如表2。
由表2可见,南向幕墙是通风模式利用太阳辐射最好的方向,其次是西向,接着是东向,北向最不利,所以一般建筑不能在北向大面积布置幕墙。最佳使用通风DSF的朝向是南向,此时最优模式相对于封闭模式的DSF可节能11. 82% 。
3.2.4幕墙空腔间距对累计负荷的影响
幕墙的空腔宽对DSF累计负荷的影响见表3, 由表可见,空腔越宽越通风模式的累计热负荷越大而封闭模式的累计负荷越小。增加空腔的宽度会不利于DSF通风模式利用太阳辐射加热室内空气,而且空腔太宽会占用建筑面积,所以不建议采用过宽的DSF,封闭模式的空腔宽度可适当增加。
3.2.5室内温度对累计负荷的影响
冬天室内舒适性空调温度为18 ~ 24 ℃,每隔2 ℃ 取值来研究室内温度对DSF累计负荷的影响。
由表4可见,室内温度越低越有利于减小DSF累计负荷,同时通风相对封闭和最优相对封闭的节能率也越高。因为室内温度设计越高通风模式将空腔温度加热到高于室内空气也就越困难。在采用DSF内通风模式时合理设计室内温度以节约能源。
由以上分析可知,冬季DSF全时段采用内通风模式比封闭模式多耗能40% ~ 60% ,不利于节能, 而最优运行模式相对封闭模式可节能10% 左右。 具有一定的节能潜力。
4结论
本文建立了冬季DSF的两种运行模式负荷的计算方法,并提出了最优的运行模式,相比封闭模式可节能10% 左右,此模型能够方便地用于DSF热工性能评估以及结构参数优化设计。
以长沙地区某南向DSF为算例模拟了其在冬季的累计负荷,结果表明:
( 1) 冬季DSF可适当选择 消光系数 较大的玻璃;
( 2) 冬季DSF南面幕墙对利用太阳辐射最有利,节能效果最好;
( 3) 冬季DSF空腔间距通风模式不宜太大,而封闭模式可以适当增大间距;
双层呼吸式幕墙技术浅析 篇4
呼吸式幕墙的结构原理就是有内外两层幕墙所构成, 内外墙之间具有一个相对封闭的空气流动空间, 即空气在内墙下部的进风口进入内外墙的空间, 然后在内墙上部的出风口将空气流出, 通过进风口与出风口之间的空间流动, 可以实现内外墙之间的热量交换, 实现节能的效果, 因此我们将其形容的称之为“会呼吸的幕墙”。呼吸式幕墙是当代建筑节能的典型代表, 其可以实现对室内温度的自动控制, 有效的解决了环境污染问题, 因此呼吸式幕墙是高科技的新一代幕墙。
2 双层呼吸式幕墙的分类与工作原理
根据呼吸式幕墙的结构以及工作原理, 呼吸式幕墙主要分为封闭式内循环呼吸式幕墙和外循环幕墙:
1) 封闭式内循环呼吸幕墙工作原理。封闭式内循环呼吸幕墙主要是依靠幕墙内部的通道与顶部的暖通系统的抽风管道进行相连, 依靠暖通设备的动力系统, 形成强制性的空气循环系统。封闭式内循环呼吸幕墙的工作原理就是室内的空气通过室内幕墙下部的通风口进入系统的热管道内容, 实现室内温度与通道管道温度的相同, 进而实现室内温度的自动调温, 有效的解决了单一依靠制冷系统的能源消耗, 比如在夏季当室内的温度较高, 而室外温度比较凉爽时, 可以通过封闭式的循环呼吸系统实现温度的恒温, 避免了因为温度的外循环而造成的资源浪费。另外管道内的通道可以通过调控的百叶箱等措施进行, 但是此种模式依赖于暖通系统, 使得节能效果有所降低。2) 敞开式外循环呼吸幕墙工作原理。敞开式外循环呼吸幕墙主要是依靠开启与关闭进出风口实现, 具体的操作具有很强的季节性:一是在冬季的时候, 需要关闭进出风口的开关, 这样可以将幕墙中间的空气流动局限在幕墙的周围, 这样经过较长时间的阳关照射, 使得室内的温度也到提升, 有效的降低了建筑物的能源消耗;二是在夏季, 由于室内外的温度都比较高, 尤其室内温差比较大, 因此通过开启内外幕墙的开关可以产生热烟囱效应, 进而促进室内与室外之间的空气流动, 具体的工作原理就是通过通道上下两端的进出风口实现在通道内形成负压, 以此形成气候温度差, 实现换风通气的效果。通过大量实践表明:通过才起双层呼吸式幕墙可以有效的节省43%左右的能源。因此未来的建筑主要是应用双层呼吸幕墙的做法, 因此该建筑形式主要是采取太阳能源的方式获得能源, 实现了能源恒温的自动控制。
3 呼吸式幕墙的优点
纵观国内外呼吸式幕墙的应用现状, 结合笔者的工作实践经历, 呼吸式幕墙具有以下特点:一是呼吸式幕墙的应用有效的解决了建筑节能的问题, 呼吸式幕墙所选择的材料以及结构可以有效降低资源能源的消耗。据相关数据统计, 呼吸式幕墙所选择的双层材料相比单层的幕墙要节能50%, 大大提高了建筑节能的效果;其次呼吸式幕墙具有很强的环保性。呼吸式幕墙所选择的玻璃主要选择的是无透明的玻璃, 这种玻璃能够克服单层玻璃中的光污染, 另外呼吸式幕墙也可以避免反辐射的作用, 有效的提高了光热的吸收;最后实用呼吸式幕墙可以大大提高使用的舒适性。我们知道呼吸式幕墙的隔音性要大大高于单层的幕墙, 进而给人们一个舒适的环境, 尤其是选择使用呼吸式幕墙可以避免直接开窗而导致的强风直吹, 通过呼吸式幕墙可以实现空气之间的转换, 进而降低因为各种设备给室内温度等方面带来的弊病。
4 重点与难点问题
由于我国建筑市场应用现代技术的兴趣还不高, 尤其是呼吸式幕墙在我国还处在起步阶段, 因此其在具体的实践中还存在很多问题:一是如何确定保温与隔音之间的矛盾是当前设计需要急需解决的问题, 因此需要从设计上找出相关的理论依据;二是出风口的设计也是当前需要解决的问题。出风口的设计是整个双层呼吸式幕墙设计的关键, 也是效果发挥的最大功能, 如果出风口的设计不合理就会造成换气层循环气流发生短路, 影响节能的效果。而且如果出风口的设计出现不合理的问题, 也会造成出风口的灰尘过多, 而造成出风口的外观受到影响;三是成本问题, 推广呼吸式幕墙需要较高的资金, 因此呼吸式幕墙的造价比较高, 因此选择呼吸式幕墙会给当前的工程造成巨大的资金投入;四是由于换气层的烟囱效应会造成消防上的隐患, 所以在通风换气层的设计时应与大厦防火分区设计相结合。
5 呼吸式幕墙的发展———智能幕墙
智能幕墙是呼吸式幕墙的延伸, 是将呼吸式幕墙与电子计算机系统结合在一起发展起来的, 是智能化建筑的基础上将建筑配套技术 (暖、热、光、电) 的适度控制, 在幕墙材料, 太阳能的有效利用方面进行力改进, 通过计算机网络进行有效的调节室内空气, 温度和光线, 从而节省了建筑物使用过程的能源, 降低了生产和建筑物使用过程的费用。它包括以下几个部分:呼吸式幕墙、通风系统、遮阳系统、空调系统、环境监测系统、智能化控制系统等。智能幕墙的关键在智能控制系统, 这种智能化控制系统是一套较为复杂的系统工程, 是从功能要求到控制模式、从信息采集到执行指令传动机构的全过程控制系统。它涉及气候、温度、湿度、空气新鲜度、照度的测量, 采暖、通风空调遮阳等机构运行状态信息采集及控制, 电力系统的配置及控制, 楼宇计算机控制等多方面因素。
6 工程实例
我国应用呼吸幕墙建筑出现较晚, 最早应用是2000年6月投入使用的国家会计学院教学楼工程, 位于北京顺义区天竺镇, 采用敞开式外循环幕墙系统。而最早大面积应用的是北京旺座中心。国内其它的一些工程见下表。
7 结语
双层幕墙原理及其特点浅析 篇5
随着科技的进步、经济的发展, 建筑领域的变革日新月异。目前, 中国已经或正在制定较为完整的建筑节能设计规范和验收标准, 节能建筑将是中国新时代建筑发展趋势。
二、双层幕墙的定义、原理
1、双层幕墙的定义:
双层幕墙是由外层幕墙、热通道和内层幕墙 (或门、窗) 构成, 且在热通道内可以形成空气有序流动的建筑幕墙。
2、双层幕墙的原理:
利用气压差、热压差和烟囱效应的原理控制通道内空气的流动和交换、控制通道内附属装置等来实现冬季保温和夏季散热。
三、双层幕墙的分类及主要特征
双层通风幕墙的基本特征是双层幕墙和空气流动、交换, 所以这种幕墙被称为双层通风幕墙。双层通风幕墙对提高幕墙的保温、隔热、隔声功能起到很大的作用。
它分为封闭式内通风幕墙和开敞式外通风幕墙。第一种幕墙适用于取暖地区, 对设备有较高的要求。外幕墙密闭, 通常采用中空玻璃, 外幕墙的铝型材应采用断热铝型材;内幕墙则采用单层玻璃幕墙或单层铝门窗。为了提高节能效果, 通道内设电动百页或电动卷帘。第二种幕墙与内通风幕墙相反, 开敞式外通风幕墙的内幕墙是封闭的, 采用中空玻璃;外幕墙采用单层玻璃, 设有进风口和排风口, 利用室外新风进入, 经过热通道带走热量, 从上部排风口排出, 减少太阳幅射热的影响, 节约能源。它无须专用机械设备, 完全靠自然通风, 维护和运行费用低, 是目前应用最广泛的形式。
采用双层通风幕墙的最直接效果是节能, 它比单层幕墙采暖节能40%-50%, 制冷节能40%-60%。
1、分类:
双层幕墙主要分为内循环和外循环体系, 都是在双层玻璃之间形成温室效应, 夏季将其温室的过热空气排出室外, 冬季把太阳热能有控制导入室内, 使冬夏二季节约大量能源。
2、内循环双层幕墙结构主要特征
1) 其结构可采用框架或单元断热形式。2) 一般外层玻璃选用中空钢化, 内层玻璃选择单片钢化。3) 采用强制措施, 电控管道系统, 夏季的白天将双层封闭热通道大部分热空气排除室外。冬季将温室效应蓄热通过管道回路系统加热将将热能传到室内, 达到节能效果。4) 需要增设自然空气进入室内的窗扇通道。5) 便于清洗双层玻璃之间的灰尘。6) 用材少, 成本较低。7) 需用电子驱动抽风, 比外循环结构节能率低一些。
3、外循环双层幕墙结构主要特征
1) 其结构设计可采用外层框架、单元或点式驳接形式, 内层框架断热或单元中空玻璃断热形式。2) 一般外层玻璃选用单片或夹层钢化, 内层玻璃选择中空钢化。3) 采用自然的“烟筒”效应, 夏季的白天将温室的热空气排除室外, 注意不同楼层的“烟筒”效应不同。4) 其内外层之间的空腔厚度设计较厚, 利于人员进入内外层之间的空腔清洗工作。5) 不需要增设专用设备自然空气进入窗内和屋内, 外层幕墙设计有进出风口, 内层幕墙设计有开启门或窗, 需要注意的是进出凤口应防止沙尘土的进入, 通道下部设置外空气进入腔体的进风口和上部热空交换后的排风口。6) 双层玻璃之间的灰尘应考虑方便清洗。7) 用材较多, 成本较高。
四、外循环双层通道设计中的几个问题
1、通道参数设计
双层幕墙进出风口面积比应控制在一定比例之间, 温度与温差变化、外界风矢、进出风口压力受外界自然环境的影响, “通道”高度与“通道”宽度应进行计算, 并通过试验后取得合理的数据, 以便应用到设计, “通道”宽度也要考虑一个成人能够进入。
2、防尘与清洗设计
结构的防尘是相对防尘, 外循环式结构在欧洲的地区应用较为广泛, 由于我国北方大部分地区春秋季节风沙天气较多, 尤其可吸入颗粒物和昆虫非常严重, 外循环体系结构不能完全满足我国北方地区要求。因此用外循环体系结构设计时应充分考虑防尘与清洗形式适合我国实际情况, 进出风口用电动调节百叶装置, 并在通风装置中设置表面涂“纳米”涂料, 减少积尘。双层幕墙之间的过渡网设计应便于室内人的更换, 清洗。
3、节能结构设计
外循环体系的内层玻璃幕墙玻璃, 应采用中空玻璃, 外层幕墙尽可能的采用夹胶钢化, 内层幕墙采用断热桥铝合金结构, 外层可采用点式驳接结构或铝合金结构, 若内外层幕墙选用透明玻璃, 就必须考虑冬季与夏季, 白天与夜间的气候、温度不同对结构设计产生的影响。外层玻璃先用夹胶透明钢化, 玻璃即使破损也不会坠落, 避免对楼底行人造成伤害, 选取择透明玻璃可使阳光充分进入双层幕墙之间“通道”, 形成温室效应。夏季考虑方式:由于白天阳光照射, 使双层幕墙之间通道空气温度升高, 内层幕墙若采用中空低辐射, 玻璃太阳能可反向到双层幕墙“通道”之间, 通过“烟筒”效应使气流上升并通过上端出风口排到室外, 从而减少室内与室外的温度交换, 使幕墙达到节能要求, 降低夏季制冷空调的负荷。
4、遮阳设计
以双层幕墙之间安装电动或手动操作的遮阳装置, 遮阳百页可调节角度, 使阳光进入室内得到合理控制, 遮阳装置的安装位置非常重要;一般距外层玻璃150-180mm为最佳。
五、内循环双层热通道玻璃幕墙结构
1、结构设计内循环式通道设计一
般为封闭式, 它两层玻璃布局正相反, 外层玻璃为中空双钢化玻璃, 外框为隔热型材, 内层为钢化单层玻璃。双层玻璃之间距离一般100-200mm中间加遮阳装置。
它的换气方式是, 在冬天, 通道内加热的空气通过热管水道被抽到室内, 或开屋内开启扇导入热风, 达到节能目的。在夏天过热的空气由排风道排到屋外。此时关闭通往屋内的风管。内循环系统可设计成高尺寸为层高的箱体单元体。
2、通风系统设计:
这种内循环箱体单元体结构设计时, 必须考虑到天花板内侧, 或地板下部空间, 分别设计进屋内热风管道系统和向外排热风管道系统。
六、结束语
双层玻璃幕墙设计研究 篇6
玻璃幕墙是当代的一种新型建筑外墙形式。玻璃幕墙在十九世纪四十年代末初见端倪, 于1851年在英国伦敦工业博览会大厦首次露面, 至今已有一个半世纪的历史, 而玻璃幕墙在我国出现不过十几年时间。
目前, 我国已成为世界上最大的玻璃幕墙生产和使用国, 据不完全统计, 2007年我国生产玻璃幕墙为22200万m2, 占当年我国建筑幕墙总产量的31.4%, 占当年世界玻璃幕墙生产量的86.27%累计使用玻璃幕墙为11000万m2, 占我国建筑幕墙总使用量的34.9%, 占世界玻璃幕墙累计使用量的61.11%。但是我国的玻璃幕墙能耗很大, 普通单层玻璃幕墙能耗约占整个建筑能耗的40%左右。现阶段我国提高玻璃幕墙节能保温性能的主要措施尚停留在消极设防的设计思想阶段, 技术相对世界水平已经落后。
响应我国“节能减排”政策, 并基于目前新兴的玻璃幕墙节能技术, 本文利用“温室效应”和“烟囱效应”的原理对传统玻璃幕墙进行改进, 应用智能控制的百叶窗, 设计成多介质双层玻璃幕墙, 以节约冬天供暖和夏天散热所需的能耗, 谋求资源的最大利用率, 减少光污染和声污染对人们工作生活的影响, 为中国公共建筑建设提供经济环保的发展方向。
1 双层玻璃幕墙结构设计
1.1 总体结构介绍
从总体来看, 多介质双层玻璃幕墙分为三大部分, 即夹层介质循环型玻璃内墙、单层玻璃钢外墙以及由内外幕墙形成的通风夹层。其中外层幕墙使用单层钢化玻璃, 采用开放式设计, 主要作用是保温、隔热、降低噪声, 同时可以承受部分压力。
玻璃幕墙整体结构和三维效果如图1所示, 内幕墙相对封闭, 采用夹层介质循环型玻璃幕墙;外幕墙采用单层钢化玻璃;内外幕墙之间形成一个相对封闭的空间———通风夹层;通风夹层中悬挂有可收放的遮阳百叶窗。
如图1 (a) 所示, 通风夹层结构上设有进风口和排风口, 通过烟囱效应引导室外空气进入通风夹层, 将夹层中的热量以及室内废气从上部排风口排出。通过设置通风夹层, 夹层内的空气始终处于流动状态, 热量在其间流动, 形成热量缓冲层, 从而可以使室内获得自然通风, 优化建筑通风质量, 调节室内温度, 有效减少太阳辐射热对建筑本身的影响, 节省空调能耗。同时通过根据太阳辐射角度对通风夹层中的百叶窗进行调节也可有效改善太阳辐射的影响。
1.2 通风夹层
内外两层幕墙之间的通风夹层的距离一般为50~60cm。由于本次设计加入了遮阳百叶窗, 故将通风层设计为70cm, 从而形成一个两侧各有30cm左右的双通风夹层, 通风夹层采用厢式设计, 即以每一楼层为一个设计单元, 每一单元的顶部和底部都分别设有排气口和进气口, 室外新鲜空气从底部进气口进入, 气流从上方排气口排出, 获得自然通风。其优点是能够保证每一通风单元内气流速度柔和、稳定, 同时每一楼层单元的通风以及维护互不影响, 易于在幕墙层间水平行走, 以便清洁。
通风夹层及其工作原理如图1 (a) 所示, 夏季时, 打开换气层的进、排风口, 在阳光的照射下利用烟囱效应带走通风夹层内的热量, 降低内层玻璃表面的温度, 节省空调能耗。同时, 在夏季阳光暴晒的情况下, 通过调节百叶窗可减少太阳辐射, 避免室内过亮。
冬季时, 关闭通风层两端的进、排风口, 换气层中的空气在阳光的照射下温度升高, 形成一个温室, 有效地提高了内层玻璃的温度, 减少室内对外散热, 从而减少建筑物的采暖费用。
1.3 夹层介质循环型节能内墙
1.3.1 单块夹层介质循环型节能内墙结构
夹层介质循环型节能内墙结构如图2所示, 内墙采用双层玻璃结构, 并将流水和空气作为夹层介质, 通过采用合适的密封剂进行有效的密封。
在夏天, 夹层中循环水介质, 由于水的比热高、传热系数较大, 能够有效降低室内温度, 同时, 水较之玻璃能够有效吸收太阳光, 将反射率降到最低, 大大降低光污染, 夹层中的“水幕墙”增加了幕墙厚度, 隔音效果也得到增强。
冬天时, 为避免结冰, 夹层中改为通入空气或CO2, 形成小范围的温室效应, 可有效保持室内的温度。
1.3.2 整体楼层夹层介质循环型节能内墙结构
整体楼层夹层介质循环型节能内墙和整体楼层夹层介质循环型节能排水进水系统如图3所示。夏天, 进水系统将水送入管路中。首先将水阀3, 3’打开, 使流水充满三楼的玻璃的夹层空间;然后将水阀2, 2’打开, 使流水充满二楼的玻璃的夹层空间;最后将水阀1, 1’打开, 使流水充满一楼的玻璃的夹层空间。此时水介质就在整个楼宇的内墙的夹层中循环起来, 最后介质水通过排水系统排出。
1.4 百叶窗智能控制系统
外层玻璃和中间层玻璃之间设计的百叶窗, 其可以最大限度减少阳光直接照射, 从而避免室内过热, 阻挡阳光直射, 防止炫光。同时为了达到智能化和人性化标准, 尽可能的减少人力资源和人为操作, 将百叶窗的控制改为电脑的自动调节, 在外层幕墙中间放置光敏电阻, 选取stm32单片机作为控制系统, 由光敏电阻不断地向单片机反馈光强信息, 单片机根据建筑所在位置已经设定好的所需光强, 实现自动调节舵机旋转, 从而控制百叶窗的角度。同时为了满足个人对不同时刻的光强要求不同, 在程序中添加人工调节系统。在此过程中, 由AD转换模块、百叶窗舵机控制模块、百叶窗自动控制角度模块和百叶窗人为控制角度模块共同完成。
2 节能效果分析
假设在通风口关闭时热量的传播过程只有传导, 没有对流。即假定窗户的密封性能很好, 进排气风口关闭后两层玻璃之间的空气是不流动的;在通风孔打开时空气层的热量传播只有热对流, 对流热交换系数为常数, 水介质层只有热传导, 没有对流, 热传导系数为常数;沿传导方向, 单位时间通过单位面积的热量是常数;玻璃材料均匀, 热传导系数是常数;不考虑玻璃外边框的吸热和传热;不考虑太阳热辐射。
2.1 传热系数计算
2.1.1 冬季多介质双层玻璃幕墙平均传热系数
建筑玻璃传热系数的计算是以下列公式为计算基础:
多层玻璃系统传热系数计算公式:
式中, ks—气体空隙的传热系数, W/ (m2·K) ;N—空气层数量;M—材料层数量;dm—每种材料层的厚度, m;Rm—每一层材料的热阻, m·K/W。
计算的冬季多介质双层玻璃幕墙平均传热系数:
经查阅相关资料:
传统呼吸式玻璃幕墙的平均传热系数
2.1.2 夏季多介质双层玻璃幕墙平均传热系数
2.2 模型节能效果对比
多介质双层玻璃幕墙和传统玻璃幕墙在冬夏两季的平均传热系数如表1所示, 对比可见冬季双介质璃幕墙比传统的玻璃幕墙节约10%-70%的取暖能量, 夏季双介质玻璃幕墙比传统的玻璃幕墙节约30%-80%的空调能量。同时, 夏季在密封玻璃夹层中充入水介质代替气体介质可以有效减少外界热量向室内的传导。因此可以有效减少外界传热, 降低房间温度, 减少空调耗能, 达到节能的目的。
2.3 FLUENT流场模拟
为了能够更为准确的得到多介质双层玻璃幕墙的理论依据, 利用FLUENT软件对流场进行模拟, 选用DO辐射模型进行条件假设, 经过约7万步迭代运算处理, 得出结果。
模拟结果如图4示。
从fluent模拟结果可以看出, 热通道温度内部自下而上逐渐上升, 百叶窗内侧温度低于外侧, 气流进风口和排风口速度高于通道内部, 且气流速度方向总体上从下部指向上部, 从而说明空气从进风口进入并从上部排风口流出, 且从排风口流出空气的温度高于内部, 说明气流带走因为太阳辐射而产生的热量;百叶窗内侧温度低于外侧, 说明百叶窗有遮阳降温的效果。模拟结果为双层玻璃幕墙的可行性在原理上给出了证明。
3 总结
我国玻璃幕墙的能源消耗在总的建筑能源消耗中占很大比例, 而本文运用“温室效应”和“烟囱效应”设计的多介质双层玻璃幕墙比传统的幕墙节约了冬天供暖和夏天散热所需的能源, 从根本上解决了传统玻璃幕墙的能源消耗问题, 并且减少了光污染和声污染对人们工作生活的影响, 为中国公共建筑建设提供经济环保的发展方向。
摘要：本文从目前玻璃幕墙存在的问题入手, 利用“温室效应”和“烟囱效应”的原理对传统玻璃幕墙进行改进, 设计成多介质双层玻璃幕墙, 并对多介质双层玻璃幕墙的节能效果进行深入分析, 指出了多介质双层玻璃幕墙系统目前在国内的应用价值, 为中国公共建筑建设提供了经济环保的发展方向。
关键词：多介质,幕墙,节能减排
参考文献
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