双层玻璃（共8篇）
双层玻璃 篇1
0 引言
能源问题已经成为我国经济发展的主要瓶颈之一, 尤其我国的建筑能耗现已是气候条件接近的发达国家的3~4倍[1]。玻璃工程验收必检遮阳系数, 玻璃的遮阳系数是通过采集光谱数据进行计算得出的。现阶段, 国内主要以GB/T 2680-1994《建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳光总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》作为玻璃遮阳系数的主要参考依据。
1 单层玻璃遮阳系数理论公式分析
1.1 玻璃的太阳光直接透射比
式中:Sλ代表“太阳光辐射相对光谱分布”;代表“试样的光谱透射比, %”;Δλ代表“波长间隔, 此处为10nm”;τe代表“为试样的太阳光直接透射比, %”。
1.2 玻璃的太阳光直接反射比和直接吸收比[2]
式中:Sλ、Δλ同上。ρe代表“试样的太阳光直接反射比, %”;τe代表“太阳光直接透射比, %”;αe代表“太阳光直接吸收比, %”;代表“试样的光谱反射比, %”。
1.3 发射率
对于垂直入射的热辐射, 其热辐射吸收率ah定为垂直辐射率。
式中:εi—半球辐射率;ρh—检测得到的标准给定波长下的光谱反射比, %;ah—试样的热辐射吸收率, 即垂直辐射率, %;k—玻璃表面的系数。
玻璃的半球辐射率可以用傅里叶变换红外光谱仪检测, 常见玻璃的半球辐射率可以通过查表得出。
1.4 单层玻璃的太阳光总透射比
式中:εi代表“半球辐射率”;he代表“试样外侧表面的传热系数, 23W/m2·K”;hi代表“试样内侧表面的传热系数”。
单片玻璃或单层窗玻璃构件向室内侧的二次热传递系数qi可以通过半球辐射率计算, 也可以用检测方法测定玻璃导热系数[2]。
1.5 单片玻璃的遮阳系数Sc应按下式计算
式中:Sc代表透明玻璃部分的遮阳系数;g代表“试样的太阳能总透射比, %”;τs代表“3mm厚的普通透明平板玻璃的太阳能总透射比, 国际通用0.87[3]”。
2 双层玻璃遮阳系数理论公式分析
2.1 双层玻璃系统透射比、反射比、吸收比
太阳能透过中空玻璃光传播将室外片玻璃称为第一片玻璃、室内片玻璃称为第二片玻璃。
式中:a1觶2 (λ) 代表“双层玻璃系统中第一片玻璃的太阳光光谱直接吸收比, %”;
代表“第一片玻璃, 在光从室外/内射向室内/外时所测定的光谱吸收比, %”。
代表“双层玻璃系统中第二片玻璃的太阳光光谱直接吸收比 (通常用%表示) ”;
代表“第二片玻璃, 当光从室外射向室内时测得的光谱吸收比 (通常用%表示) ”。
根据以下公式依次计算出双层玻璃系统的透射比、反射比。
式中:τe、τ (λ) 、Sλ、△λ所代表的计算参数同式 (1) 。ρe、ρ (λ) 所代表的参数信息同式 (3) 。Sλ·△λ代表“标准相对光谱分布系数, 由标准查表得到相应波长下该值”。
根据计算双层玻璃系统的吸收比。
2.2 计算玻璃系统吸收太阳光能量后向室内的二次热传递系数qi
①根据公式 (19) 计算出双层窗玻璃系统中第一片玻璃的太阳光直接吸收比:
②第二片玻璃的太阳光直接吸收比按照下面公式计算:
2.3 太阳能总透射比
式中:g代表“太阳能总透射比 (用%表示) ”;τe代表“太阳光直接透射比 (用%表示) ”;qi代表“玻璃系统吸收太阳光能量后向室内的二次热传递系数 (用%表示) ”。
式中:he、hi所代表的参数信息同式 (9) 。
2.4 双层玻璃的遮阳系数Sc应按下式计算
式中:Sc代表“透明玻璃部分的遮阳系数”;τs代表“3mm厚普通透明平板玻璃的太阳能总透射比, 国际通用0.87”;g代表“试样的太阳能总透射比, 用%表示。
3 遮阳系数检测应用价值
国家强制性标准GB 50411-2007《建筑节能工程施工质量验收规范》对建筑工程中使用的玻璃要求遮阳系数检测合格后方可验收, 因为遮阳系数直接关系到建筑物使用的节能性能, 夏天隔热, 冬季保温, 故不管寒冷的北方还是在炎热的南方, 对遮阳系数要求均非常严格, 也作为工程必备验收竣工材料, 有着广泛的实际应价值。针对不同品种的玻璃的遮阳系数和节能效果分析比较见表1。
由表1可以得出结论:具有良好的遮阳性能的Low-E中空镀膜玻璃的遮阳系数一般Sc小于0.55, 得到公共建筑和居住建筑的标准要求, 同时可见光透射比大于国家标准规定的0.4, 在建筑实际应用中相对已普通白玻具有很好的节能性能。在实际使用当中, 具有节约能源, 起到环保作用。由公共建筑和居住建筑标准对遮阳系数小于0.55要求可知, 在节能建筑中, 普通白玻已经被淘汰了, 要达到节能50%, 或者更高65%要求, 只有镀膜玻璃可以使用在建筑上。
4 结论
遮阳系数检测需要用到检测设备为分光光度计和远红外光谱仪。现在的检测技术在不断的发展中, 成熟的有国家建筑节能产品质量监督检验中心发明一种辐照度法利用太阳光直接测定遮阳系数系统[4], 设计原理根据遮阳系数定义———使用透过被测玻璃的太阳辐射得热与透过标准3mm透明玻璃的太阳辐射得热的比值[5], 针对建筑物外窗安装后的结构, 比较直观的采用太阳的全波段自然光源来检测遮阳系数, 温度、环境真实可靠, 检测过程也满足了低碳节能的要求。目前, 具有上述特点的遮阳系数检测系统, 国内所查文献, 未见提及”[6];重庆大学发明一种遮阳系统检测装置, 利用贴片式热电偶测得太阳辐射转化的热量计算遮阳系数, 对太阳辐射转化的热量采用了直接测量的方式[7];深圳发明一种由标准计量箱、测试计量装置和防护箱组成的测量方法。总之各种各样的检测方法在不断的研究和发展, 最基础的光学法是各种检测方法比对和参照的根本。
摘要：围绕单层玻璃和双层玻璃的遮阳系数测定方法, 对太阳光谱的分区进行分析, 根据单层玻璃和双层玻璃对太阳光通过玻璃的不同特性, 详细阐述了GB/T 2680-1994的遮阳系数检测公式计算步骤, 同时阐述国内其他的遮阳系数检测方法。
关键词：可见光透射比,太阳光直接透射比,太阳光总透射比,遮阳系数
参考文献
[1]赵刚.建筑节能与节能设计[J].科技情报开发与经济, 2005, 5 (13) :147-148.
[2]ISO 10292:1994 (E) , 建筑玻璃稳态U值 (传热系数) 的计算及测定[S].Switzerland, 1994.
[3]方明, 葛大中.太阳光测定遮阳系数系统[P].中国专利:ZL2012 2 0315537.3, 2013-01-16.
[4]GB/T 8478-2008, 铝合金门窗[S].北京:中国标准出版社, 2009.
[5]张犁朦, 胡明一.太阳光测定遮阳系数科技查新报告[R].安徽省科学技术情报研究所, 20010-08-23.
[6]串科, 刘晓杰, 江涛.一种遮阳系统检测装置[P].中国专利:ZL 200820099883.6, 2008-12.
[7]刘俊跃, 田智华, 李雨桐, 卜增文, 罗刚.遮阳系数检测装置[P].中国专利:CN200620145309.0, 2008-12-05.
双层玻璃 篇2
关键词：不破坏不更换单层玻璃改为双层隔空玻璃
一、选题思路
低碳概念如今已经深入人心，融入生活。不管是冬天还是夏天，空调的使用频率越来越高，但是因为玻璃导热和散热性极强，使空调的使用效果大打折扣。看着我们家里单层玻璃窗，总感觉窗户是个极大的浪费：但是没有窗户又不行，通风采光又完全依赖于它。可以改造吗?使之既保留通风采光的功能，又降低其导热性。于是我开始了思考和寻找，希望能找到一种两全其美的解决方法。
二、工作过程
1.调查
我首先对居民家里进行了大量的调查，发现大多数家庭安装的都是比较常见的普通塑钢单层玻璃窗，但是也有部分新建小区安装的是双层中空玻璃窗。双层中空玻璃不但可以保温隔热，还可以隔音，有效地降低外界噪音对室内的影响。我发现这是一个改造窗户的好方法。于是我来到一些做塑钢窗的厂家和门店了解，发现如果要安装双层中空玻璃，他们的方法都是先将原有玻璃拆除作废，然后按照尺寸专门制作双层中空玻璃，再安装上去，并要更换玻璃压条：有的甚至要将窗框拆除，重新制作整个窗户。他们的方法不仅工艺复杂，而且材料浪费很大，如原来的玻璃甚至窗框会浪费，造价也很高。通过进一步了解，很多家庭没有进行安装或改装的原因，主要就是因为价格和浪费问题，总觉得老的窗户还能用，拆掉可惜，何况还要花更多的钱来改装。
为此我仔细研究了一下他们的双层中空玻璃，发现市场上的双层中空玻璃的原理是将两层玻璃通过高强度气密性复合粘结剂密封。中间充入干燥气体，框内充以干燥剂，以保证玻璃片间空气的干燥度。由于玻璃的热传导率是空气的27倍，所以中空玻璃很好地解决了玻璃散热快的问题。同时由于双层玻璃中的空气被长期密封在腔内，无法与外界空气进行对流，因此，中空玻璃两边的热量也不会因为玻璃间气体的对流而带走热量。但是正是由于中空玻璃的气密性，所以其造价高、工艺复杂，并且由于密封胶老化及玻璃易碎等原因，中空玻璃也有易损坏及修复成本高等缺憾。
在了解了双层中空玻璃的原理及缺憾之后，我就想，能否用一种简单的方法将单层玻璃改造，使之具有一定的双层中空玻璃的优点，却避免其造价高、工艺复杂、易损易耗的缺点呢?通过在建材市场的进一步寻找和了解，我找到了一种在建筑工程中使用的幕墙双面固定胶粘条，胶条的厚度有10mm。于是我想到了一种简单易行的改单层玻璃为双层隔空玻璃的方法。
2.设计
我设计的这种将单层玻璃窗改为双层隔空玻璃窗的工艺和原理都非常简单而且成本低。原理是用幕墙双面固定胶粘条将两块玻璃粘合在一起，因为幕墙双面固定胶粘条厚度有10mm，因此在两层玻璃之间也造成了一层空气隔热层。这样也起到了隔热保温的效果，另外再用玻璃胶将玻璃四周与窗框密封和固定，也可以大大减少中空的空气与外界空气的对流。而且，不需要将原玻璃拆除，直接在原窗户上加装，具体过程如下。
第一步：测量原塑钢窗内边长和宽，并根据内边长和宽裁好一块普通玻璃(4mm)备用。
第二步：将原塑钢窗扇拆下，将窗框及玻璃洗净擦干。
第三步：将幕墙双面固定胶粘条撕去一侧保护层，沿着窗框四周粘在原玻璃窗留框较厚的一面。
第四步：撕去另一侧保护层，将准备好的玻璃平放在撕去保护层的幕墙双面固定胶粘条上，四周与窗框内边对齐，并压紧。
第五步：用玻璃胶将装好的玻璃边与窗框之间的缝隙密封，为安全起见再在窗框四周各加一个螺钉将玻璃固定，最后将改造好的窗户安装回原处。
3.效果检测与分析
为了检测改装后的窗户保温隔热的效果，我制作了一个简易的测试装置，并进行了测试。
(1)测试原理
用热源隔着测试玻璃加热，玻璃另一侧用温度计测量温度变化，以单位时间内(每分钟)温度计升高的度数作为保温隔热指标，数值越小隔热效果越好。
(2)测试装置的制作
用夹芯板(17mm)做成一个内径为1000mm×1000mm的方形木橱，橱深333mm，并将该木橱用木板内分隔成9格(3层3列)，中间一格安装热源(用275W的大功率灯泡4个)。在中间一格的四周镂空(180mm×t80mm)，镶上各种测试玻璃，玻璃的另一侧为测温区，用于测量温度变化。本测试用了四种玻璃：单层玻璃(5mm)、双层玻璃(5+10+5mm)、单层加膜玻璃(5mm)、双层加膜玻璃(5+10+5mm)。在测试中用加膜玻璃的原因是为了避免热源辐射导热对结果的影响，因为不管是单层还是双层玻璃，对于辐射导热的阻隔作用都不是太大，解决辐射导热的问题主要还是依靠隔热膜。
(3)测试结果
经过测试，在用275W的大功率灯泡照射下，经过不同玻璃的隔热，测温区5分钟内温度变化情况如表一，平均每分钟温度变化情况为表二。
(4)结果分析
从两表中所得数据可以看出，单层玻璃的隔热效果非常差，平均每分钟升高9.5℃：双层隔空玻璃的隔热效果比单层玻璃好一些，平均每分钟仅升高5.72℃：但是加膜玻璃隔热效果更好。原因是本次测试热源是大功率灯泡，以辐射导热为主，因此比较加膜的单层玻璃和双层隔空玻璃隔热效果，在以传导和对流为主要方式的情况下，双层玻璃比单层玻璃的效果更明显。因此，建议在改装为双层隔空玻璃后，再加上一层隔热膜，保温隔热的效果会更好。但是隔热膜的缺点是采光性很差，因此要因地制宜，选择使用。
另外通过人体辨听测试，发现用双层隔空玻璃改装后的房间隔音效果也非常好，比使用单层玻璃窗降噪能力强，因此建议在普通居民家庭中进行改装。
而且，上述改装方法工艺简单，材料成本低，无需拆除原有玻璃窗，即使玻璃破碎，也可以只换掉碎玻璃而保留好玻璃，大大降低了成本，在当前居民家庭中具有非常好的推广前景。
三、感想
双层玻璃幕墙设计研究 篇3
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
[1]涂逢祥.建筑节能-中国节能战略之重[J].建设科技, 2008 (5) .
[2]王丽娜.基于价值工程的绿色建筑投资决策研究[J].价值工程, 2011 (1) .
[3]宋秋芝, 刘志海.我国玻璃幕墙发展现状及趋势[J].玻璃, 2009 (2) .
[4]王兵辉.建筑玻璃幕墙的节能设计研究[J].科学技术, 2012 (12) .
[5]许学.浅析幕墙设计中存在的问题及对策[J].中国新技术新产品, 2015 (7) .
双层玻璃幕墙构造及其节能措施 篇4
关键词：双层玻璃幕墙,节能措施,建筑围护结构,建筑物,传热系数
在全世界的能源消耗中,建筑能耗约占总能耗的25%～45%,并且建筑能耗区别于生产性能耗,它属于消费性能耗[1]。建筑能耗除了保证正常消费需要的部分外,其余部分都被浪费,因而建筑节能成为世界建筑界共同关注的问题。建筑外围护结构的热工性能直接影响到建筑能耗,而玻璃幕墙是现代建筑较多采用的一种外围护结构,它使建筑更具有现代感和装饰艺术性,但由于自身较差的热工性能,大面积的玻璃幕墙造成建筑围护结构热隔断功能的显著降低,玻璃幕墙也就成为建筑能耗的一个薄弱环节。双层玻璃幕墙的出现,很好地解决了建筑美观与建筑能耗矛盾的问题。
1 双层玻璃幕墙的组成及其分类
1.1 双层玻璃幕墙的组成
双层玻璃幕墙不同于传统的单层幕墙,它由内外两道幕墙组成。内幕墙一般采用明框幕墙或活动窗,或开有检修门,以便维护、清洁;外幕墙可采用有框幕墙或点支玻璃幕墙。
1.2 双层玻璃幕墙的分类
1.2.1 封闭式内通风幕墙
封闭式内通风幕墙从室内的地下通道吸入空气,在热通道内升至上部排风口,再从吊顶内的风管排出。该循环在室内进行,外幕墙完全封闭。由于进风口进入的是室内空气,热通道中空气温度与室内基本相同,这就大大节省了取暖和制冷的能源消耗。这种形式的幕墙对取暖地区更为有利。由于内封闭通风幕墙的循环要靠机械系统,对设备有较高的要求。
1.2.2 开敞式外通风幕墙
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。其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,经热通道带走热量从上部排风口排出,可减少太阳热辐射的影响,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。开敞式外通风幕墙的风口可以开启和关闭。夏季开启上、下风口,可起自然通风作用;冬季关闭风口,形成温室保暖。
1.3 通风幕墙的效果
采用双层通风幕墙的最直接效果是节能,与单层幕墙相比,其采暖期可节能40%～60%,制冷时节能40%～60%[3]。采用双层幕墙隔声效果也十分显著,可大大改善室内使用条件。
2 外通风幕墙的气流组织
2.1 组织方式一
如图1所示,水平方向以柱间为单元,竖直方向以一层为一个单元,每个单元单独组织进风与排风。一般从楼板面进风,在顶棚下面出风口排风,直上直出,气流简捷,阻力小,但气流过于强烈。
2.2 组织方式二
这种方式是以柱间为单元,一个柱间全高打通,成为排风竖井,从建筑顶部排风到室外,相邻柱间则各层隔开,从本层下部进风口进风,在上部排风口向相邻排风竖井排风(见图2)。
2.3 组织方式三
为避免直上直下方式风速过大、气流过于激烈,可采用各层错开进风口和排风口,使气流转向相邻柱间排风口的组织方式(见图3)。
2.4 组织方式四
这种方式打破了一层作为一个通风单元的格局,从各层进风口来的新风,全部汇集至顶层顶部总排风口排出。借助于房屋全高产生的压差,可以形成强烈的通风气流(见图4)。
3 提高双层玻璃幕墙节能性能的措施
3.1 幕墙玻璃的选用
对于建筑物玻璃幕墙来说,由于玻璃的面积占据立面的绝大部分,可以参与热交换的面积较大,因此,玻璃是幕墙节能的关键。热反射玻璃是在优质浮法玻璃表面,镀一层或多层金属化合物薄膜而形成。它能有效地控制太阳直接辐射能入射量,同时还具有丰富多彩的反射色调和极佳的装饰效果,缺点是热反射玻璃使用不当,会给环境带来“光污染”。
低辐射镀膜玻璃是在优质浮法玻璃表面,镀数层低辐射材料及其他金属化合物薄膜而形成的。它可阻隔热量从热的一端向冷的一端传递,即冬季阻止室内的热量泄向室外,夏季阻止室外热量进入室内。对来自阳光中的红外热辐射部分有较高的反射率,对阳光中的可见光部分则有较高的透过率。低辐射镀膜玻璃可获得较高的可见光透过率和较低的反射率,能有效地避免“光污染”。
中空玻璃是由两片或多片玻璃以内部充满高效分子筛吸附剂的铝框间隔出一定厚度的空间,边部用高强度密封胶密封粘合而成的玻璃组件。中空玻璃密封空间内的空气,构成一道隔热、隔音屏障。若在该空间中充入惰性气体,还可进一步提高产品的隔热、隔音性能。
3.2 窗框型材的选用
由于玻璃与窗框之间会发生热传导,因此,窗框型材的选用也很重要。塑料窗框、木窗框因材料本身的导热系数较小,对外窗的传热影响不大;木塑窗框、钢塑窗框、铝塑窗框是在木骨架、钢骨架、铝骨架外覆盖了新型PVC材料,既形成了牢固耐用的保护层,又可降低窗框的导热系数;铝合金窗框、钢窗框由于材料本身的导热系数很大,形成的热桥对外窗的传热影响较大,所以必须进行相应的处理,设置断热桥。
3.3 设置遮阳
对于南方地区,遮阳是一种有效的隔热措施,建筑遮阳可以是来自附近的其他建筑物或遮挡物,也可通过人为方式设置附着在窗户顶端或侧面的遮阳板,还可以在窗的里边、外边设置可调节的百叶遮挡等。
4 结语
双层玻璃幕墙是一种新型的节能幕墙,是幕墙技术的新发展。它不同于传统的单层幕墙,由内外两层玻璃幕墙组成,或称为双层幕墙、可呼吸式幕墙、通风幕墙,内外幕墙间形成热通道。双层玻璃幕墙的节能原理是分别利用夏季双层玻璃间热通道的热烟囱效应和冬季双层玻璃间热通道的温室效应,达到减少夏季室外热量的传入和冬季室内热量的流失。不同的玻璃幕墙结构有着各自的优缺点,适用于不同建筑要求,同时为了提高双层玻璃幕墙的节能性能,必须考虑各种不同的措施。
参考文献
[1]宋德萱.节能建筑设计与技术[M].上海:同济大学出版社,2003.
[2]刘伯养.提高玻璃幕墙水密性的对策[J].山西建筑,2006,32(14):61-62.
[3]赵西安.双层通风幕墙的构造及工程应用[J].建筑技术,2002,33(9):651-655.
被动式双层通风玻璃幕墙研究 篇5
关键词：双层通风,玻璃幕墙,中空幕墙,经济价值
1 构造特点说明
1)内幕墙采用5+14A+5中空高透型低辐射玻璃,幕墙分格为2 000 mm×1 005 mm,通道宽度在80 mm～150 mm之间,设有上下两通风口;外幕墙采用6 mm厚透明单层不耐火玻璃,设有进风口和排风口。2)幕墙的铝型材应采用断热铝型材。3)内外通风幕墙的风口可以开启和关闭。4)为提高节能效果,通道内设电动百页和电动卷帘。5)进风口、出风口设防尘网、防虫网。6)气流组织方式水平方向以柱间为单元,竖直方向以一层为一个单元,每个单元单独组织进风与排风。
2 被动式双层玻璃幕墙玻璃的传热
1)无太阳辐射时双层玻璃幕墙的传热。当室内温度高于室外温度时,室内向室外传热,这时室内空气温度通过对流、辐射等复杂的传热过程传给双层玻璃幕墙内层玻璃内表面,玻璃内表面温度高于外表面,通过传导将温度传导到外表面,通过对流、辐射等复杂的传热过程传给热通道内空气,热通道内空气温度通过对流、辐射等复杂的传热过程传给双层玻璃幕墙外层玻璃内表面,玻璃内表面温度高于外表面,通过传导将温度传导到外表面,再通过对流、辐射等复杂的传热过程传给室外空气。当室外温度高于室内温度时,由室外通过同样原理向室内传热。
2)太阳辐射时双层幕墙玻璃的传热除了温差传热外,还有太阳辐射传热,夏季太阳辐射热在外层玻璃外表面被反射一小部分,一部分被玻璃吸收后向室外、热通道内传热,一部分透射到热通道内加热热通道内空气,同时室外高温度空气向热通道内传热,使热通道内温度升高,透射到热通道内的太阳辐射热在内层玻璃外表面被反射一小部分,一部分被玻璃吸收后分别向热通道内、室内传热,一部分透射到室内加热室内空气,同时热通道内高温度空气向室内传热,使室内温度升高,当太阳辐射传热量很大而没有空调时,也有可能使室内温度高于室外温度,这时室内向室外传热,这就是说夏季影响室内温度的热源有两方面即太阳辐射传热和室外温度高于室内温度时的温差传热,它们都会使室内温度升高。
3 幕墙的抗火性能分析
火灾时火焰的高度和起火室温度也不断增高,内幕墙爆裂脱落后,火焰和烟气涌入内外幕墙之间的夹层,高温气流呈贴近外幕墙内侧流动的趋势,最终上升到顶层排出。这一过程中,火灾有向其他楼层蔓延的可能。外幕墙破裂后,火焰和烟气在高温气体产生的热压作用下喷出外墙,此时只有少量烟气进入内外幕墙之间的夹层,对起火层以上各层内幕墙的影响将大为减小,内幕墙附近的气流温度明显下降。故:1)双层通风幕墙的内层玻璃要求在250 ℃～320 ℃时能坚持0.5 h～0.6 h不自爆,采用防火玻璃。2)外层采用不防火玻璃。3)通道内设有防火自动排烟口或手动紧急排烟口。
4 被动式双层通风玻璃幕墙与中空幕墙的比较
表1为通风幕墙与中空幕墙保温性能与隔热性能的比较。
在冬季保温性能检测报告中,由空气温度与材料表面温度关系可以看出,白天,室外最高温度为3.6 ℃时,通道内空气最高温度为46.3 ℃,通风幕墙房间内空气最高温度达到28.8 ℃,中空幕墙房间内空气最高温度达到20.8 ℃。通风道内空气最高温度比室外空气最高温度高出42.7 ℃,透明部分表面温度还要高些。而在夜间,室外最低温度为-4.4 ℃,通风道内空气最低温度为9.1 ℃,两者相差13.8 ℃。从以上检测数据可以看出,通风幕墙在白天吸收了太阳能,而在晚上有效地阻止了太阳能的散失。
夏季隔热性能:由于通风道设有遮阳百叶,在夏季检测中,主要针对有遮阳通风幕墙和无遮阳中空幕墙进行比较。在室外平均温度为26.5 ℃时,有遮阳百叶的通风幕墙房内空气温度为24.09 ℃,无遮阳百叶的中空幕墙房内空气温度为25.17 ℃,最大的温度相差2.89 ℃,而有遮阳通风幕墙玻璃内表面与无遮阳中空幕墙玻璃内表面最大温度相差9.23 ℃。从以上数据可以看出,遮阳系统能有效地阻止太阳能辐射,降低幕墙内表面温度,达到节省空调费用的目的。
5 采用被动式双层通风幕墙的经济价值
5.1 冬季采暖分析
只考虑玻璃幕墙可见部分的耗热量,未考虑其他情况下的耗热量和其他损耗。冬季白天平均太阳辐射照度取270 W/m2。冬季室外计算温度为-9 ℃,室内采暖计算温度为19 ℃,采暖天数按每年126 d,每天10 h考虑,电费取1.00元/(kW·h)。
1)中空幕墙。冬季白天增热量,根据公式其相对增热为:
其中,K为中空幕墙传热系数,取1.79 W/(m2·K);T为冬季室外计算温度,取-9 ℃;t为冬季室内采暖计算温度,取19 ℃;S为中空幕墙遮阳系数,采用遮阳型低辐射玻璃,取0.47;I为冬季白天平均辐射照度,取270 W/m2。
则R=1.79×(-9-19)+0.47×270=76.8 W/m2。
2)通风幕墙。冬季白天增热量,根据公式其相对增热为:
其中,K为通风幕墙的传热系数,取1.14 W/(m2·K);S为通风幕墙的遮阳系数,外层采用单层透明玻璃,内层采用高透型低辐射玻璃,取0.61×0.85=0.52。
3)两种幕墙节能效果比较。
每年通风幕墙比中空幕墙节约的总采暖费用为:
E=Q×10×126×1.00=82.4×10×126×1.00=10.4万元。
由计算可知,通风幕墙与中空幕墙相比,每年可节省采暖费用10.4万元,如大面积采用该幕墙,必将产生更为显著的节能效果。
5.2夏季制冷分析
通风幕墙(中空)夏季空调费按一个月30 d计算:
普通幕墙(中空):0.18元/(h·m2);
双层通风幕墙:0.067元/(h·m2)。
一个供暖面积4 000 m2的建筑物,在采用不同幕墙体系时,它的节能的经济值显然有较大的差异:
设定夏天按制冷3个月,冬天供热3个月计算,单层幕墙约需电费、供暖费计173万元;采用双通道外循环式为64万元。
通风幕墙独特的作用机理,具有显著的节能效果。通过本估算,经过10年可收回所增加的成本。随着通风幕墙的不断发展、提高该幕墙必将产生较大的社会效益和经济效益
6结语
1)采用新型双层通风幕墙的最直接效果是节能,比单层幕墙采暖时节能40%～60%。制冷时节能40%～60%。2)内外层无需镀膜玻璃,用自然光实现照明。从环保上,通风式幕墙由于其功能解决节能,外层玻璃选用无色透明玻璃或低反射玻璃,可最大限度地减少玻璃反射带来的不良影响(“光污染”);单层玻璃幕墙为保证室内外效果与节能的考虑,玻璃一般选用有一定反射功能的镀膜玻璃。新型双层通风幕墙能过滤阳光,避免直射,无眩光困扰。3)双层玻璃及中间空气层能有效阻隔室外噪声,临街建筑室内依然安静。4)遮阳百叶置于中间层,有效防止日晒,不影响立面效果,实现动态遮阳。5)新型双层通风玻璃幕墙造价较高。建筑面积要损失2.5%～3.5%,但就长远来看,具有一定的使用价值。
参考文献
[1]JGJ 26-95,民用建筑节能设计标准(采暖居住部分)[S].
[2]GB 50176-93,民用建筑热工设计规范[S].
[3]GB 50178-93,建筑气候区划标准[S].
[4]JGJ 134-2001,夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准[S].
双层玻璃幕墙研究进展及工程应用 篇6
建筑节能是当今热门的话题,各种节能技术备受关注。双层玻璃幕墙。因为能够满足建筑师对建筑通透、空灵的追求, 同时又具有通风、保温、隔声等效果,从20世纪90年代开始在欧洲得到了较广泛的应用,进入21世纪后在我国也有不少工程实例。
双层玻璃幕墙(又称为热通道幕墙、气循环幕墙、呼吸幕墙等),是由内、外2层玻璃幕墙组成,内外幕墙之间形成一个相对封闭的空气通道。外层幕墙上下两端有可控制空气进出的装置,内层设有可开启的窗。双层玻璃及中间空气层可阻隔室外噪声、滤过阳光避免直射,无眩光困扰,实现自然光照明,改善室内热环境增加舒适感。春秋两季,进出风口及内层窗都开启,在外层幕墙的遮挡和滤过作用下,提供了各种天气条件下的自然通风,节省空调通风换气的能耗;冬天,进出风口及内层窗都关闭,由于阳光的照射,通道内空气温度升高,产生 “温室效应”,减少室内采暖的运行费用;夏天,进出风口开启而内层窗关闭,在阳光照射形成的温差作用下,室外空气可以从下部进风口进入,又从上部出风口离开,产生“烟囱效应”, 减少室内空调制冷的负荷。双层热通道幕墙不仅减少建筑能耗,提升室内环境质量,还能主动利用自然能,提高能源的利用效率,代表幕墙技术的新发展。
1 国外研究进展
双层玻璃幕墙的系统形式、运行策略以及热工性能与建筑所在地区的气候特征紧密相关。已有很多国家和地区对双层玻璃幕墙建筑热工性能及其气候适应性设计进行了相关研究。
1.1 欧美地区
双层玻璃幕墙研究最早及最为广泛的是欧洲地区。德国Oesterle等合著的《Double-Skin Facade-Integrated Planning》[1]是关于双层玻璃幕墙的专著,该书较全面地阐述了有关双层玻璃幕墙的隔声、保温、日光利用、防火、空气动力学、经济及特殊构造等问题。瑞典Harris所著的《Double Skin Facades for Office Building》[2]对2004年以前完成和正在进行的有关通风双层幕墙玻璃办公建筑研究进行了总结,并指出CFD技术及对整个建筑能耗的预测技术有待进一步发展。Z.o.llner等[3]在德国慕尼黑理工大学户外建立一座2层高双层玻璃幕墙,用以研究双层幕墙空气腔的空气流体特性,并与理论计算相对比。结果表明,由太阳辐射引起的空气腔内的空气流动主要受空气腔的长宽比和进出口的尺寸影响。Pasquay[4]通过对德国3座典型的双层玻璃幕墙高层建筑的长期监测,结果表明,双层玻璃幕墙在高层建筑中确实能达到节能的效果,并总结了其应用的优缺点。在瑞士,Manz等[5]对一座双层玻璃试验模型进行了温度、风速和太阳辐射量测试,结果表明, 在24 h内模型的边界条件一直处于变化状态,并且认为只有用计算流体动力学(CFD)的方法才能较为准确地分析气流的温度场分布和能量分布。法国的Safer等[6]利用CFD方法建立了带有遮阳百叶和机械通风的双层玻璃幕墙三维计算模型,并研究了遮阳百叶的位置和角度的影响。在美国,Park等[7,8,9]开发了一种在线实时的最优化控制系统,用以控制双层玻璃幕墙的设计参数以达到最优节能效果。该系统通过实测数据实时修正计算模型的有关参数,并控制双层玻璃幕墙遮阳百叶的角度等。
1.2 亚洲地区
近年来,亚洲地区对双层玻璃幕墙的研究也日益火热。 Hien等[10]在新加坡的气候条件下对一座6层高的双层玻璃幕墙建筑采用TAS和CFD软件进行模拟计算,结果表明, 通风双层幕墙确实能达到减少能量损耗和提高室内舒适性的作用,但同时由于高温湿润的天气,可能产生空腔顶部早晨冷凝水,建议采用强制通风设备。Xu等[11]通过对日本北九洲一座2层高的双层玻璃幕墙住宅进行测试,结果表明,通过自然通风在夏季可以减少大约10%~15%的能量损耗,通过温室效应在冬季可以减少大约20%~30%的供热。Kim等[12]等对韩国一座实际的双层玻璃幕墙建筑的实测与计算表明,在1月份晴朗的天气下,西向的双层玻璃幕墙大约可以减少14.7%的热能损耗,而在阴天起不到这个作用。Chan等[13]在香港地区的气候条件下,通过试验数据修正了双层玻璃幕墙的计算模型,修正后的模型用于研究玻璃的选型对节能效果的影响。结果表明,在设计得当的条件下,双层玻璃幕墙能比同类的单层玻璃幕墙节能26%,然而经济分析结果却是不可接受的,文献建议采用政府补贴的方式弥补。Haase等[14]通过对香港一座办公双层玻璃幕墙建筑5~9月的天气条件下进行实测与模拟计算,表明在香港地区这种热湿气候条件下,双层玻璃幕墙也是能起到节能效果。Hashemi等[15]研究双层玻璃幕墙在伊朗这种极端干旱气候下应用。通过对一座11层高的双层玻璃幕墙建筑的实测研究结果表明, 在冬季双层玻璃幕墙能够起到节能的效果,但是在夏季,保持夜间通风和适当的遮阳设备是必须的,否则将适得其反。
以上这些研究对气候适应性的双层玻璃幕墙从概念到个案,从实验到实测以及计算机模拟等方面做了相关层次上的研究,且已经取得相当的成果。国外先驱学者的成果对我国双层玻璃幕墙应用具有方法论上的指导意义,特别是香港地区、 新加坡的研究成果,对我国南方地区类似系统的应用更具有借鉴性。
2 国内研究进展
国内对双层玻璃幕墙的研究起步较晚,进入21世纪后才开始引起一些学者关注。而大部分的研究集中在热工计算方面[16,17,18,19],并受条件限制,实验研究相对较少,而依赖于计算机软件模拟的研究较多。此外,针对不同气候地区,一些学者也对双层玻璃幕墙的气候适应性进行了研究。
2.1 寒冷地区
针对寒冷地区,杜苗[20]结合天津市节能示范楼,完成了全玻璃呼吸式幕墙在北方寒冷地区冬季的热工性能研究。呼吸式玻璃幕墙能够充分利用冬季的太阳辐射热量增加室内的保温效果。过渡季节能够形成很有效的自然通风,最大限度地利用自然风,使室内保持一个舒适的环境,但楼层不宜过高,否则由于热气流的上升将导致建筑物上部楼层有不适当的高温出现。吴江滨和陈大鹏[21]对北京已建成的应用双层幕墙的16座建筑统计研究,得出双层幕墙在具有采光性能好等优点的同时还有围护费用高等缺点,在绿色建筑应用中应综合考虑, 其应用前景广阔。
2.2 夏热冬冷地区
针对夏热冬冷地区,李保峰等[22,23,24]对夏热冬冷地区的双层玻璃幕墙设计进行了系统深入的研究。基于不同条件下如朝向、遮阳、通风、能耗、淋水、蓄热和气流循环等实验的对比研究,探讨双层玻璃幕墙对室内热环境以及能耗的影响。此外,结合双层玻璃幕墙的技术发展和案例分析,总结双层玻璃幕墙的技术规则和气候适应性设计策略。较为全面地分析了如何从类型、材料、构造和操作模式等方面进行双层玻璃幕墙的设计,并对双层玻璃幕墙作出经济上的分析。刘猛和龙惟定[25,26]对常用的外循环式双层玻璃幕建立了物理模型,给出夏季工况综合传热系数的计算方法。在此基础上研究了夏季工况不同太阳辐射强度、通风腔宽度、通风腔高度以及遮阳装置在不同位置时的综合传热系数,分析了各因素对玻璃幕墙建筑综合传热系数造成影响的原因,并给出了最佳值,为今后DSF的研究和优化设计提供参考和依据。
2.3 夏热冬暖地区
针对夏热冬暖地区,王军[27]立足于夏热冬暖地区的气候特点,对夏热冬暖地区的双层玻璃幕墙设计作了一些初步的改良研究。通过试验方法搭建了双层玻璃幕墙模型,采用实测的方法测试了双层玻璃幕墙在冬季和夏季的热工性能,并对影响其热工性能的各要素进行了分析。然后运用测试的数据作为边界条件,用CFD软件模拟的方法模拟了夏季工况下空腔内的空气温度,并把模拟结果和实际测试的结果进行了对比分析,验证了模拟工具的可靠性。在此基础上,初步分析了不同进、出风口面积,宽度,高度以及不同遮阳形式对双层玻璃幕墙夏季隔热性能的影响。
2.4 计算方法研究
陈海等[28,29]对双层玻璃幕墙的热工计算进行了自主创新研究。他们研究在不同太阳辐射作用下双层玻璃幕墙热通道气流,建立相关的流场和温度场状态方程组,计算双层玻璃幕墙冬季增热保温和夏季热气流降温的节能性能。通过双层玻璃幕墙的实体模型试验,观察流场结构,温度场变化,实测相关参数。最后开发了有限元分析[30]计算软件,并给出计算实例。
国内学者的研究初步表明,一方面我国地域辽阔,双层玻璃幕墙系统的设计必须针对不同地域的气候条件进行精心设计;另一方面,即使在夏热冬暖地区,双层玻璃幕墙系统如果设计得当,在节能方面也是有广泛应用前景的。
3 工程应用实例
据国外大量文献介绍,双层玻璃幕墙系统具有较大的节能潜力,它采用可循环使用的材料,建造速度快,对运输和施工场地要求不高,同时又可创造出极具时代感的建筑风格,被公认具有“生态”意义的建造方式。20世纪90年代,在欧洲发达国家得以广泛应用。据统计,仅在德国便已建成上百栋双层玻璃幕墙建筑。双层玻璃幕墙可以为建筑提供一个温度缓冲层,其在冬季被动式利用太阳能方面的潜力已经得到公认,欧洲已建成的实例也提供了足够的证据。从20世纪末引入我国以来,有成功案例,但令人满意的工程不多,究其原因在于盲目设计、简单照搬寒带、温带国家的技术,施工质量不高,没有抓住双层幕墙是“气候适应性”外围护结构的本质,结合我国气候特点研究和自主创新很不够,双层幕墙的发展不能照搬国外或者国外某公司的结构,而要学习、消化国外的技术,结合我国地理、气候、环境特点,开发适应“严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖”4个地区的节能、舒适、性价比优异的双层幕墙,这是双层幕墙发展的当务之急。
我国地域辽阔,不同地区具有不同的气候特点,而建筑节能技术研究与气候特点息息相关。华南地区在我国建筑热工分区上属于夏热冬暖地区。广州市正是这种气候的典型代表地区,该气候特点是夏季漫长,冬季寒冷时间很短,长年气温高而且湿度大,气温的年较差和日较差都小,太阳辐射强烈, 雨量充沛。这种气候特点与北方气候差异性非常大,因此,根据华南地区独特的气候特点,开展该地区的双层玻璃幕墙节能技术研究有重要的意义和良好的应用前景。
由广州机施建设集团有限公司承建的广东省中医科学研修院教学科研综合大楼见图1。
图 1 广东省中医科学研修院教学科研综合大楼
该项目采用框架剪力墙结构形式,地下2层,地上28层, 结构高度约105.2 m。塔楼双层呼吸式单元幕墙,主要位于塔楼南面及东南面位置,总面积约为3000 m2,每一个单元板块大小为2900 mm×1200 mm,热气流空腔厚度为173 mm。幕墙类型为全隐框形式,玻璃主要选用了:外层幕墙8 mm+1.52 PVB+6 mm钢化夹胶镀膜玻璃;内层幕墙6 mm(Low-E)+12A+ 6 mm钢化中空玻璃。本工程是华南地区首批大面积采用窄腔外呼吸式单元幕墙的工程,采用了多项新技术、新工艺,具有极高的研究价值。
科技成果《华南地区热气流节能窄腔外呼吸式玻璃幕墙研究》于2012年10月19日由广东省住房和城乡建设厅组织并主持召开了科技成果鉴定会。经讨论,鉴定委员会一致认为该成果达到国际先进水平。
该成果技术主要包括:
(1)采用通用软件模拟通道内空气的流动,得到准确的速度场、压力场及粒子流动轨迹,为幕墙通风系统的设计提供可靠的支持;
(2)计算双层幕墙的夏季除热效率,与单层中空玻璃对比,同时计算冬季时双层玻璃幕墙单位面积的增热量,建立一套适用于华南地区条件下的模型,并应用于幕墙结构设计、确定加工安装方案;
(3)通过支座安装调整和单元板块的运输、吊装、调整、密封及加固收尾等工序,尤其是连接方式和连接件的优化,形成一套完整的安装工艺。
4 结语及展望
虽然国内针对双层玻璃幕墙气候适应性设计方面开展了一些工作,但从应用层面来看,还有一定差距,应用技术基础比较薄弱,有待进一步深化与提高。双层玻璃幕墙是基于气候适应性的建筑技术。双层玻璃幕墙是否可通过完善一系列的设计策略来适应我国不同地区的气候特点、如何设计、 如何根据建筑物的使用要求,结合所在地区的气候和室外条件,选择确定空气腔宽度,通风方式,玻璃类型,控制策略等参数,在满足室内环境要求的情况下,还能降低建筑总体运行能耗,是很具有挑战性和研究意义的问题,也是亟需解决的问题。
双层玻璃 篇7
为了解决传统玻璃幕墙夏季隔热和冬季保温性能差, 能耗高、室内空气差等问题, 人们发展了隔热和保温性能更好的双层皮 (Double Skin Facades) 玻璃幕墙技术[1]。该幕墙又称为呼吸式双层皮玻璃幕墙, 外层为传统的玻璃幕墙, 内层为不承重、有外遮阳结构的单层玻璃。夹层之间留有一定宽度的空气间层, 外层设置进风口和出风口。夏季利用太阳辐射产生“烟囱效应”, 自然通风, 降低室温;冬季关闭进出风口, 产生温室效应, 提高建筑物的保温效果[2,3]。到目前为止, 较少见到在低纬度地区应用的报道[4,5]。
为提高其对低纬度地区夏季炎热气候的适应性, 本文提出将被动蒸发冷却技术应用于在双层皮玻璃幕墙上, 在内部设置水被动蒸发冷却系统, 当夹层温度过高时水自动喷出或流出, 吸收其辐射得热而蒸发, 达到降低夹层温度、提高隔热性能的目的。
1 被动蒸发冷却技术
1.1 被动蒸发技术冷却双层皮玻璃幕墙原理
本文提出将被动蒸发冷却技术应用在自然通风型双层皮玻璃幕墙中, 以防止夏季它的使用空间和立面空腔过热[8,9]。夏季时, 打开换气层的进、出风口, 夹层空气吸收太阳辐射后温度升高而自然上浮[10], 由喷出的水雾或流出的水幕构成的被动蒸发冷却系统将会吸收其辐射得热而降温。
1.2 被动蒸发冷却技术的类型
本文提出被动蒸发冷却技术在双层皮玻璃幕墙利用的两个方法:使用喷雾系统及遮阳水幕。
(1) 喷雾系统
将水以微米级或10微米级的雾粒形式从顶部喷入夹层, 使其迅速蒸发, 利用水的蒸发潜热大的特点, 大量吸收空气中的热量, 增加了空气含湿量, 使湿空气的比焓上升[11], 然后将潮湿空气排出室外从而降温。这样不仅降温成本低, 而且降温能力为3～10℃左右。
(2) 遮阳水幕
在双层皮玻璃幕墙内层玻璃外设置遮阳水幕。它由尼龙线及淋水系统组成。当夹层空气温度过高, 系统淋水, 水流沿着尼龙线垂直下落, 在“烟囱效应”的作用下夹层空气流过水帘表面而被冷却, 温度降低。
2 被动蒸发式双层皮玻璃幕墙
2.1 利用被动蒸发冷却的双层皮玻璃幕墙
在自然通风型双层皮玻璃幕墙中应用被动蒸发冷却技术以使热空间降温。该双层皮玻璃幕墙与传统的玻璃幕墙相比, 最大的特点就在于内外两层幕墙间形成了一个通风换气层——即气流通道。在气流通道中, 可根据需要设置百叶等遮阳设施。夏季时, 打开换气层的进、出风口, 在阳光的照射下换气层的空气温度升高而自然上浮, 形成自下而上的空气流[10,12], 当夹层通道空气温度过高时, 在夹层喷雾和在内层玻璃表面淋水, 降低夹层和玻璃表面的温度 (如图1) 。
2.2 热工计算
本文对外层为中空玻璃的双层皮玻璃幕墙作为研究对象, 通过对未采用和采用被动蒸发冷却技术两种情况的双层皮玻璃幕墙进行热工计算, 讨论被动蒸发冷却式双层皮玻璃幕墙的节能效果。
中空玻璃内壁与单片玻璃外壁之间的总辐射热阻Re如图2所示。
其总辐射热阻计算式为
undefined
计算得Re=1.239 m2·K/W。式中, ε1、ε2分别为中空玻璃和单层玻璃的发射率, 取为0.94, X1, 2为两侧玻璃间的角系数, 取为0.9。
根据本文研究的结构所构造的总热阻示意图如图3所示。
图注:1/h1——中空玻璃外表面与空气的表面换热系数, 工程上取值为1/h1=0.053 m2·K/W;R1——中空玻璃热阻, 取值为R1=0.588 m2·K/W;1/h2——中空玻璃内表面与热通道中空气的表面换热系数, 取值为1/h2=0.052 m2·K/W;1/h3——单片玻璃外表面与热通道中空气的表面换热系数, 取值为1/h3=0.053 m2·K/W;1/h4——内层玻璃内表面与室内空气的表面换热系数, 工程上取值为1/h4=0.116 m2·K/W;R2——单片玻璃之热阻, 工程的取值为undefined
Ra——热通道中空气的传导热阻, 工程的取值为Ra=7.722 m2·K/W;
Re——中空玻璃内壁与单片玻璃外壁之间的总辐射换热热阻, 其计算值为Re=1.239 m2·K/W。
根据《民用建筑热工设计规范》GB50176-93附2.1、2.2和2.4中的规定, 围护结构的总热阻为:Ro=Ri+R+Rc, 其中, Ri为内表面换热热阻;R为围护结构热阻;Rc外表面换热热阻。这样就可以利用热阻公式计算出双层皮幕墙的总热阻。
本双层皮玻璃幕墙的总热阻为
undefined
本双层皮玻璃幕墙的传热系数为
K=1/R=0.514 W/m2·K (3)
文献[9]中, 夏季取室内温度tin=25℃, 室外温度tout=30℃。
ΔT=tout-tin=5℃ (4)
未喷水时传过幕墙的热流密度为
q1=KΔT=2.57 W/m2 (5)
喷水时, 假设使幕墙空气夹层相对湿度达到90%, 标准大气压下含湿量d=0.018 kg/kg, 由湿空气焓湿图查得夹层温度ta=26℃, 传过幕墙的热流密度为
undefined
得到双被动蒸发冷却技术下的双层皮玻璃幕墙所节约的能量
Δq=q1-q2=1.77 W/m2 (7)
其节能效率为
undefined
3 结论
(1) 在夹层内设置自动喷雾装置以及在内层玻璃外设置遮阳水幕, 水雾和水幕将在夹层温度过高时自动喷出或流出, 由喷出的水雾或流出的水幕构成的被动蒸发冷却系统将会吸收夹层中的辐射得热而实现最大程度的降温。经估算, 被动蒸发冷却技术下的双层皮幕墙节能量1.77 W/m2, 其节能效率达到68.87%。改善了室内气候, 可以减少空调的使用时间, 节约了能源。
(2) 本文提出的被动蒸发冷却技术是建立在双层皮幕墙技术基础上的独创的新技术, 与以往的降温方法不同的, 可以对双层皮幕墙夹层产生更为显著的隔热效果, 大大降低空调能耗。
(3) 水雾和水幕是否会阻碍夹层内空气的自然通风, 自然通风的强度下降的程度如何, 还有如何对外界空气的净化也是必须解决的技术问题。
摘要：双层皮玻璃幕墙较之传统幕墙更好地为建筑提供夏季隔热和冬季保温。本文提出将被动蒸发冷却技术应用于双层皮玻璃幕墙结构, 通过在双层皮玻璃幕墙内设置水被动冷却蒸发系统, 当夹层温度过高时水自动喷出或流出, 达到降低夹层温度、提高隔热性能的目的, 以提高双层皮玻璃幕墙对夏季炎热气候的适应性。
关键词：双层皮玻璃幕墙,被动蒸发冷却,自动喷水,遮阳水帘
参考文献
(1) 薛志峰.超低能耗建筑技术及应用 (M) .北京:中国建筑工业出版社, 2005.
(2) Saelens D.Energy performance assessment of multi-ple2skin facades (D) .KU, Leuven:Laboratory for BuildingPhysics, 2002.
(3) von Grabe J.A prediction tool for the temperature field ofdouble facades (J) .Energy and Buildings, 2002, 34 (9) :891-899.
(4) Manz H.Numerical simulation of heat t ransfer by naturalconvection in cavities of facade elements (J) .Energy and Buildings, 2003, 35 (3) :305-311.
(5) Gan Guohui.Thermal t ransmittance of multiple glazing:computational fluid dynamics prediction (J) .Applied Thermal Engi-neering, 2001, 21 (15) :1583-1592.
(6) 《Standard for Water Spray Fixed Systems for Fire》NF-PA15—1996 (美国消防协会标准.固定式水喷雾灭火系统规范 (S) .NFPAI 5-1996) .
(7) 付祥钊.夏热冬冷地区建筑节能技术 (M) .北京:中国建筑工业出版社, 2002, 6-11.
(8) (英) Michael Wigginton编著, 李冠钦, 译.建筑玻璃 (M) .北京:机械工业出版社.2003:32.
(9) 《建筑设计资料集》编委会.建筑设计资料集 (2) (M) .北京:中国建筑工业出版社, 1994:203.
(10) 王振, 李保峰.双层皮玻璃幕墙的气候适应性设计策略研究以夏热冬冷地区大型建筑工程为例 (J) .城市建筑, 2006 (11) :6-9.
(11) 黄翔主编.空调工程 (M) .北京:机械工业出版社, 2006, 4.
双层玻璃 篇8
双层U形玻璃常见排列形式翼为在接缝处成对排列，如图1所示。为避免双层U形玻璃内外片玻璃直接接触，在内外片玻璃翼板与底面之间会设置通长弹性垫片，但对弹性垫片厚度未见相关规定要求。弹性垫片厚度是否对外荷载在内外片玻璃间的分配产生影响，也未有相关报道。本文采用ABAQUS有限元软件分析弹性垫片厚度的变化对双层U形玻璃在正向风荷载作用下受力性能的影响。同时考虑弹性垫片与玻璃之间的摩擦作用对双层U形玻璃协调受力性能的影响。
1 双层U形玻璃有限元模型
选取图2所示，3对U形玻璃作为双层U形玻璃计算单元，每个U形玻璃底面宽260 mm，翼高60 mm，底面及两翼厚度7 mm，玻璃幕墙高度3.90 m。
考虑到本文构件的受力特点，采用ABAQUS软件对双层U形玻璃进行有限元分析，对模型建立作如下简化:
(1)不考虑相邻玻璃板块间硅酮密封胶的影响。
(2)由于U形玻璃安装时坐落在有均匀弹性衬垫的卡槽内，上端与临近的上部结构留有空隙，建模时考虑其一端铰接，一端在纵向可以自由移动，而在垂直方向铰接。
双层U形玻璃有限元模型采用非协调单元创建，弹性垫片一般为橡胶材料，橡胶作为一种典型的不可压缩材料(不可压缩材料指变形后总体积不变，不是指不可变形)，在ABAQUS里不能用普通单元来模拟，本文采用相应的杂交单元来模拟[5,6,7]。
采用结构化网格进行单元划分，采用面面接触创建接触对，分别定义主面和从面，考虑弹性垫片厚度变化对双层U形玻璃的受力性能影响时，在对应主面和从面之间建立切向无摩擦、法向硬接触的接触。考虑弹性垫片与玻璃之间的摩擦作用对双层U形玻璃协调受力性能的影响时，在对应主面和从面之间建立切向摩擦系数为0.3的摩擦接触。在模型端部一端建立铰接约束，另一端建立纵向自由的铰接约束。玻璃弹性模量E=7.2×10[7]kN/m[2]，泊松比ν=0.22;弹性垫片弹性模量:E=7.84×10[3]kN/m[2]，泊松比ν=0.47。
2 弹性垫片厚度对双层U形玻璃受力性能的影响
弹性垫片厚度分别采用0 mm、2.5 mm、5 mm、7.5 mm、10 mm，在面外均布风荷载为0.5 kPa、1 kPa、1.5 kPa、2 kPa下计算单元中间双层U形玻璃内外片玻璃最大挠度，最大应力变化规律见图3～图8。
从图3～图6可看出，在面外均布荷载作用下，随着弹性垫片厚度的增大，内片玻璃挠度逐渐变小，外片玻璃挠度逐渐变大，内外片玻璃的挠度差逐渐变大。但不同弹性垫片厚度下，内片玻璃挠度、外片玻璃挠度及内外片玻璃挠度差变化很小，不到1%。从图7和图8可得，在面外均布荷载作用下，随着弹性垫片厚度的变化，内外片玻璃板的最大应力基本保持不变。因此，在实际工程中可以不考虑弹性垫片厚度变化对内外片之间外力分配比例的影响。在满足构造要求的前提下，可选择厚度小的弹性垫片，节省工程成本。
3 内外片玻璃摩擦作用对双层U形玻璃受力性能的影响
取弹性垫片和玻璃之间的摩擦系数为0.3，对双层U形玻璃在面外荷载作用下的受力性能进行有限元分析，并与无摩擦情况和外片玻璃理论计算值进行比较，计算单元中间双层U形玻璃分析结果见表1、表2。
由表1、表2可知，考虑弹性垫片与玻璃之间的摩擦作用时，外片玻璃挠度及最大应力比不考虑摩擦作用时要小，且随着荷载的增加，差值逐渐增大，面外荷载0.5 kPa时相差1.37%，面外荷载2.0 kPa时相差3.55%。这是因为随着荷载的增加，内外片玻璃间摩擦作用增强，提高了内外片玻璃之间的受力协调作用。与按荷载分配的单片理论计算结果相比，按整体截面的有限元计算的外片玻璃挠度及最大应力比理论计算结果小，不考虑弹性垫片与玻璃之间的摩擦作用时，外片玻璃挠度相差不到3.7%，最大应力相差不到3.5%;而考虑弹性垫片与玻璃之间的摩擦作用时，面外荷载从0.5 kPa变化到2.0kPa时，外片玻璃挠度相差达4.71%到7.13%，外片玻璃最大应力相差达4.51%到6.74%。说明按荷载分配的单片理论计算结果偏保守。
4 总结与结论
(1)弹性垫片厚度变化对内外片玻璃外荷载分配比例的影响很小，实际工程中可忽略弹性垫片的影响。在满足构造要求的前提下，可选择厚度小的弹性垫片，节省工程成本。
(2)考虑弹性垫片与玻璃之间的摩擦作用时，外片玻璃挠度与最大应力比不考虑摩擦作用时要小，且随着荷载的增加，差值逐渐增大，弹性垫片与玻璃之间的摩擦作用对双层U形玻璃内外片玻璃协调受力具有有利影响。
(3)本文分析时弹性垫片与玻璃之间的摩擦系数假定为0.3，实际摩擦系数还需要实验的验证。
参考文献
[1] 原悦红,林惠鞍.U形玻璃采光窗在工业建筑中的应用.建筑技术,2006;37(9):672—673
[2] 顾一稼,傅炜,王勤.U型玻璃的应用.新型建筑材料,2003;(9):35—36
[3] 肖磊,何巍,周励强.U形玻璃幕墙在某工程中的应用.施工技术,2011;(4):63—65
[4] 建材行业标准JC/T 867-2000,建筑用U形玻璃.北京:中国标准出版社,2000
[5] 石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解.北京:机械工业出版社,2006
[6] 徐艳华,王明月.框支承玻璃幕墙有限元分析.建筑技术与应用,2007;(9):1—2