双层通风幕墙论文（精选7篇）
双层通风幕墙论文 篇1
摘要：阐述了被动式双层通风玻璃幕墙的构成特点及其传热机理,对通风幕墙的抗火性能进行了分析,并与普通中空幕墙作了保温、隔热性能比较,通过对双层通风幕墙经济价值的计算,从而确定了通风玻璃幕墙的可行性。
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].
[5]曾晓武,张宏.通风式双层幕墙的检测结果与节能分析[J].建筑科学,2003(6):43-44.
双层通风幕墙论文 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.
双层幕墙原理及其特点浅析 篇3
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4
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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双层玻璃幕墙构造及其节能措施 篇5
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
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[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.
双层通风幕墙论文 篇6
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;
双层玻璃幕墙研究进展及工程应用 篇7
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。