雙層玻璃幕墻節(jié)能研究綜述及探討

方鈴

【摘 要】為了提高傳統(tǒng)玻璃幕墻的保溫隔熱性能，更大限度的減少建筑能耗，本篇文章提出了一種新型的玻璃幕墻技術(shù)——雙層玻璃幕墻。這種玻璃幕墻不僅構(gòu)造形式美觀，而且在提高熱工性能，減少建筑能耗方面也有著較大的潛力。針對這一點，本文對其設(shè)計理念和設(shè)計目的作簡要介紹，并著重分析和探討了雙層玻璃幕墻的熱工性能，得出相關(guān)結(jié)論，供同行參考借鑒。

【關(guān)鍵詞】玻璃幕墻；雙層玻璃幕墻；節(jié)能；建筑能耗；節(jié)能設(shè)計；探討

自綠色經(jīng)濟(jì)和綠色建筑被提出以來，節(jié)能減排問題在建筑行業(yè)所受到的重視便更甚。從建筑設(shè)計到建筑施工，直至使用，無一不在提倡節(jié)能。當(dāng)前，在我國各大城市的高級商業(yè)建筑中，玻璃幕墻幾乎已成為其建筑立面設(shè)計的統(tǒng)一選擇。然而傳統(tǒng)的玻璃幕墻在實際使用時，其保溫隔熱性能并不能達(dá)到預(yù)期效果，甚至還在一定程度上增加了建筑的供熱和降溫能耗，與目前所提倡的建筑節(jié)能理念不符。為了改善這一狀況，本文在原玻璃幕墻的設(shè)計基礎(chǔ)上提出了一種新型的玻璃幕墻技術(shù)，即雙層玻璃幕墻技術(shù)。

下面對該玻璃幕墻的設(shè)計、設(shè)計特點以及熱工性能等相關(guān)內(nèi)容作主要探討。

1.雙層玻璃幕墻設(shè)計

雙層玻璃幕墻，英文簡稱DSF，該設(shè)計理念和構(gòu)造形式的最早出現(xiàn)時間是上世紀(jì)70年代，地點是歐洲。作為一種較為新型的玻璃幕墻形式，其設(shè)計的主要目的是為了解決建筑物使用了傳統(tǒng)的大面積玻璃幕墻后，所出現(xiàn)的夏季過熱、冬季過冷、建筑高層通風(fēng)不良以及難以清洗等多種問題。簡單來說，雙層玻璃幕墻是在傳統(tǒng)的大面積玻璃幕墻的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，同時也是解決大面積玻璃幕墻實用問題的一種解救方法。

其解決問題的主要方法是：在建筑物原有的玻璃幕墻外面再次增設(shè)一層玻璃幕墻，但兩層玻璃幕墻之間要注意預(yù)留百葉夾層，通過百葉夾層來實現(xiàn)夏季隔熱、冬季保溫。夏季，關(guān)閉百葉，利用百葉的遮擋來隔絕熱量，而夾層所具有的通風(fēng)功能會將幕墻內(nèi)過多的熱輻射排走，起到隔熱防輻效果；而冬季，打開百葉的同時關(guān)閉夾層通風(fēng)，一來可接受和吸收外界熱量，二來可保證室內(nèi)熱量不向外流失，形成溫室效應(yīng)，并達(dá)到冬季保溫的目的。這樣一來，建筑的室內(nèi)溫度將由雙層玻璃幕墻來作合理、適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，不需要再在室內(nèi)安裝空調(diào)，從而達(dá)到了減少建筑空調(diào)能耗的目的，實現(xiàn)了建筑節(jié)能。

2.雙層玻璃幕墻的熱工性能研究

目前關(guān)于DSF熱工性能的研究主要見諸國外文獻(xiàn)中，歸納起來主要有三個方面：基本傳熱研究、與建筑運行模式結(jié)合的研究以及全壽命周期分析。

2.1基本傳熱過程分析

研究表明，DSF的傳熱過程非常復(fù)雜，包括長短波輻射、對流以及導(dǎo)熱等，同時受幕墻結(jié)構(gòu)、室外氣候條件和室內(nèi)環(huán)境控制的影響。目前有很多數(shù)值方法和實驗方法用于對DSF中的流動和傳熱過程的研究，比如：國外某研究人員用代數(shù)方程計算分析了DSF內(nèi)溫度場和速度場特點，指出自然對流計算中采用湍流流態(tài)下得到的阻力系數(shù)可能會產(chǎn)生錯誤，為設(shè)計人員提供了一種簡易快捷的分析工具等等。

2.2與建筑運行模式結(jié)合的研究

2.2.1自然通風(fēng)模式

除了良好的隔聲效果外，DSF系統(tǒng)最大的優(yōu)勢就是具有自然通風(fēng)能力。出于隔聲、防盜、防風(fēng)和防雨考慮，普通幕墻建筑不得不常年關(guān)閉窗戶，不僅增加了建筑能耗，而且使室內(nèi)空氣質(zhì)量惡化，危害室內(nèi)人員的身心健康。在1990年以后，全球變暖的現(xiàn)實使得自然通風(fēng)更加受到重視，有研究表明，如果能采用自然通風(fēng)，室內(nèi)舒適溫度可以明顯提高。因此詳細(xì)研究DSF的通風(fēng)問題有實際意義。

目前DSF通風(fēng)研究主要基于兩種方法，一種是對已經(jīng)建成的建筑進(jìn)行常年監(jiān)測，分析其自然通風(fēng)特點，積累設(shè)計和運行經(jīng)驗。這些結(jié)果不僅有利于指導(dǎo)建立數(shù)學(xué)模型，而且可以指導(dǎo)工程設(shè)計。另一種方法是建立理想建筑模型，采用軟件模擬在不同室外氣候條件和幕墻結(jié)構(gòu)下的通風(fēng)特點，據(jù)此制定通風(fēng)策略。荷蘭學(xué)者的研究結(jié)果表明，簡單的夜間機(jī)械通風(fēng)能降低40%的裝機(jī)容量和能耗，如果考慮采用可控窗戶以及天氣預(yù)測系統(tǒng)，節(jié)能潛力將達(dá)到70%。自然通風(fēng)是DSF節(jié)能潛力的關(guān)鍵，但是考慮室外氣候變化的復(fù)雜性，DSF的自然通風(fēng)性能仍然是今后研究的重點和難點。

2.2.2空調(diào)模式

對于大部分的建筑，需要結(jié)合幕墻、HVAC和控制三方面綜合分析，利用商業(yè)能耗模擬軟件和根據(jù)網(wǎng)絡(luò)法原理編程計算。相關(guān)研究人員對這三個方面在不同組合情況下的綜合性能進(jìn)行了析，對于窗戶、閥門和百葉制定不同的控制原則和優(yōu)先等級，對于各種組合均從空調(diào)系統(tǒng)能耗和裝機(jī)容量兩個方面進(jìn)行分析。模擬表明，雖然DSF初投資高，但是由此帶來的低HVAC裝機(jī)成本以及運行成本可以彌補DSF的高投資。某一研究人員對中國夏熱冬冷氣候條件下DSF的熱工性能作了大量實驗研究，提出外循環(huán)式更適宜這種氣候，而夾層寬度以400 mm為宜，夏季通風(fēng)應(yīng)以風(fēng)壓為主而不是熱壓，遮陽百葉以及內(nèi)外幕墻比較理想的材料分別是穿孔的鋁合金和高透玻璃。

2.3全壽命周期分析研究

盡管DSF系統(tǒng)初投資比普通幕墻高很多，但是帶來的制冷機(jī)裝機(jī)容量減少以及可能的能耗降低卻非常顯著，同時由此可能帶來整體排放量的降低，因此從全壽命周期的角度進(jìn)行分析是非常必要的。

目前從全壽命周期分析（特別是全年建筑能耗分析）角度研究DSF的還很少，主要研究指標(biāo)包括全壽命經(jīng)濟(jì)分析和全壽命溫室氣體排放量。在雙層幕墻系統(tǒng)中，最節(jié)能方案比最費能方案節(jié)能33.9%；投資最高方案比投資最低方案在全壽命周期內(nèi)節(jié)省費用7.7%。采用遮陽技術(shù)有利于減少建筑能耗和投資。從綜合經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響兩方面來看，雖然高性能窗在全壽命周期中給環(huán)境造成的影響稍大，但是和它帶來的節(jié)能效果相比微不足道。

現(xiàn)階段，世界各國還尚未研究出一種實際、可行的，且可以將DSF建筑在一年內(nèi)所消耗的所有能源作準(zhǔn)確、全面計算的計算方法，本文認(rèn)為，其計算方法無法被研究出來的主要原因如下：

（1）在雙層玻璃幕墻建筑的使用中，熱量的傳遞方式極為復(fù)雜，傳導(dǎo)、對流和輻射三種傳熱方式相互交叉、重疊，甚至耦合，這使得熱量的計算工作無法進(jìn)行。

（2）建筑能耗所受到的影響因素比較多，且各種因素間的關(guān)聯(lián)性比較強，比如：設(shè)置于雙層玻璃幕墻中的遮陽百葉，其角度改變之后，建筑室內(nèi)的熱輻射、雙層玻璃幕墻中的對流轉(zhuǎn)換熱量等都可能隨之作出相應(yīng)的改變，進(jìn)而引起一系列連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致建筑室內(nèi)的供熱或制冷需求也隨之發(fā)生改變，影響建筑能耗。

（3）如果要對DSF建筑的全年能耗作全面、準(zhǔn)確的計算，往往需要借助一些先進(jìn)的動態(tài)能耗虛擬軟件。但是在使用動態(tài)虛擬軟件進(jìn)行計算時，軟件工作中所需要設(shè)置的相關(guān)參數(shù)并不是根據(jù)經(jīng)驗便可進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)置的，還要借助其他的輔助手法，比如CFD模擬、風(fēng)洞試驗等。而鑒于這一類輔助手法的實際執(zhí)行難度較大，所以往往不予采取。

3.結(jié)束語

綜上所述，雙層玻璃幕墻作為一種新興的幕墻形式，相比于傳統(tǒng)的玻璃幕墻，其在減少建筑能耗、提高熱工性能等方面的潛力是相對較大的。通過本文所作論述，可以認(rèn)為：雙層玻璃幕墻可在建筑立面設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用和推廣，其所具有的保溫、隔熱、通風(fēng)、隔聲、防輻射、防眩光等多種功能均與建筑行業(yè)所提倡的節(jié)能減排理念相符合。因此在建筑節(jié)能設(shè)計中，可以適當(dāng)引進(jìn)雙層玻璃幕墻設(shè)計理念，并針對建筑類型的不同，慎重選擇雙層玻璃幕墻形式，以便其熱工性能得到最大限度的發(fā)揮，從真正意義上實現(xiàn)建筑節(jié)能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王強，黃義龍，曹芹.夏熱冬冷地區(qū)“雙層皮”玻璃幕墻節(jié)能技術(shù)研究[J].節(jié)能技術(shù)，2006（01）.

[2]劉晶晶，林波榮，秦佑國.雙層玻璃幕墻節(jié)能輔助設(shè)計方法探討[J].華中建筑，2006（05）.