雙層玻璃幕墻隔熱保溫的具體途徑研究

夏金紅，王攀登，李培培，夏艷紅，楊宏偉

（安徽麥吉幕墻設(shè)計有限公司，安徽 合肥230041）

1 研究背景

能源是人類社會得以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，但在經(jīng)濟高度發(fā)達(dá)的今天，能源危機的陰影一直籠罩著人們。同時，自從20世紀(jì)五、六十年代以來，臭氧層破壞、溫室效應(yīng)、酸雨等系列全球性環(huán)境問題日益突出。人們已逐步認(rèn)識到保護我們賴以生存的地球環(huán)境是關(guān)系到人類生死存亡的迫切任務(wù)。節(jié)約能源和保護環(huán)境已成為當(dāng)前人類社會尋求可持續(xù)良性發(fā)展的主題之一。在發(fā)達(dá)國家，建筑物消耗了國家主要消費能源的40%～50%，而其中的2/3～3/4卻是出于建筑師“自由創(chuàng)作”的“貢獻(xiàn)”。如今，生態(tài)建筑的興起正掀起了一輪基于生態(tài)理念的建筑節(jié)能研究。

中國的氣候較世界其他同緯度地區(qū)差，夏季比同緯度其他地區(qū)更熱，冬季比同緯度其他地區(qū)更冷，而中國夏熱冬冷地區(qū)的氣候更是極端。由于經(jīng)濟條件和國家能源政策的限制，長期以來，夏熱冬冷地區(qū)的建筑設(shè)計無法適應(yīng)地域氣候特點，身陷“兩難”的局面（夏季無法充分防熱，冬季無法充分御冷）。當(dāng)前建筑設(shè)計向可持續(xù)性發(fā)展的一個明顯趨勢是從以前的密集型技術(shù)裝置到高效圍護結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。與三北地區(qū)和南方地區(qū)相比，適應(yīng)氣候變化的建筑表皮對夏熱冬冷地區(qū)具有更加重要的意義。

建筑的表皮在當(dāng)前愈來愈受到關(guān)注，但一般只是作為表面形式加以塑造，因而忽視了建筑表皮作為室外氣候和室內(nèi)小環(huán)境的過濾器和緩沖層，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。在極端氣候共存的夏熱冬冷地區(qū)，建筑表皮更加需要適應(yīng)性、可操作性的概念。

提到雙層皮玻璃幕墻，就會經(jīng)常說其作為建筑表皮無論是在夏季還是在冬季都有很好的隔熱保溫性能。同溫室相似，雙層皮玻璃幕墻空腔間層的緩沖作用能夠節(jié)省大量的能源。本文是通過夏熱冬冷地區(qū)外圍護表皮體系（區(qū)別于內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系），即單、雙層皮玻璃幕墻和雙層皮玻璃幕墻之間的室內(nèi)熱環(huán)境實驗比較，總結(jié)夏熱冬冷地區(qū)雙層皮玻璃幕墻的技術(shù)對御寒防熱的效果[1]。

2 理論技術(shù)路線

雙層皮玻璃幕墻是由內(nèi)、外層玻璃，空腔間層及相關(guān)配件等技術(shù)手段共同組成的一個可動態(tài)適應(yīng)氣候環(huán)境的建筑外圍護體系。其主要強調(diào)的是對氣候的動態(tài)適應(yīng)性，區(qū)別于“智能外圍護結(jié)構(gòu)”所側(cè)重的“主動控制”的特征。

從技術(shù)層面來說，雙層皮玻璃幕墻包括緩沖體系、抽風(fēng)體系和呼吸體系，其中，呼吸體系（像皮膚一樣對環(huán)境敏感應(yīng)變和自我控制調(diào)節(jié)的新雙層皮玻璃幕墻技術(shù)）與眾不同之處在于其內(nèi)外皮上均開口，根據(jù)外部氣候變化和室內(nèi)熱環(huán)境變化進(jìn)行自然通風(fēng)，實現(xiàn)外墻呼吸的功能。自然通風(fēng)既可以避免空腔層出現(xiàn)高溫，又可進(jìn)行夜間自然冷卻降溫，并允許使用者依據(jù)自己的需要進(jìn)行通風(fēng)，減少辦公建筑綜合癥的發(fā)生。

“夏熱”問題的主要矛盾是太陽輻射（由直射、散射及環(huán)境反射組成），其中陽光直射得熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于漫射得熱量。玻璃是一種幾近完美的太陽能短波透射材料，但會過濾大部分太陽長波輻射，所以不可能把總輻射透射降低到50%以下而不影響光透射。且玻璃具有較低的熱傳導(dǎo)率（1.42 W/m·℃），室外較高的氣溫通過傳導(dǎo)對室內(nèi)熱環(huán)境的影響相對較小。對于標(biāo)準(zhǔn)單層皮玻璃幕墻，由于玻璃的光透射性質(zhì)，太陽可見輻射進(jìn)入室內(nèi)后，室內(nèi)遮陽雖然反射了部分直射光，但是遮陽構(gòu)件吸收及反射的熱量形成熱輻射，無法穿透玻璃，造成室內(nèi)過熱。而標(biāo)準(zhǔn)雙層皮玻璃幕墻的層間遮陽構(gòu)件吸收及反射形成的熱輻射，被內(nèi)層玻璃阻隔，通過空腔氣流，帶出室外（西向單層皮玻璃幕墻室內(nèi)太陽總輻射峰值達(dá)62 W/m2，而雙層皮玻璃幕墻僅有15 W/m2），實現(xiàn)室外氣候和室內(nèi)小環(huán)境的過濾器和緩沖層作用。在高溫的夏季，持續(xù)烘烤的西向比其他方向更能體現(xiàn)雙層皮玻璃幕墻通風(fēng)空腔的緩沖效應(yīng)帶來的防熱差異。其一，雙層皮玻璃幕墻空腔與室外的持續(xù)高溫差（峰值溫度差高達(dá)5℃）有助于氣流循環(huán)和熱量交換；其二，雙層皮玻璃幕墻對太陽直接輻射能的遮擋效率明顯要高?？偟膩碚f，在保證雙層皮玻璃幕墻實驗房空腔間層較好的通風(fēng)條件下，雙層皮玻璃幕墻在各個朝向均有較好的防熱優(yōu)勢，尤其是西向。對于玻璃幕墻建筑，在不使用特殊玻璃（降低K值），不使用主動設(shè)備的情況下，僅采用建筑構(gòu)造的辦法（雙層皮玻璃幕墻）就能大大降低夏季室內(nèi)溫度以及玻璃內(nèi)表面溫度。這對夏熱冬冷地區(qū)玻璃幕墻建筑的節(jié)能產(chǎn)生直接的影響。

3 雙層玻璃幕墻結(jié)構(gòu)改進(jìn)對受熱影響分析

雙層玻璃幕墻又稱呼吸式玻璃幕墻或熱通道幕墻[2]，其分為三個部分，分別為外層幕墻、內(nèi)層幕墻、中間層；一般外層幕墻采用單層或者夾層玻璃結(jié)構(gòu)，中間層為空氣層，一般有300～2 000 mm寬度，內(nèi)層一般采用雙層中空玻璃。玻璃幕墻性能最重要的一個評價指標(biāo)——隔熱。熱量的傳遞有3種方式，分別為導(dǎo)熱、對流換熱、輻射換熱；采用雙層中空玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)，可以最大程度地減少外界輸入的導(dǎo)熱熱量。中空結(jié)構(gòu)可以增大對流換熱量，但是，該結(jié)構(gòu)輻射換熱量并沒有降低。因此，光從導(dǎo)熱與對流的途徑降低傳熱是不夠的，必須同時從導(dǎo)熱、對流與熱輻射三個途徑采取措施確保幕墻的隔熱效果。

本文主要采用在基礎(chǔ)的雙層中控結(jié)構(gòu)玻璃幕墻的中間層內(nèi)加裝遮陽簾與調(diào)整進(jìn)出風(fēng)口的大小兩個途徑來滿足人們在夏季與冬季對玻璃幕墻隔熱性能的要求。

3.1 夏季1（雙層幕墻結(jié)構(gòu)）

“夏熱”問題的主要矛盾是太陽輻射（由直射、散射及環(huán)境反射組成）其中陽光直射得熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于漫射得熱量。對于標(biāo)準(zhǔn)單層皮玻璃幕墻，由于玻璃的光透射性質(zhì)，太陽可見輻射進(jìn)入室內(nèi)后，室內(nèi)遮陽雖然反射了部分直射光，但是遮陽構(gòu)件吸收及反射的熱量形成熱輻射，無法穿透玻璃，造成室內(nèi)過熱。而標(biāo)準(zhǔn)雙層皮玻璃幕墻的層間遮陽構(gòu)件吸收及反射形成的熱輻射，被內(nèi)層玻璃阻隔，通過空腔氣流，帶出室外（單層皮玻璃幕墻室內(nèi)太陽總輻射峰值達(dá)62 W/m2，而雙層皮玻璃幕墻僅有15 W/m2），實現(xiàn)室外氣候和室內(nèi)小環(huán)境的過濾器和緩沖層作用。

普通雙層玻璃結(jié)構(gòu)幕墻傳熱過程如圖1所示，室外的熱量通過太陽輻射、對流傳熱與導(dǎo)熱進(jìn)入中間層，中間層是中空結(jié)構(gòu)，里面存在對流換熱，外界的通過輻射與對流傳熱中間層的熱量被中間層內(nèi)部的對流換熱形式帶出建筑物外墻，減少外界熱量輸入建筑物外墻，仍然有很大一部分熱量通過輻射換熱直接進(jìn)入建筑物外墻，從而改變室內(nèi)溫度。

圖1 普通雙層玻璃結(jié)構(gòu)幕墻傳熱過程示意圖

3.2 夏季2（雙層玻璃幕墻+遮陽簾結(jié)構(gòu)）

通過在雙層玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的中間層中增加遮陽簾，避免陽光直射建筑物外墻，可以減少外墻的輻射換熱，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

從圖2中可以看出，夏季時候，中間層增加遮陽簾后，陽光輻射熱量直接傳遞在遮陽簾上，并未進(jìn)入建筑物外墻中，在遮陽簾中的熱量，被中間層內(nèi)的空氣對流帶走，減少傳遞給建筑外墻的熱量。通過增大中間層的空氣流量，達(dá)到降溫中間層的目的。增加遮陽簾的主要目的是大大減小了輻射換熱，使建筑物外墻的溫度受外界溫度的影響大大降低[3]。

圖2 夏季遮陽簾放下時幕墻傳熱示意圖

3.3 夏季3（呼吸系統(tǒng)循環(huán)方式）

呼吸系統(tǒng)的循環(huán)方式主要分為內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)。內(nèi)循環(huán)是指與室內(nèi)通風(fēng)相連，外循環(huán)是指與外界大氣相連。

在夏季時候，主要是防熱，將室內(nèi)的熱量釋放到外界中，避免室內(nèi)蓄熱，所以要選擇外循環(huán)。

3.4 冬季1（不使用遮陽簾）

冬季時候，外界溫度低，室內(nèi)需要保溫，減少熱量的損失，減小通風(fēng)口通風(fēng)面積，減少通風(fēng)量，收起遮陽簾，如圖3所示，讓外界的陽光直射外墻上，從而吸收更多的輸入熱量，降低室內(nèi)熱量的損失。

圖3 冬季遮陽簾收起時幕墻傳熱示意圖

3.5 冬季2（循環(huán)方式）

冬季白天溫度高，晚上溫度低。較小的保溫空腔有利于延長冬季夜間室內(nèi)向室外的放熱時間。結(jié)合這一實際情況，需要在冬季的白天進(jìn)行蓄熱，冬季晚上進(jìn)行保溫。在冬季的白天，打開內(nèi)循環(huán)，有利于提高室內(nèi)空氣溫度；在冬季夜間，無氣循環(huán)則有利于室內(nèi)溫度的保溫。

3.6 通風(fēng)口的設(shè)置

一般而言，在夏季，玻璃和遮陽簾吸收熱量，幕墻內(nèi)部溫度高于室溫，開啟外層玻璃的上下風(fēng)口形成外循環(huán)氣流，利用自然通風(fēng)或機械通風(fēng)帶走其中熱量，可以減少進(jìn)入室內(nèi)的熱量，降低制冷負(fù)荷。冬季收起遮陽簾，冬季白天需要蓄熱，打開內(nèi)循環(huán)通風(fēng)口，關(guān)閉外循環(huán)通風(fēng)口，最大程度吸收熱量；冬季的晚上將內(nèi)外通風(fēng)口全部關(guān)閉，空腔封閉以隔熱，從而減少向室外的熱損失。在過渡季節(jié)，為有效利用自然風(fēng)，開啟外側(cè)玻璃上風(fēng)口、內(nèi)側(cè)玻璃下風(fēng)口，或者開啟外側(cè)玻璃下風(fēng)口、內(nèi)側(cè)玻璃的上風(fēng)口，從而形成斜對角氣流。

通過《傳熱學(xué)》與《流體力學(xué)》的知識可知，在夏季時候，應(yīng)該采用外循環(huán)模式，放下遮陽簾，減少熱量向室內(nèi)傳遞；在冬季時候，要關(guān)閉通道，收起遮陽簾，減少室內(nèi)熱量向外界傳遞；春秋季時候，室內(nèi)外溫度相差不大，主要打開斜對角氣流模式，對室內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)換氣。換熱結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 換熱結(jié)構(gòu)

4 高層建筑玻璃幕墻結(jié)構(gòu)選擇

采用遮陽簾結(jié)構(gòu)比單純的雙層中空結(jié)構(gòu)更具有保溫性能，可以很好地降低輻射換熱，避免太陽直射室內(nèi)墻壁，造成室內(nèi)升溫。

通過改變通的風(fēng)道運行模式，可以在一定程度上做到隔熱保溫，在炎熱的夏季，主要時通過增大外循環(huán)通風(fēng)量，將熱量帶離幕墻，起到對室內(nèi)的保溫；在寒冷的冬季，主要是關(guān)閉外循環(huán)，或者開啟內(nèi)循環(huán)，減少室內(nèi)熱量的散失，此外，玻璃幕墻使用的效果影響因素眾多，包括輻射中涉及的外墻著色、遮陽材料，建筑物朝向等，都不在本文討論范圍內(nèi)，然而這些因素也實實在在地影響著幕墻的整體使用效果，降低能源消耗。從傳熱原理+結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合的角度出發(fā)，會使玻璃幕墻的使用效果大大提升，加快設(shè)計理念的更新，提供一個更適合人類居住的環(huán)境。