浅谈北京新源大厦双层呼吸式幕墙外循环系统.doc

打造技术制高点 实现可持续发展浅谈北京新源大厦双层呼吸式幕墙外循环系统武汉凌云建筑装饰工程有限公司一、 前 言作为现代社会中的重要资源，能源已经日益显现出它的珍贵性。在发达的工业化国家，建筑物消耗了近40%的能源，经过粗略的估算，其中的2/3 3/4本可通过正确的建筑措施节省下来。我国能源结构不合理，能耗消费总量已达世界第二，能源生产与供应将会成为突出矛盾，极大地制约了我国经济的发展。长期以来，夏热冬冷地区的建筑在保温、隔热、通风条件方面较差，人们为了解决夏季降温和冬季取暖的问题，不得不采用空调设施。当空调与暖气逐渐走入家庭为我们带来室内局部舒适的同时，能耗问题、污染问题、城市热岛问题出现并迅速加剧。北京气候属于暖温带半湿润半干旱季风气候。冬季寒冷，夏季较为炎热，月平均最高温度超过30C，平均昼夜温差较大，平均达15C，（年极端最高气温般在3540C之间，而年极端最低气温一般在1420C之间）；降水丰沛，明显集中于夏季3个月，偶有暴雨发生，冬春季比较干燥，夏秋季较为湿润，夏季多云；春季及深秋有大风，春季偶有沙尘暴发生。因而北京在一定程度上具有中国夏热冬冷地区的气候特点：夏季更热，冬季更冷，同时具有两种极端气候的特征。另外，北京具有干热气候特点以及春季防沙尘暴的要求。建筑幕墙在当前越来越受到关注，但一般只是作为设计手法的重要对象，忽视了建筑幕墙是影响室内热舒适度和建筑能耗的重要因素和关键部位。夏热冬冷地区建筑同时面对冬、夏两种极端气候，单一的材料无法同时满足对冬季保温和夏季防热、隔热的要求。在极端气候共存的北京，玻璃幕墙更加需要适应性、复合性。北京新源大厦一期工程（现改称北京公馆），是一幢集居家、商务、休闲于一体的高档住宅楼，由德国GMP建筑设计有限责任公司设计，北京千禧房地产开发有限公司承建。该项目建筑面积6.6339万平方米，楼高82.3米，共26层。针对北京的气候特点，以及节能、环保等多方面的需求，本工程的幕墙形式选用先进的双层外循环呼吸式幕墙（也称为双层皮外循环呼吸式幕墙）。该双层幕墙及其中间的水平遮阳系统，作为一个立面构图元素，丰富了整个立面。平面每隔三层退近，形成周围的室外平台，强调了建筑水平线条并构成了极强的韵律感，建筑的东西两塔顶部楼层以三层为单位，逐步跌落，形成退台，使原本庞大的建筑体显得错落有致。 北京新源大厦双层幕墙示意图二、当前国内双层玻璃幕墙存在的问题照片1 北京某会计学院双层皮外立面某大厦双层幕墙在当前生态建筑技术领域成为重要的关注话题，并且在大多数欧洲国家得到了广泛的推广和运用。但针对性地从“双层玻璃幕墙的表皮气候适应性”角度进行研究或是节能设计在中国尚处在萌芽阶段。仅有的几座在国内建成的双层幕墙建筑只是走“双层皮”时髦概念的路线，缺乏对双层皮的生态层次的理解和掌握。如北京某会计学院：空腔间层间距和通风口面积过小，造成通风不利，且缺乏有利的防热措施，易引发室内过热（见照片1）。北京某大型公寓：风口进、出风不畅和通风模式选择不当，不利于室内外空气对流（见照片2）。上海某大厦：幕墙开启方式和室内外气流环流模式不当引发夏季室内过热（见照片3）。 照片2 北京某大型公寓双层皮通风口构造 照片3 上海某大厦双层皮内层表皮三、“双层皮”玻璃幕墙试验技术成果总结2002年夏冬两季和2003年夏天，华中科技大学建规学院李保峰教授及其研究生与武汉凌云建筑装饰工程有限公司合作，进行了双层玻璃幕墙相关系列实验（见照片4）。实验系统深入研究了不同遮阳状况、通风状况、朝向状况、淋水使用状况、空调使用状况对玻璃幕墙实验体室内热环境和能耗的影响。实验证明，通过设计合理的通风口，加上有效的遮阳以及正确的使用方式，可以明显降低夏天室内空气气温和玻璃表 照片4 “双层皮”玻璃幕墙生态实验站面温度。具体如下：朝向系列：朝向系列检验双层皮玻璃幕墙面向环境的热适应性。实验表明：双层皮玻璃幕墙在四个朝向均有较好的热工性能（双层间遮阳的双层皮相对于采取内遮阳的单层皮），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。值得考虑的是：“单双层皮”构造为何在不同的朝向会有如此大的温差？南向实验室内温差有6度，北向实验室内温差也有45度,而西向实验竟达17度之多。传统的“单层皮”玻璃幕墙的维护结构为一层玻璃，由于玻璃的通透性，夏季阳光直射到室内，直接产生温室效应，造成室内过热。而“双层皮”玻璃幕墙不同于传统的单层幕墙,它由内外两道幕墙组成。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它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“双层皮”玻璃幕墙比传统的“单层皮”玻璃幕墙具有更佳的热工性能。在夏热冬冷地区，“双层皮”玻璃幕墙会直接降低空调的使用时间，不仅节约了能源，又有利于生态环境。遮阳系列：其一，测试改变基本遮阳位置对玻璃幕墙防热条件的影响。实验表明：遮阳状况的有无和好坏，是影响“双层皮”玻璃幕墙室内热环境的关键因素。而其中遮阳的位置是“双层皮”玻璃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。在有通风的前提条件下，双层皮双层间遮阳的效果要比其它遮阳方式的效果好，不仅降低了室内空气温度，而且减少了遮阳构件所占用的建筑室内使用面积，实现了在节能的前提下保持了光洁建筑物表面的设计初衷，没有做任何热防护的“单层皮”玻璃幕墙的隔热效能则最差。值得注意的是在没有通风的情况下，双层间遮阳的双层皮的综合相对U值要高于外遮阳的单层皮，也就是说前者不能保证较好的通风时，其空腔间层的烟囱效应无法发挥作用，隔热效能相反不行。因而，对“双层皮”玻璃幕墙而言，除了正确设计以外，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“双层皮”玻璃幕墙在夏季不可或缺的条件。其二，测试相同遮阳装置在空腔中位置变化导致的防热效果。实验表明：双层皮空腔间层遮阳位置的微调是“双层皮”玻璃幕墙的遮阳防热设计的再延续。遮阳装置越是靠近内层玻璃，内层玻璃外表面升温越快，直接向室内传热的传热量也就越大。同时遮阳装置和玻璃之间的空间间距越小，其容纳空气的携热能力越低，空气升温越快，也直接影响到室内的热环境。因而，在遮阳装置后面的通风换气层对于保证室内不出现过热现象尤为重要，特别是采用封闭式内循环空气环流的双层皮玻璃幕墙。双层间遮阳位置选择靠近外层玻璃内皮，且处于空腔1/3处较为有利，并且要求遮阳位置距内皮最少15cm。其三，通过测试不同遮阳装置的防热效果。实验表明：不同的遮阳构造材料，因为对太阳辐射吸收率、透过率、反射率的不同而表现出不同的隔热效能。遮阳布由于反射率较高（表面有特制的防辐射层），透过率最小，其隔热效能最好，但是遮阳布以牺牲室内照度及视线为代价。木活动百叶遮阳较薄金属活动百叶遮阳帘、塑料活动百叶遮阳具有一定的蓄热能力，透过率也较低，隔热效能相对要好，但要注意木活动百叶遮阳自重较大，提升不便的特点。薄金属活动百叶遮阳帘较轻，方便操作，但易受风压的影响而产生噪声，在高层办公环境中不利。塑料活动百叶遮阳由于各方面性能都相对较差，隔热效能则差一些。因而，遮阳应结合实际情况采取相应的遮阳材料。甚至根据材料某些特点以修正、改变其太阳辐射吸收率、透过率、反射率，从而达到理想的隔热效能。另外，采用活动遮阳，可以根据需要控制太阳辐射量和进光量，具有较好的灵活性和适应性。通风系列：其一，通过测试通风和空腔内温度、玻璃表面温度和室内热环境的关系。实验表明：通风状况的好坏，是影响“双层皮”玻璃幕墙空腔间层和室内热环境的基本因素。由于通风的原因（A房风速峰值达0.37m/s），A房空腔内二次辐射热较快地从出风口导出，B房却因为风口关闭无法带走热量。可以看到A房空腔内温度明显比B房低6度左右。由此影响到内层玻璃外表面和内表面温度，A房与B房内层玻璃外表面温度差大约45度，而A房内表面的温度也始终是比B房低，只是绝对数值差没有外表面的大。这又直接影响到室内温度。显然有通风的“双层皮”比无通风的在夏季具有更佳的防热能力。在夏天强烈的阳光辐射下，“双层皮”玻璃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“双层皮”玻璃幕墙空腔间层良好的通风条件，是发挥“双层皮”玻璃幕墙优越性的关键所在。其二，通过测试通风模式与室内热环境的关系。实验表明：在箱体式“双层皮”玻璃幕墙中，夏季外立面通风的面积直接影响空腔和室内的热环境。对于箱体式“双层皮”玻璃幕墙，高度有限，若不加大进出风口的开启面积，那么热压作用产生的通风效应则会更小。在四种通风模式当中，上下风口开启通风模式的通风面积最大，气流环流最为便捷，其空腔间层的通风效果最好，影响室内的防热效果也是最好。所以，在不影响幕墙的光洁外立面和空腔热压作用的情况下，应加大风口开启面积，提高外立面整体通风面积，并且在通风线路上力求短捷，减少气流短路的可能性。不过，因为不同通风模式对室内热环境的影响相对于对空腔换气层的影响来说要小的多，因而在考虑整体幕墙风口的气流短路和楼层之间声音干扰问题时，错位通风模式仍不失为一个好的选择。在幕墙外部风压较大和室内对隔音要求不高的时段里，开启所有通风百叶加强空腔内气流环流，提高空气换气量；在室外静风和太阳辐射较强的时段里，利用对角线模式（即错位通风模式）避免进出气流短路，充分发挥热压作用，实现空腔与室外的换热过程。淋水系列：通风系列实验的目的是测试淋水立面对防热的影响。实验表明：淋水立面直接影响玻璃幕墙外表皮的表面温度，并对降低室内温度产生积极的影响。双层间有遮阳 “双层皮”玻璃幕墙在有淋水和无淋水状况下的外表皮温度差有13度之多，影响到室内其温度差也有45度。所以在夏季考虑淋水清洗立面的作用的同时，充分发挥淋水对“双层皮”玻璃幕墙夏季降温的作用。能耗系列：能耗系列实验的目的是测试双层皮玻璃幕墙节能效应。实验表明：“双层皮”玻璃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3045分钟。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度，空调持续工作。单层皮其它时段内空调的间歇时间也比双层皮要短一些。24小时能耗比较，无论双层皮空腔间层有无通风，双层皮比单层皮都要节能14。即便单层皮采取外遮阳的情况下，“双层皮”玻璃幕墙也要节能5.9。能耗对比试验所采用的“单层皮”玻璃幕墙是把其中一个“双层皮”玻璃幕墙实验房外层的玻璃拿掉后形成，其内层由一半复合铝板和一半8mm白玻组合成外皮。而真正意义上的传统“单层皮”玻璃幕墙是整片大玻璃覆盖立面，比实验站使用的“单层皮”玻璃幕墙多出一半的直接接受热辐射的面积，室内外换热量多出一倍，因此能耗也要增加将近一半。这样理解的话，实际上双层皮比单层皮要节能(7.9726.85)/ (7.972)=57。四、“双层皮”玻璃幕墙的经济性能、空气动力及热工性能计算4.1 “双层皮”玻璃幕墙的经济性能计算据有关专家估计，世界上30%45%的能耗是建筑能耗，而从普通窗户中散失的能量则达到一般实体墙的5-6倍，传统单层玻璃幕墙虽然在热工性能上比普通窗户有很大的提高，但它仍然是建筑能耗的一个薄弱环节。“双层皮”玻璃幕墙的优点就充分体现于它的双层幕墙结构，在阳光照射、热辐射以及热传导等性能方面都优于传统的单层玻璃幕墙。中国夏热冬冷地区节能性能估算：根据前文实验数据，在夏季一定遮阳和通风条件下，“双层皮”玻璃幕墙比普通玻璃幕墙节约制冷能耗约57。再根据国外“双层皮”玻璃幕墙采暖与制冷节能情况（德国有关资料表明：“双层皮”玻璃幕墙与传统单层玻璃幕墙的能源消耗相比，采暖时可节约能源42%-52%，制冷时可节约能源38%-60%），假定按最低节约采暖能耗42%计算。如果冬、夏两季各开空调三个月（每月20天，每天间歇式空调采暖或制冷），开机24h，在夏季三个月，每1000南向“双层皮”玻璃幕墙比普通玻璃幕墙节电4.54万度；在冬季三个月，每1 000南向“双层皮”玻璃幕墙比普通玻璃幕墙节电3.35万度。 可见，“双层皮”玻璃幕墙具有非常优异的节能性能。“双层皮”玻璃幕墙和普通单层幕墙相比，增加了一道屏障，一次性制造成本提高了，但从 “双层皮”玻璃幕墙节电效果来看，“双层皮”玻璃幕墙使用10年左右而节约的电费就相当于单层幕墙的成本，而建筑幕墙的使用寿命至少可达2030年，节约的电费将会更加可观。4.2 “双层皮”玻璃幕墙空气动力模拟房间的空气流动情况对于建筑物能耗、室内空气品质和人体健康至关重要。众所周知,建筑通风设计的目的就是通过人工的方法,尽量减少或避免使用不可再生型能源，在室内空间创造一种健康、舒适、安全的空气环境。基于流体力学的模拟计算软件Comis，进行通风计算时可以涉及一些细微但很重要的因素，如开启的窗口两侧空气的双向流动；特定温度、湿度对缝隙两侧温度的影响。因此，可以根据给出的即时计算使模型如实地反映不同的天气条件对室内空气流动的影响，为改进设计提供良好的参考。模拟过程：根据“双层皮”玻璃幕墙实验站实际情况，取高度为四米的一个幕墙单元为模拟对象，分别模拟了幕墙单元高度、开窗形式、窗口大小及组合方式对空气交换量的影响。（1）窗口不同的几何形式、数量对空气交换量的影响窗口尺寸(宽*长m)窗户个数压力（Pa）流出空气量(Kg/h)流入空气量(Kg/h)0.6/2.4*221.03141712262.4/0.6*220.26748.7551.82.4/1.210.493193617402.1/1.210.496170515092.1/0.910.37711339372.1/0.610.264668.4471.62.1/0.310.157307.41102.1/0.110.154197.40由上表可知：（1）窗户开口面积越大，通过这扇窗的空气交换量越大。随着窗口高度的减小，空气流出和流入量都逐渐减小，当高度减小到0.1米时，程序即只考虑这个窗户的单方向空气流动。（2）当窗口面积相等时，横长窗没有纵长窗的通风效果好。同样2.4*0.6米的窗口，2.4米高0.6米宽的窗户，通风换气量是0.6米高2.4米宽的窗户的两倍。（3）窗口总面积相等，一扇开窗比分成两扇的通风换气量大。两扇2.4*0.6米的窗户开口面积等于一扇2.4*1.2米的窗户，但前者通风换气量仅为后者的2/5。(2)不同的开窗形式对空气交换量的影响窗口尺寸(长*宽m)开窗形式压力（Pa）流出空气量(Kg/h)流入空气量(Kg/h)2.1/1.21平开窗0.496170515092悬窗0.858353633420.6/2.4*21平开窗1.02168414942悬窗1.671748017290Comis模拟两种开窗形式：平开窗和悬窗，不管外立面是一扇窗还是两扇窗，悬窗的通风效果都优于平开窗。当有一扇开窗时悬窗通风换气量是平开窗的2倍，当双层皮外墙玻璃上有上下两个开口时，由于烟囱效应和悬窗的导风效果，通过悬窗的空气流通量是平开窗的10倍。(3)悬窗不同的开启角度对空气交换量的影响窗口尺寸(长*宽m)悬窗开启角度压力（Pa）流出空气量(Kg/h)流入空气量(Kg/h)0.6/2.4*2541.6717480172900.6/2.4*2721.6723270230900.6/2.4*2901.6729070288800.6/2.4*2451.7314800146100.6/2.4*2181.7459755792悬窗不同的开启角度对通风换气量也有很大的影响，根据模拟数据统计，开启角度越大空气流通量越大。流通量随着开启角度成正比增长。(4)幕墙单元高度对空气交换量的影响空间尺寸(长*宽*高m)开窗形式压力（Pa）流出空气量(Kg/h)流入空气量(Kg/h)3/0.4/101平开窗0.261141912242悬窗4.441205001203003/0.4/41平开窗0.253139612012悬窗1.672907028880随着幕墙空间高度的增加，空气交换量也增加。空间高度由4 米增加到10米，平开窗的情况下，流通量增加5%；悬窗的情况下，流通量增加3倍。这说明井箱式幕墙通过将上下层幕墙单元连通形成通风竖井，利用烟囱效应，在窗户采用悬窗的情况下，有利于双层皮幕墙空腔内的空气流通，可以起到较好的降温效果。4.3“双层皮”玻璃幕墙的热工计算（1）计算模型根据能量守恒定律,对内、外侧玻璃和热通道空气层3个独立对象建立热平衡方程:外侧单层玻璃的热平衡方程: (1)内侧双层玻璃的热平衡方程: (2)热通道空气层的热平衡方程: (3)式(3)的边界条件为:=0,=.式(1)(3)是关于,2和3的3个独立方程,如果式(1)3)中所有系数已知,则可以求出,2和3. 式(1)(3)构成了热通道玻璃幕墙的热工计算模型.若太阳辐射透过热通道玻璃幕墙进入室内的传热率为,则室内得热速率： (4)（2）方程系数的确定a.太阳能系数根据图2所示的射线跟踪法可求出系统的太阳能吸收率和透过率.和分别为玻璃的太阳能透过率和反射率。玻璃幕墙的透过率外侧单层玻璃的吸收率内侧双层玻璃的吸收率外侧单层玻璃吸收太阳能的速率=+ 内侧双层玻璃吸收太阳能的速率b.传热系数从室外(温度为)到玻璃内表面(温度为2)之间的热阻1/为对流热阻1/与玻璃传导热阻/之和:将内侧双层玻璃作为一个整体,同样,从玻璃内表面(温度为3)到室内(温度为)之间的热阻1/为 此处/为将内侧双层玻璃作为一个整体的传导热阻,其值由生产厂家提供或实测得出.内外两侧玻璃之间的辐射传热系数,和可根据玻璃表面对流换热系数的经验公式(式(13)确定: 式中,为相界面温差.c.热通道空气流速流通空气形成稳定气流,必然满足热压与气流阻力损失压力头相等,即式中,为热通道空气平均温度,由于热通道气流速度远低于音速,所以流体压力损失与空气流速有关,可按水力学原理计算.我们发现,热通道中空气流速低时,流体压降主要在进出口,这与通道压降情况吻合.故有=1式中,为气流阻力损失系数,其计算公式如下:气流进口损失系数进气孔至热通道突然扩大时的气流损失系数热通道至出气孔突然缩小时的气流损失系数 10可通过工程手册查到.气流出口损失系数式中,为热通道空气水平截面积,1为进气或出气孔累计垂直截面积;由前面各式便可求出热通道空气流速.(3)计算步骤计算时首先输入玻璃和空气的物理参数、室内外空气温度、太阳能辐射强度,以及幕墙几何尺寸.初步设定,根据经验可初设为0.3/.求出方程(1)(3)中各系数的值;求解式(1)(3),得出,2和3.再求出和,判定-是否成立.判定不成立,则继续设定,修改物理参数;判定成立则认为设定合理,根据式(4),求出室内得热速率.采用方程(1)(3)作为计算模型,可以较好地进行热通道玻璃幕墙的热工计算,只要确定了式(1)(3)中的各个系数,就可以求出方程的解.我们采取了以下简化措施来确定方程的各个系数:(1)由于散射系统的散射强度不容易得到,为了简化太阳辐射能的计算,故认为散射系统的效果近似于直射系统,如对于内侧玻璃有=+=,其它按此同样处理;(2)空气的初始物理参数可按室内外平均温度查表得到;(3)可初设为0.3/,计算步长取为0.001/,允许误差可取10-3,以保证较快收敛和较好精度;(4)在冬季,关闭了进出风口,取流速为零,同样可以利用该模型进行热工计算.符号说明:空气厚度,辐射系数对流或辐射传热系数,/()热通道高度,太阳辐射强度,/传热系数,/()空气流程压降,单位面积传热速率,/温度,绝对温度,空气流速,/上下标:照射(直射、散射)系统直射高度,辐射吸收率玻璃厚度,导热系数,/()反射率空气密度,/透过率流通面积, 允许误差阻力系数外侧辐射散射对流内侧直射系统散射系统5. 北京新源大厦双层幕墙该工程双层幕墙采用自然通风和强制通风的混合通风方式，有效组织进出气流，带走空腔内余热，在室内与室外通风处理上，以每三层为单元进行强制通风换气，保证室内换气量至少1.0次每小时。针对北京沙尘暴气候特点，特别设计了固定开启角度的通风百叶（通风换气用）和电动开启窗（防沙尘暴和控制进出气流量），两道控制系统，大大提高了通风换气和抵抗沙尘暴的能力，并且在层间布置有防尘网，有效地起到了防尘的效果。双层幕墙的外层采用10mm单层透明钢化玻璃，内层采用冷热“断桥”型材和6mm+12A+6mm中空玻璃（外片为Low-E玻璃），内外层幕墙间距为500mm（净宽）的空腔，保证了缓冲区换气层夏季通风换热作用和冬季囤热保温作用的兼顾。加之双层幕墙的出气口可控制其开闭状态，显著地阻止了夏季热量的进入和冬季室内热量的散失，从而真正使双层幕墙起到了冬季保温，夏季隔热的功效。双层幕墙中的旋转侧收可调节遮阳百叶，可按照住户的需要，随意改变叶片的角度或位置，让光线均匀进入室内，大大地改善了室内的光环境。与传统的单层幕墙相比，本工程的双层幕墙有如下突出的优点：（1）从原理上，双层幕墙利用“烟囱效应”与“温室效应”的原理，从幕墙的功能上解决节能问题；单层幕墙则只是从材料的选用上，通过材料本身的特性来达到一定的节能效果。双层幕墙的保温隔热原理如下：冬季保温工作原理：进入冬季，关闭外层幕墙的出气口，使热通道内形成温室。白天太阳照射使温室内空气蓄热，温度升高，使内层幕墙的外片玻璃温度升高，从而降低内层幕墙内外的温差，有效阻止室内热量向外扩散。夜间室外温度降低，由热通道内蓄热空气向外层幕墙补偿热量，而室内热量得到相应保持，因而无论白天和夜间，均可实现保温功能。夏季隔热工作原理：进入夏季，打开出气口，利用空气流动热压原理和烟囱效应，使双层幕墙由进气口吸入空气进入热