双层呼吸幕墙的应用与发展前景的研究.doc

兰 州 交 通 大 学 继 续 教 育 学 院毕 业 设 计（论文）题目：双层呼吸幕墙的应用与发展前景的研究专业（班级）： 土木工程11级 指 导 教 师： x x x 学 生 姓 名： x x x 学 号： xxxxxxxx 目 录 摘 要 3 关键字 4 一、呼吸式幕墙的简介 4 1.1 封闭式内循环体系呼吸式幕墙 41.2 敞开式外循环体系呼吸式幕墙 4二、呼吸式幕墙的优点 5三、呼吸式幕墙的分类 6四、呼吸式幕墙的原理 7 4.1 封闭式内循环体系呼吸式幕墙 74.2 敞开式外循环体系呼吸式幕墙 7五、呼吸式幕墙结果特点 8 5.1 封闭式内循环呼吸幕墙结构特点 85.2 敞开式外循环呼吸幕墙结构特点 8六、呼吸式幕墙的应用 9 6.1 结构型式 96.2.换气层与材料 96.3敞开式外循环体系呼吸式幕墙的应用及分类 10七、呼吸式幕墙的重点与难点 11八、呼吸式幕墙应用实例分析 11九、呼吸式幕墙的发展智能幕墙 14十、结束语 15 参考文献 16摘要：随着科学技术的进步、经济的发展，建筑领域的变革日新月异， 新技术研究、发展突飞猛进，新材料应用层出不穷。高层和新型建筑外墙大量采用的幕墙也从最初的明框玻璃幕墙、隐框玻璃幕墙，发展到目前较为先进的点支幕墙和全玻幕墙。近年来，在德国、美国和北欧一些国家，又出现了一种新型的玻璃幕墙环保型节能呼吸式幕墙。这种幕墙可以获取大量日照，提供良好的自然通风，又能节约能源，并为室内提供舒适的环境，因此被称之为新一代幕墙。呼吸式幕墙作为一种通风的节能幕墙，从原理、环保、节能、使用、舒适度等方面得到大家的一致认可，可以大力推广使用。呼吸幕墙不同于传统幕墙，它由内、外两层幕墙组成，因此又称为双层幕墙。内外幕墙之间形成一个相对封闭的空间，空气可以从下部进风口进入这一空间，又从上部排风口离开这一空间，这一空间经常处于空气流动状态，空气在此空间内的流动与内层幕墙的外表面不断进行热量交换，就好像是在进行呼吸，故而这种幕墙被形象地称为呼吸幕墙。空气流动用以进行热量交换的空间，通常称为热通道，因此呼吸幕墙也称为热通道幕墙,国外也称作主动式幕墙。 关键词：呼吸式幕墙；节能；应用双层呼吸幕墙的应用与发展前景的研究一、呼吸式幕墙简介呼吸式幕墙，又称双层幕墙、双层通风幕墙、热通道幕墙等，它由内、外两道幕墙组成，内外幕墙之间形成一个相对封闭的空间，空气可以从下部进风口进入，又从上部排风口离开这一空间，这一空间经常处于空气流动状态，热量在这一空间流动。呼吸式幕墙由内外两层玻璃幕墙组成，与传统幕墙相比，它的最大特点是由内外两层幕墙之间形成一个通风换气层，由于此换气层中空气的流通或循环的作用，使内层幕墙的温度接近室内温度，减小温差因而它比传统的幕墙采暖时节约能源42%-52%；制冷时节约能源38%-60%.另外由于双层幕墙的使用，整个幕墙的隔音效果得到了很大的提高。呼吸式幕墙根据通风层的结构的不同可分为“封闭式内循环体系”和“敞开式外循环体系”两种。1.1封闭式内循环体系呼吸式幕墙封闭式内循环体系呼吸式幕墙（见图1），一般在冬季较为寒冷的地区使用，其外层原则上是完全封闭的，一般由断热型材与中空玻璃组成外层玻璃幕墙，其内层一般为单层玻璃组成的玻璃幕墙或可开启窗，以便对外层幕墙进行清洗。两层幕墙之间的通风换气层一般为100-200毫米。通风换气层与吊顶部位设置的暖通系统抽风管相连，形成自下而上的强制性空气循环，室内空气通过内层玻璃下部的通风口进入换气层，使内侧幕墙玻璃温度达到或接近室内温度，从而形成优越的温度条件，达到节能效果。在通道内设置可调控的百页窗或垂帘，可有效地调节日照遮阳，为室内创造更加舒适的环境。1.2敞开式外循环体系呼吸式幕墙敞开式外循环体系呼吸式幕墙（见图2）与“封闭式呼吸式幕墙”相反，其外层是单层玻璃与非断热型材组成的玻璃幕墙，内层是由中空玻璃与断热型材组成的幕墙。内外两层幕墙形成的通风换气层的两端装有进风和排风装置，通道内也可设置百页等遮阳装置。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，减少建筑物的采暖费用。夏季时，打开换气层的进排风口，在阳光的照射下换气层空气温度升高上浮，形成自下而上的空气流，由于烟囱效应带走通道内的热量，降低内层玻璃表面的温度，减少制冷费用。另外，通过对进排风口的控制以及对内层幕墙结构的设计，达到由通风层向室内输送新鲜空气的目的，从而优化建筑通风质量。可见“敞开式外循环体系呼吸式幕墙”不仅具有“封闭内循环式体系”呼吸式幕墙在遮阳、隔音等方面的优点，在舒适节能方面更为突出，提供了高层、超高层建筑自然通风的可能，从而最大限度地满足了使用者生理与心理上的要求。 图1封闭式内循环幕墙 图2敞开式外循环幕墙 二、呼吸式幕墙的优点呼吸式幕墙与传统的单层幕墙相比有如下突出的优点：2.1从原理上，呼吸式幕墙采用“烟囱效应”与“温室效应：的原理，是从幕墙的功能上解决节能；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。2.2从环保上，呼吸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（“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。2.3从节能上，呼吸式幕墙由于换气层的作用，比单层幕墙节能约50%.是解决建筑节能的一个新的方向。2.4从使用上，换气层的出现，使呼吸式幕墙夏季节省制冷费用，冬季可节省取暖费用。同时遮阳百叶置于换气层，能有效地防止日晒又不影响立面效果。2.5从舒适度方面，呼吸式幕墙的隔音性能可达到55dB，让室内生活与工作的人们有一个清静的环境；另一方面，无论天气好坏，勿须开窗换气层都可直接将自然空气传至室内，为室内提供新鲜空气，从而提高室内的舒适度。并有效地降低高层建筑单纯依赖暖通设备机械通风带来的弊病。呼吸式幕墙的上述优点，使之在国际上众多发达国家得到了很大的发展，在我国已开始得到重视，并进入使用阶段。三、呼吸式幕墙的分类 呼吸幕墙根据空气流动方式的不同可分为封闭式内循环呼吸幕墙和敞开式外循环呼吸幕墙。封闭式内循环呼吸幕墙的外幕墙完全封闭，从室内的下通道吸入空气，在热通道内上升至上部排风口，从吊顶内的风管排出，这一循环完全在室内进行，如图1a。由于封闭式内循环呼吸幕墙进风口是室内空气，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。但由于封闭式内循环呼吸幕墙的循环要靠机械系统，对设备有较高的要求。与内通风幕墙相反，开敝式外通风幕墙是封闭的，采用中空玻璃；外幕墙采用单层玻璃，设有进风口和排风口，利用室外进入，经过热通道带走热量，从上部排风口排出，减少太阳辐射热的影响，节约能源，如图3。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。（a）封闭式内循环呼吸幕墙(b) 敞开式外循环呼吸幕墙图3 呼吸幕墙空气循环示意图四、呼吸式幕墙的原理呼吸式双层玻璃幕墙由内、外两层玻璃幕墙组成，外层幕墙一般采用隐框、明框和点式玻璃幕墙，内层幕墙一般采用明框幕墙或铝合金门窗。内外幕墙之间形成一个相对封闭的空间通风间层，空气可以从下部进风口进入，从上部排风口排出，空间内经常处于空气流动状态，热量在其间流动，形成热量缓冲层，从而调节室内温度。4.1.封闭式内循环呼吸幕墙工作原理封闭式内循环呼吸幕墙由两侧玻璃之间的通道和吊顶部位的暖通系统抽风管相连接，依靠暖通机械系统，形成自下而上的强制性空气循环，室内空气通过内层玻璃下部的通风缝进入热通道内，使热通道中空气温度与室内基本相同，内侧幕墙的表面温度接近或达到室内温度，形成优越的温度条件，这就大大节省了取暖和制冷的能源消耗，达到节能效果。同时通道内可设置可调控的百页帘或垂帘，以有效地调节日照遮阳。这种系统的主要缺点是依赖于大功率的暖通系统，节能效果有所降低。4.2.敞开式外循环呼吸幕墙工作原理敞开式外循环呼吸幕墙的进风口和排风口可以开启和关闭，（一）冬天时：关闭进风和排风口，内外两层幕墙中间的空气由于阳光的照射温度升高，像一个温室。这样等于提高了内侧幕墙的外表面温度，减少了室内热量的散失，从而可以降低建筑物采暖的运行费用；（二）夏天：内外两层幕墙之间的空气温度很高，这时打开空气通道上下两端的进排风口，由于热烟囱效应，产生气流，在通道内运动的气流带走通道内的热量，这样可以降低内侧幕墙的外表面温度，减弱了室外热量对室内的影响，从而减少了空调负荷。通过通道内上下两端进排风口的调节在通道内形成负压，利用室内两则幕墙的压差和开启扇就可以在建筑物内形成气流，进行通风换气。这样，通过对太阳辐射的有效利用，就可以显著的节省能源。有分析资料显示，这种双层玻璃幕墙与传统的单层玻璃幕墙相比，采暖时可以节约能源42%52%，制冷时可以节约能源38%60%。因此敞开式外循环呼吸幕墙是呼吸幕墙发展的主流。五、呼吸式幕墙结构特点5.1.封闭式内循环呼吸幕墙结构特点1）内层幕墙可采用普通幕墙或铝合金窗，外层幕墙可Y用隔热（或断热）明框幕墙或者采用隔热（或断热） 单元幕墙。2）一般外层玻璃选用中空钢化玻璃，内层玻璃选择普通单片钢化玻璃。3）外层幕墙完全封闭，空气流动在室内和热通道间进行。内、外层幕墙间热通道的宽度较窄，一般为150mm300mm。4）需要借助于专门的设备完成空气的流动，运行成本较高。5）需要增设自然空气进入窗。6）便于清洗双层玻璃之间的灰尘。7）使用材料较少，因此成本较低。8）但需用电力驱动抽风，它比外循环结构节能率低一些。9）可根据需要在热通道内设置可调控的铝合金百叶窗或电动卷帘，有效地调节阳光照射。5.2敞开式外循环呼吸幕墙结构特点1) 内层幕墙可采隔热（或断热）明框幕墙或者采用隔热（或断热）单元幕墙，外层幕墙可采用点支幕墙等。2) 一般外层玻璃选用单片或夹层钢化玻璃，内层玻璃选择中空（lowe）钢化玻璃。3) 内层幕墙完全封闭，空气流动在室外和热通道间进行。4) 内、外层幕墙间热通道的宽度较宽，一般为500mm600mm，便于进入清洗工作。5) 热空气交换不需要借助于专门的设备来完成，完全靠自然通风，维护和运行费用低。6) 不需要增设专用设备自然空气进入窗内，外层幕墙设计有进出风口，内层幕墙设计有开启门或窗，需要注意的是进出风口应防止沙尘的进入。7) 双层玻璃之间的灰尘应考虑方便清洗。8) 使用材料较多，因此成本较高。9) 不需用电力驱动抽风，节能效率高。10) 可根据需要在热通道内设置可调控的铝合金百叶窗或电动卷帘，有效地调节阳光照射。六、呼吸式幕墙的应用由于“封闭式内循环体系呼吸式幕墙”与大厦的通风系统相连接，它的运行会增大通风系统的功率，从而需增大投入与消耗，因而其应用不多。“敞开式外循环体系呼吸式幕墙”作为一种更新形式的呼吸式幕墙得到了广泛采用。下面将以“敞开式外循环体系呼吸式幕墙”为例，对呼吸式幕墙系统的应用作介绍。6.1.结构型式呼吸式幕墙由于是双层体系，在幕墙结构型式多样化的今天，两层幕墙可以根据建筑效果的需要有很多种组合，但是为了最大限度地突出呼吸式幕墙的通风、节能、环保的特点，一般采用如下几种结构型式：内外层结构一体式，即内外层幕墙做成一体或一个单元。构成通风层的内外两层幕墙共用一根竖骨料，外层可做成明框或隐框形式，内层则做成可开启窗或固定窗。当两层幕墙一体地做成单元式，则每个单元犹如一个个玻璃箱子，因此也被称为“箱体式幕墙”。内外层结构分体式，即内外两层幕墙各成体系，为形成通气层通过其它方式进行隔断。由于此种型式的两层幕墙分别独立，外层结构可选用明框、隐框或点式玻璃幕墙结构。内层结构可选用各种幕墙型式或推拉、平开窗的型式。外层幕墙作为建筑物的外表，一方面直接反映的是建筑物的造型，另一方面作为外围护结构，它还承受风荷载、防雨水等作用，因而其结构在强度与水密性方面应作为重点考虑。内层幕墙由于其主要是与外层结合形成换气层，所以更应注意其与室内功能的配合，对其密封性能要求可适当降低。6.2.换气层与材料呼吸式幕墙换气层是关键，其进出风口的设置、换气层的宽度大小、材料的选用等直接到其性能的发挥。一般来讲，北方寒冷地区因采暖时间长，选用呼吸式幕墙时，主要是利用换气层的“温室效应”来减少室内热量的散失。内层采用中空LOW-E玻璃、断热铝型材，以及相对较大的换气层宽度将会达到较好的节能效果。南方温暖地区，因冷气使用时间较长，利用呼吸式幕墙换气层的“烟囱效应”来降低内层玻璃表面的温度可达到节能目的。因此外层采用热反射玻璃，以及相对较小的换气层宽度，将会增强烟囱效应的效果，来达到最佳的节能状态。6.3以敞开式外循环体系呼吸式幕墙为例，介绍呼吸式幕墙系统的应用。敞开式外循环体系呼吸式玻璃幕墙的分类 6.3.1箱式双层玻璃幕墙箱式双层玻璃幕墙由外层幕墙和向内开启的窗扇组成。内外层之间的通风间层在水平方向上沿建筑轴线或以房间为单元进行分隔，在垂直方向上一般按层划分，因而可阻止噪声和废气在各房间传播。每一单元的顶部和底部都开有通风口，室外新鲜空气从底部开口进入，同时室内废气从上方开口排出，获得自然通风。6.3.2井箱式双层玻璃幕墙井箱式可视为箱式双层玻璃幕墙的一种特殊构造，包括一组箱式单元和一个与单元以通风口相通的贯通几层的竖井。由于竖井相对较深，井内上下温差较大，加速了空气循环流动，形成了具有较高通风效率的竖向垂直通风系统，在夏季炎热地区尤其适用。由于利用了竖井的烟窗效应，外层幕墙开窗较少，有利于隔绝外部噪声，但由于对竖井的高度有一定的限制，因此多用于低、多层建筑。 6.3.3走廊式双层玻璃幕墙走廊式双层玻璃幕墙是利用通风间层形成的外挂式走廊来达到保温和通风目的。通风间层在竖向上每层都被隔断，形成外挂式走廊，外层幕墙的进气口与排气口位于每层的楼板与天花板部位，由通风调节盖板控制通风量。冬季走廊内受到阳光照射而温度升高的空气，在对流作用下流动到未受阳光照射的一侧，使建筑在各个朝向上温度比较接近，形成温度缓冲，达到适宜的温度。此系统外层玻璃幕墙上下层的进排气口要错开设置，以防下层排出的部分空气通过上层进气口进入上层通风间层，造成上层空气质量下降和温度缓冲效果减弱，另外由于走廊一般连通数个房间，可能会造成相邻房间的声音干扰。 6.3.4多层式双层玻璃幕墙多层式的通风间层在水平方向上与数个房间相连，在竖直方向上也覆盖数个楼层，有时幕墙间的通风间层既无水平分隔也无竖向分隔，仅通过外层幕墙在底层和屋顶处的通风口形成通风。在冬季，外层幕墙通风口关闭，利用通风间层形成的温室效应保证室内温度，减少建筑物能量消耗。此系统由于外层玻璃幕墙开口很少，十分适用于外部噪声较大的环境，但建筑内部各房间的声音易通过通风间层进行传播，造成内部声音干扰。 6.3.5可开启式双层玻璃幕墙该幕墙的外层玻璃幕墙可以完全开启，无明确进风与排风口，难以利用烟窗效应形成自然通风。夏季，外层幕墙完全打开，可作为遮阳装置，降低内层幕墙所受的太阳辐射冬季，外层幕墙关闭，形成空气缓冲层，增强建筑的保温性能。可开启的外层玻璃幕墙减少了内层玻璃幕墙的风压，有助于阻挡雨水进入内层玻璃幕墙，因此内层玻璃幕墙的窗户可以始终敞开，有利于自然通风。七、呼吸式幕墙的重点与难点呼吸式幕墙在我国刚刚起步，还会有很多具体问题需要解决，如：换气层的宽度（体积）确定。如何才能使其保温节能与隔音降噪达到最佳，缺乏依据，只能依赖实验，需从设计上找到理论依据。进出风口的设计也是呼吸式幕墙的一个重点，选用不当时一方面会造成换气层循环气流的短路，降低节能效果；另一方面进风口会带入大量的灰尘而影响建筑的外观效果，尤其是西北风沙较大的地区更应慎重。由于换气层的烟囱效应会造成消防上的隐患，所以在通风换气层的设计时应与大厦防火分区设计相结合。成本问题，也是呼吸式幕墙的推广使用的一大障碍。呼吸式幕墙由于结构双层、技术含量高，较单层幕墙价格高，如果采用呼吸式幕墙，一次性投资会增加。八、呼吸式幕墙应用实例分析 北京公馆采用双层呼吸式幕墙，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（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，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。北京新源大厦的双层外循环呼吸式幕墙作为一种新型的幕墙形式，有着其它幕墙不可比拟的优势，已为越来越多的用户所接受，它打造了幕墙高新技术的制高点，为凌云实现可持续发展创造奠定了坚实的基础，为打造“凌云18”著名品牌作出了重要贡献！本工程的双层幕墙有如下突出的优点：8.1.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通道，在热通道内气体受热，产生由下向上的热运动，由出气口把双层幕墙内的热气体排到外面，从而降低内层幕墙温度，起到隔热作用。8.2.从环保上，双层幕墙由于其功能解决节能，外层玻璃选用无色透明玻璃，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。 8.3.从节能上，双层幕墙由于热通道的作用，比单层幕墙节能约50%，是解决建筑节能的一个新的方向。8.4.从使用上，热通道的出现，使双层幕墙夏季节省制冷费用，冬季可节省取暖费用。同时遮阳百叶置于热通道，能有效地防止日晒，又不影响立面效果。图4：旋转侧收遮阳百叶效果8.5.从舒适度方面，双层幕墙特制的内外双层构造、热通道和内层全密封方式，使其隔声性能比传统幕墙高一倍以上（内层玻璃幕墙开窗时45Db,关窗时67Db）,让室内生活与工作的人们有一个清静的环境；另一方面，无论天气好坏，勿须开窗，热通道都可直接将自然空气传至室内，为室内提供新鲜空气，从而提高室内的舒适度，并有效地降低高层建筑单纯依赖暖通设备机械通风带来的弊病。图5：出风部位电动开启扇效果 图6：自然进风层剖面效果8.6.从安全方面，双层幕墙对此给予了充分考虑,比如：下雨时可通风,雨不会进入室内,可保持物品安全；通风时风速柔和, 物品不会被风卷走，也不易坠落；两道幕墙防护，有利于防盗。九、 呼吸式幕墙的发展智能幕墙 智能玻璃幕墙是指幕墙以一种动态的形式，根据外界气候环境的变化，自动调节幕墙的保温、遮阳、通风系统，最大限度地降低建筑物的能源消耗，同时最大限度地创造出宜人的室内环境，其主要通过双层幕墙的形式得以实现。其内层幕墙通常由中空保温玻璃构成，外侧玻璃通常由单层钢化玻璃构成。外侧玻璃主功能是承受风载，防雨水、风沙、噪声以及形成两层玻璃之间一个相对稳定的、可以调节的空气缓冲层。外侧玻璃幕墙上有可调节的进风口和出风口。两层玻璃之间的空间里，通常设置遮阳百叶等装置。 当呼吸式幕墙在国内刚刚起步的时侯，在德国、美国等发达国家已将呼吸式幕墙与电子计算机系统结合