热通道幕墙及智能幕墙.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除 热通道幕墙及智能幕墙 一、前言 已成为历史的二十世纪里，中国建筑幕墙发展迅猛，面临新世纪的到来，步入WTO大门的中国建筑幕墙，向哪里去？经济全球化，必然使建筑形式国际化。建筑幕墙作为时代的象征，成为人类最先感知时代起步的声音。这声音就是当前国际上流行的新世纪建筑三大原则：“开放与交流、舒适与自然、环保与节能”。以“高贵的理想主义”的思维，冲破传统观念的羁绊，从而使建筑幕墙不仅满足建筑美学和建筑功能的要求，更应体现出“舒适与自然、环保与节能”的设计精髓，建筑幕墙正在成为高技术含量智能型产品。秉承上述观念，本文试图对“热通道幕墙”和“智能幕墙”作一些扼要地介绍。据美国科学家估计，大约50%能源消耗是建筑能耗，从普通窗户中损失的建筑能量是普通实体墙的56倍，普通玻璃幕墙虽然在热工性能上与窗户相比有不小的改进，但它仍然是建筑能耗的一个薄弱环节。近些年来，在德国、美国和北欧的一些国家，由于其特殊的气候条件和严格的环境质量标准，迫切需要一种新型的玻璃幕墙。它可以获取大量日照，提供良好的自然通风，又可节约能源，并为室内提供舒适的环境。为了达到这个目标，一些高技派建筑师和幕墙公司，通过多年的努力，开发了一种新型的玻璃幕墙智能玻璃幕墙。简称智能幕墙。智能玻璃幕墙的核心是一种有别於传统玻璃幕墙的特殊玻璃幕墙热通道幕墙。热通道幕墙又名双层幕墙，是一种新型的节能幕墙，是幕墙技术的新发展。根据热通道幕墙的结构，可将其分为“封闭式内循环体系”和可自然通风的“敞开式外循环体系”的两种类型。热通道幕墙的特点，在於双层玻璃结构，它与传统的玻璃幕墙相比，在阳光照射、热辐射及热对流等方面都优于传统的单层玻璃幕墙。可从图一、图二的示意图中看出。国外对一幢80米高的办公大楼的两种型式玻璃幕墙的能耗作过比较，其比较结果见图三。从图三可看出，双层玻璃幕墙(热通道幕墙)与传统的单层玻璃幕墙的能耗相比：采暖时节约能源42%52%；制冷时节约能源38%60%。热通道幕墙是一种新型的节能幕墙。 图一： 图二： 图三： 二、封闭式内循环体系热通道幕墙它是一种双层结构幕墙，在冬天较为寒冷区域，其外层原则上是完全封闭的。一般由绝热杆件及中空玻璃组成外层玻璃幕墙，其内层一般为单层玻璃幕墙或可开启的单层玻璃窗，以便对外层墙体的内侧进行清洗。两层墙体之间通道的距离，一般为100200毫米。两侧玻璃之间的通道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缝进入二墙体之间通道，使内侧墙体的表面温度接近或达到室内温度，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，为建筑师选择全透明低反射玻璃提供了方便。该体系通过合理的设计可降低能耗，增强墙体的隔音效果。其主要缺点，依赖於大功率的暖通系统。该体系应用的典型建筑为英国劳氏船社总部大厦和美国西方化学中心大厦。它们的外观和节点请见下列各图。 图四：劳氏船社总部大厦立面设计图 图五：劳氏船社总部大厦幕墙节点图及外观图英国劳氏大厦1979年设计，1986年建成，由理查德、罗杰斯事务所设计。其外侧是中空玻璃幕墙，内侧为单层玻璃幕墙，在两个幕墙之间有一个75mm宽的热通道，幕墙为单元式，通道有一层高，通道之间互不联通，被处理过的空气通过设在架空地板内的风道进入热通道，再从另一端排走，这样可以带走通道内50%的热量，通道内的空气是循环的，可以对循环空气温度进行调控，调节内侧幕墙外表面的温度。图六：美国纽约西方化学工业中心大厦幕墙节点图 图七：美国纽约西方化学工业中心大厦幕墙外观美国纽约西方化学工业中心大楼於1980年竣工。该建筑位於著名的尼亚加拉大瀑布边缘，所以建筑师要求该建筑既要节能又要通透，通过研究比较，采用了“封闭式内循环体系”的热通道幕墙。外侧为中空玻璃幕墙，内侧为单层玻璃幕墙，两幕墙之间有150mm宽的热通道，内装有活动百页，该百页可以通过感应光线自动调节，通道内的热空气在过热时可以从通道顶端排走。该幕墙在当时既是一个高效节能的幕墙，又是一个能够在室内观赏尼亚加拉大瀑布自然奇观的通透性好的玻璃幕墙。 三、敞开式外循环体系热通道幕墙它和“封闭式内循环体系”的热通道幕墙相反，其外层由单片玻璃及非绝热杆件组成的敞开结构，内层由绝热杆件和中空玻璃组成。两层幕墙之间的热通道一般装有可自动调控的百页或法国法拉利公司的垂帘。在热通道的上、下两端有排风和进风装置。其原理可见图八、图九的示意图(该图为德国法兰克福某大厦的幕墙设计方案图)。冬天：内外两层幕墙中间的热通道由于阳光的照射，温度升高，像一个温室，这样等於提高了内侧幕墙外表面的温度，减少了建筑物采暖的运行费用。夏天：内、外两层幕墙中间热通道的温度很高，这时可打开热通道上、下两端的排气、进气口装置，在热通道内由于热烟囱效应产生自下而上的气流，从下进气口进入的气流，通过热通道从上出气口排出，这种自下而上的气流运动，带走了通道内的热量，这样可以降低内侧幕墙的外表面温度，减少了空调制冷的负荷，节约了能源，降低了能耗。通过对通道上、下两端排气、进气装置的调控，在通道内形成负压，利用内侧幕墙两边的压差和开启扇，可以在建筑物内形成气流，进行通风。通过管道向通道内输送新鲜空气，就可以随时向室内输送新鲜空气。目前利用热通道幕墙进行自然通风的有两种形式：一种是建筑物全部自然通风，都由热通道幕墙承担；另一种是建筑物的部分自然通风，由热通道幕墙承担。“敞开式外循环体系”热通道幕墙，除具有“封闭式内循环体系”热通道幕墙的在遮阳、隔音等方面的优点之外，在舒适、节能等方面更为突出，提供了高层和超高层建筑自然通风的可能，从而最大限度的满足使用者在生理和心理的要求。通过和暖通系统的连接，以及对强制性空气循环系统的省略，减少了能耗，降低了运行费用。由于以上这些优点，使其成为当今世界上所采用的最先进幕墙体系，现在的智能幕墙大多采用这种体系。其典型的建筑有：德国法兰克福的德国商业银行总行大厦、德国北莱因威斯特法伦州鲁尔河畔埃森市的“RWE”工业集团总部大楼。 图八： 图九 四、智能幕墙智能幕墙从广义上说，它包括以下几个部份：热通道幕墙、通风系统、遮阳系统、空调系统、环境监测系统、智能化控制系统等。智能幕墙尚处在发展的初期，科技含量高，首期投资比较大，但它在建筑节能和环境舒适等方面，显示了具大的潜力，因而在西方发达国家应用得越来越多。传统的玻璃幕墙能耗比较大，对外界环境的适应性较差；智能幕墙与建筑物内的空调、通风、遮阳、灯光、楼宇控制系统紧密相连，它可以根据外界自然条件变化自动调节功能，高效地利用能源。据英国工程师对某个已建成的智能幕墙进行测算，采用智能幕墙的能耗，只相当于传统建筑能耗的30%。智能幕墙从设计构思、内容组成和工作过程等方面来看，都是各专业协调合作多功能系统。它与传统幕墙有很大的差别，不仅有玻璃支承结构，还包括建筑物内的部份环境控制系统和建筑服务系统，许多过去放置在地板内或吊顶内的设备已成为智能幕墙的一部份。它往往和智能建筑一起设计、一起施工。由于其构造特殊，科技含量高，传统的幕墙设计师和幕墙工程师，在智能幕墙的设计和施工中将难以胜任，国外一些高技术的建筑事务所，已经诞生了一个新的专业智能幕墙设计师和智能幕墙工程师。智能幕墙的关键在智能化控制系统。这种智能化控制系统是一套较为复杂的系统工程，是从功能要求到控制模式，从信息采集到执行指令传动机构的全过程的控制系统。它涉及到气候、温度、湿度、空气新鲜度、照度的测量；取暖、通风、空调、遮阳等机构运行状态信息采集及控制；电力系统的配置及控制；楼宇的计算机控制等多方面因素。这些内容属於计算机智能化控制专业，非本文涉及内容，下面将简介目前常用的智能化遮阳体系和国外两个智能化幕墙建筑的实例。影响玻璃幕墙的热工性能最大指标之一，就是遮阳系数。它受到玻璃本身特性控制。比如采用镀膜玻璃，固定的遮阳构件(如百页、窗帘)或丝网印刷图案等，这种遮阳方式，不论春夏秋冬将室外能量一概拒之。透明玻璃加智能化控制的动态遮阳体系，是合理解决节能和有效利用日光的理想途径。其中之一，就是法国法拉利(FERRARI)公司的帘幕系统，其电动机构是世界著名的遮阳机构制造商索菲(SOMFY)公司制造。性能稳定、体积小，帘幕全部收回时，完全隐藏在幕墙的卷帘框架内，感觉不到它的存在，卷帘框架又是幕墙一个很好的装饰品。该机构具有自动平衡功能，特别适用於幕墙的大面积整体联动遮阳。这种功能保证了同一水平线上的每个帘幕每次收回时的自动对齐，每次下落时各帘幕之间的整齐联动。法国法拉利(FERRARI)的纱帘是一种高技术产品，由织物经过特殊处理，耐候、能避免积灰、色泽高雅，预应力的纱帘饰面适用於各种形式幕墙(包括曲面幕墙)的遮阳，纱帘内、外层反射系数不同，可以实现智能化自动翻转，光线透射率最高可达20%30%，即使帘幕完全下落，也不会完全遮挡视线，透过其微孔仍然可以朦胧地感受到室外的景色，是当前智能幕墙采用得较多的遮阳体系。 图十：法国法拉利公司帘幕照片： 智能幕墙例一：德国杜伊斯堡商业促进中心大厦。由德国诺曼.福斯特事物所设计，1988年开始设计制造，1993年建成。图十一：德国杜伊斯堡商业中心大厦外观图十二：德国杜伊斯堡商业中心大厦幕墙外观图十三：德国杜伊斯堡商业中心大厦幕墙节点图图十四：德国杜伊斯堡商业中心大厦幕墙轴测图 图十五：德国杜伊斯堡商业中心大厦平面图图十六：德国杜伊斯堡商业中心大厦内部图十七：德国杜伊斯堡商业中心大厦幕墙梭形尖角该建筑的设计造型独特，象一个梭形的透镜，梭长50m，最宽处16m，七层高，钢筋混凝土结构，幕墙固定在与主体结构相连的外挂钢架上，外表面由36个小面构成，相邻两面的夹角仅为2，整层玻璃的分割高度1.5m3.3m，外层为6mm6mm的夹胶单层点式玻璃幕墙，内层为充氩气的低辐射(LOC-E)中空玻璃幕墙，两层幕墙之间的通道宽为200mm，内层幕墙包括上悬的推拉门，便於开启和清洁，成孔率10%，丝光衬里的百页窗，安装在热通道内，用于调控采光和辐射。幕墙设计时遇到了两大难题：环境控制和减少层高，如果采用全封闭中央空调系统，要达到室内卫生标准，则能耗很大，层高也无法减少。只有采用自然通风，才能达到降低能耗、减少层高的目的。但自然通风又会受到空气污染、室外温度和噪音的影响，幕墙公司的设计小组通过反复研究和试验，采用了智能化热通道玻璃幕墙。热通道内装有用来调控光线的可调节式百页。被处理过的新鲜空气，可以从底部进入通道，调控开启扇，幕墙将向室内供应新鲜空气。该幕墙智能控制系统的核心是高效的PC机和专用的软件，中心PC机与地区气象站联网，屋顶上还设有建筑物的气象站，用来测量建筑物表面接受太阳光的情况，室外有温度计、风速仪，热通道内有探测器，这些装置提供的数据自动输入计算机，由专用软件进行分析和计算后，向各执行机构发出指令，对建筑物内的通风系统、空调系统、照明系统、遮阳系统及各通风口进行调控，达到高效、节能、舒适和卫生的目的。该系统还可以根据个人的习惯、爱好进行人工调节。建筑物的空调为全水系统，通风系统独立设置。由于通风不起控制温度作用，部分新鲜空气由热通道提供，因此室内的风道断面很小，空气通过地板从幕墙边缘的铝合金管中溢出，并从与灯具组合的排风管排走。通过上述一系列技术措施，建筑层高减少到3,05m，其中混凝土楼板厚220mm，地面厚80mm，吊顶厚250mm，这样能保证室内净高2.5m。在规定的高度内，用传统方法只能建六层，现建成了七层高的大楼，达到了降低层高、节约能源、舒适卫生的目的。智能幕墙实例二：德国埃森市的“RWE”工业集团的总部大楼。 图十八：德国埃森市“RWE”总部大楼图十九：德国埃森市“RWE”总部大楼幕墙外观图图二十：德国埃森市“RWE”总部大楼幕墙节点图图二十一：德国埃森市“RWE”总部大楼幕墙鱼咀图图二十二：德国埃森市“RWE”总部大楼幕墙原理图图二十三：德国埃森市“RWE”总部大楼剖面图 图二十四：德国埃森市“RWE”总部大楼幕墙外观图图二十五：德国埃森市“RWE”总部大楼内侧推拉门德国埃森市“RWE”总部大楼是一幢设计极为精巧的现代化办公大楼。该建筑采用的智能幕墙可能是迄今为止最精密、最复杂的智能幕墙系统。这个系统能精确地调节建筑各种能量分配。1997年由德国英格豪思.欧厄狄克事务所设计。其外侧为点式玻璃幕墙，采用了皮尔金顿德国分公司生产的10mm厚、含铁量少、高透光的精白玻璃，内侧是中空玻璃的大型推拉门。内、外侧之间的通道宽500mm，通道内装有能收、放并调节角度的百页，通道之间不联通。每个单元都有独立的进、排风口。该进、排风口是一个精巧的鱼咀型装置，受楼宇自动控制系统控制，也可以人工单独进行调控，进入通道内的空气直接从室外获取，为了防止上、下气流短路，进、排风口开启和关闭不同步，热通道为建筑物内部提供部份新鲜空气。热通道幕墙与贮热结构、辐射采暖和制冷系统协同工作，从而获得了能源的高效利用。建筑室内的吊顶是一个在工厂预制好的多功能单元，吊顶单元之间有空隙，使贮热结构能够与室内直接接触。单元内包括光感应装置、感烟探测器、消防喷头、音响、灯火、吸音材料和辐射采暖、制冷装置等。这个单元很薄，在工地现场安装非常简单。上述各种装置与幕墙通道内的进风、排风鱼咀和活动百页均受楼宇自控系统控制，通过安装在吊顶内和幕墙通道内的传感器向楼宇自控系统提供环境信息，楼宇自控系统向执行机构发出指令，从而形成对每个幕墙单元和吊顶单元进行精细的调控。由于幕墙热通道提供给建筑物一部分新鲜空气，这个吊顶单元内没有风道，这样降低了建筑层高，节省了设备管道。夏季，打开上、下鱼咀进风和排风口，关闭内侧的中空玻璃推拉门，气流从下