双层幕墙构造与性能

来源:2018《建筑门窗幕墙创新与发展》 查看原文  时间:2018-3-27

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  1.前言

  双层幕墙以其性能优越、环境舒适早几年曾在行业内有一应用小高潮。近几年,双层幕墙的应用案例越来越少,原因是对于双层幕墙在构造、保温性能和防火性能方面存在不同的看法和认知,有些看法和认知甚至是对立的,如有人认为双层幕墙是节能的,有人认为双层幕墙不节能,有人认为双层幕墙热循环处理好了节能,处理不好不节能。本文就双层幕墙的构造、性能和评价方法作较为深入的剖析。

  2.构造

  顾名思义,双层幕墙应该有两层幕墙,且两层都应该是幕墙结构,因此对于有些既有建筑的改造,仅在原传统建筑外墙再挂一层玻璃幕墙不能称其为双层幕墙。再例如原本是普通玻璃幕墙,仅在室内侧楼板上增加一层玻璃,也不能称其为双层幕墙。尽管这些维护结构有些具有双层幕墙的性能,可以称其为双层外维护结构,但不能称其为双层幕墙,就像我们不能称双层窗为双层幕墙一样。只有内外两层均为幕墙的构造才能称其为双层幕墙。外层幕墙通常采用点支式玻璃幕墙、明框玻璃幕墙或隐框玻璃幕墙,内层幕墙通常采用明框玻璃幕墙、隐框玻璃幕墙,为增加幕墙的通透性,也有内外层幕墙都采用点支式玻璃幕墙结构的。在内外层幕墙之间,有一个宽度通常为几百毫米的通道,在通道的上下部位分别有出气口和进气口,空气可从下部的进气口进入通道,从上部的出气口排出通道,形成空气在通道内自下而上的流动,同时将通道内的热量带出通道,所以双层幕墙也称为热通道幕墙,或呼吸式幕墙,见图1。

图1 双层幕墙通道

  2.1 内循环式

  外层幕墙封闭,内层幕墙与室内有通道连通,使得双层幕墙通道内的空气可与室内空气进行循环。外层幕墙玻璃通常采用中空玻璃,内层幕墙玻璃通常采用单片玻璃,见图2。

图2 内循环示意图

  2.2 外循环式

  内层幕墙封闭,外层幕墙与室外有通道连通,使得双层幕墙通道内的空气可与室外空气进行循环。内层幕墙玻璃通常采用中空玻璃,外层幕墙玻璃通常采用单片玻璃。外循环式双层幕墙通常可分为整体式、廊道式、通道式和箱体式。

  1.整体式:空气从底部进入 ,空气从顶部排出,空气在通道中没有分隔,气流方向为从底部到顶部,见图3。

图3 整体式

  2.廊道式:每层设置通风道,层间水平有分隔,无垂直换气通道,见图4。

图4 廊道式

  3.通道式:空气从开启窗进入,空气从风道中排出,层间共用一个通风道,见图5。

图5通道式

  4.箱体式:每个箱体设置开启窗 ,水平及垂直均有分隔,每个箱体都能独立完成换气功能,见图6。

图6箱体式

  3.热工性能

  双层幕墙最大的优点就表现在热工性能上,分歧最大的也在热工性能上。双层幕墙有明显的温室效应,顾名思义,温室效应即是双层幕墙通道能形成热屏蔽,冬季能阻止室内的热量流向室外,夏季能阻止室外的热量流向室内,使得室内处于较恒定的热环境中。双层幕墙的温室效应共有三种表现形式:其一是在炎热的夏季,双层幕墙中通道里的进气口和出气口全部打开,由于烟窗效应,空气将在通道中自下而上的运行,在空气运行过程中,将通道内的热量带出通道,使得内层幕墙处于较低的温度环境中,阻止了热量由室外流向室内,这是双层通道幕墙温室效应的表现形式之一,见图7。但是这种温室效应是动态的、随机的,只能定性描述,目前还无法定量计算,即使采用计算软件模拟计算,其结果的准确性也不好评价。

图7 温室效应表现形式之一

  其二是在冬季,双层幕墙通道里的进气口和出气口全部关闭,通道中的空气静止,在阳光的照射下,通道中的空气将有较大的温升,使得内层幕墙处于较高的温度环境中,阻止了热量由室内流向室外,这是双层通道幕墙温室效应的表现形式之二,见图8。但是这种温室效应是动态的、随机的,只能定性描述,目前还无法定量计算,即使采用计算软件模拟计算,其结果的准确性也不好评价。

图8 温室效应表现形式之二

  在夏季,如果双层幕墙内的空气不能及时的将通道内的热量带走,通道内的温度就会逐渐升高,通常会达到50—60度,甚至更高,这也是认为双层幕墙不节能看法形成的基础。但认为双层幕墙节能的看法刚好相反,认为即使双层幕墙通道内空气不循环,双层幕墙也是节能的,而且通道内温度越高,节能效果越好,因为它把原本应该进入室内的太阳辐射热留在了通道内,并将其中的一部分传到室外,其结果是进入室内的太阳辐射热减少。同时,由于双层幕墙通道内温度较高,甚至会超过室外空气温度,在此情况下,原本环境热量应该由室外传向室内,现在变为通道内的热量由通道传向室外,环境热量不能进入室内,即双层幕墙的通道形成了热位垒,室外热量无法穿越。

  其三是双层幕墙的传热系数比单层幕墙的传热系数降低很多,阻止了室内外环境热量的交换,这是双层幕墙温室效应的表现形式之三。双层幕墙的传热系数是可以定量计算的,首先按《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113可分别计算出两层幕墙玻璃的热阻,但应注意,在计算内层幕墙玻璃的热阻时,其室外表面换热系数应取室内表面换热系数。空气层的热阻可按《民用建筑热工设计规范》GB50176取值,需要说明的是,当空气层间距大于60mm时,空气层的热阻不变,这是因为随着空气层间距的加大,空气层的热传导将导致空气层热阻的增加,但空气层对流也随之加剧,导致空气层热阻的降低,两种作用互抵,空气层的热阻保持不变。双层幕墙的热阻按下式计算:

  双层幕墙的传热系数为1/R。例如双层通道幕墙的外层为19mm单层玻璃,空气层为500mm,内层幕墙为(8mm+12mmA+8mm)中空玻璃,双层幕墙的传热系数为1.2W/㎡K。而仅由内层幕墙构成的单层幕墙的传热系数为2.8 W/㎡K,双层幕墙的节能效果明显可见。

  在温暖的春季和秋季,室内既不必采暖,也不必制冷,因此不涉及耗能问题,也就谈不上节能问题,耗能和节能是针对寒冷的冬季和炎热的夏季的。双层幕墙由于其传热系数比单层幕墙的传热系数低,空气渗透性能比单层幕墙优良,因此双层幕墙比单层幕墙节能。

  设室内外温差为△T ,由(8mm+12mmA+8mm)中空玻璃组成的单层幕墙的传热系数U0=2.8W/(㎡K), 由外层为19mm单层玻璃,空气层为500mm,内层幕墙为(8mm+12mmA+8mm)中空玻璃组成的双层幕墙的传热系数U1=1.2W/(㎡K)。由于空气渗透造成单层幕墙单位面积的能量损失为Q1,双层幕墙单位面积的能量损失为Q2。由于双层幕墙的空气渗透性能比单层幕墙优良,所以Q1>Q2。双层幕墙比单层幕墙的节能率为:

  这里的节能率仅考虑了环境温差和空气渗透的影响。还要考虑太阳辐射的作用。在夏季,双层幕墙的遮阳系数比单层幕墙的遮阳系数小,降低了夏季环境制冷的能耗,也就是说在夏季,双层幕墙的节能率大于57%。在冬季,设阳光的辐射强度为Ⅰ,单层幕墙的遮阳系数Sc1=0.72,双层幕墙的遮阳系数Sc2=0.57。由于双层幕墙减少阳光进入室内,增加了室内的采暖负荷。增加的能量损失率为:

  所以这种双层幕墙比单层幕墙节能率为36%~57%,效果极为明显。需要说明的是,由于双层幕墙设计时往往在通道中设置遮阳系统,使得双层幕墙的遮阳效果更好,因此双层幕墙的节能效果夏季更好。但遮阳系数是双刃剑,特别是玻璃和固定遮阳系统的遮阳效果是不可调整的,遮阳效应夏季是正作用,冬季是副作用,因此从节能效果考虑,玻璃幕墙的传热系数越低越节能,但遮阳系数并不是越低越节能,因为随着遮阳系数的降低,一定伴随着玻璃幕墙可见光透过率的降低,增加室内的照明能耗;同时随着遮阳系数的降低,也会增加冬季的采暖能耗,因此遮阳系数适度最节能。

  4.隔声性能

  计权隔声量是可以测量的,平均隔声量是可以计算的,即幕墙的隔声性能可完全定量分析。幕墙的平均隔声量按下式计算:

  对于由(8mm+12mmA+8mm)中空玻璃组成的单层幕墙,其平均隔声量为38dB。对于由外层为19mm单玻,空气层为500mm,内层幕墙为(8mm+12mmA+8mm)中空玻璃组成的双层幕墙,其平均隔声量为47dB,双层幕墙的隔声性能明显优于单层幕墙。双层幕墙隔声性能优异的原因有两个:其一是按质量定律,多一层幕墙玻璃将增加幕墙面密度,因此隔声量增加。其二是增加空气层的厚度将增加空气对声波振动的衰减作用,隔声量增加。

  5.烟窗效应

  双层幕墙在阳光照射下,通道内的空气将有温升。空气在通道内的时间越长,温升越大。因此,在通道内的空气将存在温度梯度,即△T≠0。上部温度高,下部温度低;上部空气比重小,下部空气比重大;上部空气压力小,下部空气压力大。在上下空气压差的作用下,通道内的空气将上升,这就是双层幕墙的烟囱效应。

  5.1 烟囱效应的自拔力

  通道内空气上下部压差称为空气的自拔力。根据大连地区相似工程实测结果,通道内空气上下部温差超过5℃。如通道下部进气口的温度取20℃,通道上部出风口的温度将达25℃。通道下部进气口处空气的比重W下=12.045N/m³,通道上部出风口处空气的比重W上为:

  考虑通道内空气有阻力,出风口的风速比2.5m/s要小很多。事实上,进气口和出气口都有迎面风速的影响,因此通道内的气流速度是非常紊乱的。

  6.环境舒适性

  由于双层幕墙外循环系统可以通过通道为室内更换新鲜空气,通道的存在为改善更换空气的质量提供了条件。例如影响北方空气质量的污染物主要是可吸入颗粒物,可在通道的进气口安置静电滤尘网或过滤P㎡.5的装置,也可在通道进气口的下方对空气进行喷雾,既使得进入室内的空气清新,同时又改善了室内的湿度,提高了居室的舒适度,见图9。

图9 通道为室内更换新鲜空气

  由于双层幕墙的传热系数比单层幕墙的传热系数低很多,因此在相同条件下,双层幕墙室内侧的表面温度夏季会比单层幕墙的低,冬季会比单层幕墙的高,人站在幕墙边温度的舒适感会好很多。

  我们居住的城市环境噪音日益增加,严重地影响室内人们的工作和生活,因此人们尽量增加建筑外维护结构的隔声量,以获得一安静的环境。双层幕墙的隔声量比单层幕墙高很多,因此隔声性能优异也是双层幕墙环境舒适性的表象之一。

  7.正确使用双层幕墙

  双层幕墙从设计构思、内容组成和工作过程各方面看,都是一个各专业协调合作的多功能系统,它与单层玻璃幕墙有很大差别,不仅有玻璃支撑结构,还包括建筑内部环境控制和建筑服务系统,通过双层幕墙可以控制室内光线,提供通风。因此相对单层幕墙来说对日常使用和维护提出了更高的要求。

  双层幕墙的使用原则是根据双层幕墙的原理充分发挥其先进性能。如在夏季和室外气温高于室内温度时,应考虑将进风口百叶打开,同时打开顶部通风口的开启扇,进风口百叶和顶部通风口的开启扇的角度应根据实际情况确定。在冬季或室内温度高于室外温度时,关闭进风口百叶和顶部通风口的开启扇。遮阳百叶的角度可根据阳光强度和室内采光的需要调整。进风口喷水池在温度较高的季节应当保持有水状态,注意注水并保持清洁。在冬季结冰天气来临之前,应将水池中的水排出,防止水池冻坏。应保持幕墙各部分完好,定期清洁、维护进风口、出风口、百叶系统、幕墙系统。

  8.结束语

  双层幕墙性能优异,特别是他的节能性能是毋庸置疑的,即无论是何种气候分区,也无论是冬季还是夏季,无论通道内空气是否流通,双层幕墙都是节能的,就像双层窗比单层窗节能是一个机理。双层幕墙的热环境舒适性、声学舒适性和通风舒适性也是非常明显的,加之其它优异性能,双层幕墙应该是高档幕墙的首选,具有广大的发展空间。


专家介绍

刘忠伟
铝门窗幕墙委员会专家组
工作单位:北京中新方建筑科技研究中心
技术职称:教授级高级工程师,工学博士
专业:1.建筑幕墙设计与计算。 2.建筑幕墙应用技术咨询;《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113主编。
专长:建筑玻璃应用科学与技术、建筑物理、建筑节能、建筑幕墙、门窗等专业的设计与研究。

  作者:刘忠伟
来源:2018《建筑门窗幕墙创新与发展》
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