雙層玻璃幕墻節能輔助設計方法探討

關于雙層玻璃幕墻節能輔助設計方法探討

　　論文關健詞：雙層玻璃幕墻 節能設計 輔助方法 設計階段

　　論文摘要：與傳統玻璃幕墻相比，雙層玻璃幕墻在一定程度上可改善建筑的熱工性能然而，其優勢能否發揮，還取決于建筑和幕墻的設計是否合理.目前世界上時雙層玻璃幕墻節能設計的研究進展仍以基礎研究為主，相對于直接指導工程設計仍有距離該文在綜述國內外理論和實驗研究現狀的基拙上，根據國內目前該類建筑設計的合作方式和流程，提出根據方案設計、初步設計和施工圖設計三個階段的不同任務采取相應的輔助設計方法，強調應加強時以往設計經驗的總結，以指導建筑師在方案設計階段正確把握雙層玻璃幕墻和建筑設計的結合，實現有效節能

　　1背景

　　當今玻璃幕墻在現代建筑，特別是高層辦公建筑中的風靡程度有增無減，它幾乎是世界各大城市辦公樓立面的一致選擇。主要原因之一是人們的審美傾向仍然受現代主義風格的影響，而玻璃幕墻不僅外觀簡潔、通透、富有現代感，甚至可以象征企業實力和形象.因而受到眾多業主和建筑師的青睞。然而，人們為了這種獨特的外觀也付出了沉重的代價，由于傳統玻璃幕墻的保溫、隔熱性能均遠不及傳統墻體，又缺乏合理減少夏季太陽過熱的措施，大大增加了該類建筑的空調和采暖能耗。最近我國推出公共建筑設計節能標準，對玻璃幕墻提出了更嚴格的熱工要求。

　　與傳統玻璃幕墻相比，雙層玻璃幕（Double Skin Falade，以后簡稱DsF)獨特的夾層設計，不僅為提高幕墻的保溫隔熱性能上提供了更多可能，更重要的是，為遮陽構件提供了一個棲身之地，使之既能有效遮陽，又不破壞建筑外觀。此外，它還可以通過強化通風降溫來降低建筑能耗，因而倍受建筑師的推崇。然而，采用DSF不僅會增加初投資，犧牲可觀的建筑面積，同時其維修費用也高出一般幕墻。而且，不能簡單地認為DSF一定具有更好的保溫、隔熱、通風等熱工性能，目前“大多數類型的DSF都不能同時減少采暖和制冷負荷，只有根據具體情況把不同類型結合起來或改變系統設置，才可能比傳統的隔熱玻璃加外遮陽方案有實質性進步””’。例如，最突出的問題是如何合理地設計夾層的尺寸，因為其空間過小將直接影響DSF夏季和過渡季的通風降溫效果過大則降低了空間使用效率。而如果完全依靠機械通風，雖然可以減小夾層寬度，但也存在著如何在通風降溫效果和風機能耗之間作優化的問題此外，夾層自然通風還受室外風速和風向的影響較大，目前還沒有令人滿意的整套方法可以指導選擇設計條件，預測運行效果，并指導節點構造設計。在世界各國的實踐當中也不乏有許多不太成功的例子�？梢姡珼SF的選用、設計的決策過程受到審美、熱舒適和節能二方面因素的影響(圖l)，不是簡單的“用了就好”。

　　2國外相關研究現狀

　　DSF的節能研究在國外，特別是歐洲已經開展了有二十余年，主要集中在只個方面傳熱過程研究、和建筑運行模式結合的研究以及全生命周期分析.其中前兩個方面取得了較多研究成果。作為指導工程決策最有力的依據，全生命周期分析是整個研究的最終目標，而和建筑運行模式結合的研究正是把微觀的傳熱研究成果與宏觀的聯合了幕墻系統、建筑及空調系統的大模型連接起來的紐帶，對實現建筑的全年能耗模擬至關重要。

　　傳熱過程研究主要包括理論和實驗兩方面的研究。其中理論研究又分為節點控制容積方法和計算流體動力學模擬法，實驗研究的目的則在于探討傳熱系數或者對流換熱系數的經驗公式，。這些研究結果可以輔助建立數值模型，例如Grabe研究發現，夾層中的自然流動阻力系數不能采用手冊中給出的機械流動下的阻力系數玻璃表面對流換熱系數和整個窗戶的傳熱系數均隨著內外層玻璃溫差呈線性變化，但是前者變化顯著，在溫和氣候地區后者的變化可以忽略。

　　和建筑運行模式結合的研究包括在特定建筑布局條件下的自然通過改果研究和結合空調系統的研究。計算方法主要有利用商業能耗模擬軟件和根據網絡法計算原理二次開發兩種。荷蘭學者Paassen的研究結果表明，簡單的夜間機械通風能降低40%的裝機容量和能耗，如果考慮采用可控窗戶以及天氣預測系統，節能潛力達到70%以比利時的Gratia模擬發現，只有當幕墻間距小于40cm才會存在明顯的壓力損失，在大多數幕墻中，主要壓力損失出現在空氣出口;對于南面幕墻，自然通風開口大小對夾層內溫度影響很大，但是在前面則影響很小.在夜間利用穿堂風非�？尚�，但是在白天要非常慎重，防止熱空氣進人室內。采用拔風煙囪則可以保證即使沒有風壓作用，頂層建筑也能達到通風效果，但是需要調節開口大小以平衡各層通風量。李保峰在其博士論文中對中國冬冷夏熱氣候條件下DsF的熱工性能做了大量實驗研究，提出外循環式更適宜這種氣候，而夾層寬度以400mm為宜，夏季通風應以風壓為主而不是熱壓，遮陽百葉以及內外幕墻比較理想的材料分別是穿孔的鋁合金和高透玻璃。

　　同時，一些建筑的實測結果為設計者提供了寶貴的經驗。Pasquav在德國西門子大樓的測試結果表明，如果允許出現短暫高溫，整個大樓全年可以采用自然通風，如果不設吊頂，夜間通風的效果可以大大提高。大樓采用地源熱泵系統供冷，可滿足全年要求。作者同時指出DSF并不是在任何地方和任何建筑都是節能的，一些模擬假設的邊界條件需要仔細考慮，例如幕墻周邊的溫度往往要比氣象觀測溫度高幾度;對于每層隔斷的DSF，幕墻中的換氣量更取決于風速和風向，而不是煙囪效應在設計中應該將雙層幕墻空間與通風口隔斷以防止夏季熱風倒灌，或者設計小面積的DSF而不是整面，或者像德國的Dehi，中心那樣在炎熱季節完全打開外表幕墻，但是這種設計的造價較高，同時導致冬季保溫性能降低。

　　從全生命周期分析特別是全年建筑能耗分析的角度考察DSF的研究還很少，主要研究指標包括全生命周期經濟性和全生命周期溫室氣體排放量。比較具有代表性的是土耳其學者Cetiner對伊斯坦布爾溫和氣候下的分析，結果表明雙層幕墻最高比單層幕墻最節能方案節能23%，而單層幕墻最便宜的比雙層幕墻最便宜的便宜25%。在雙幕墻系統中，最省能方案可以降低33.9%的能耗，最貴的方案在全生命周期內節省7.7%的資金。

　　綜合以上研究現狀來看，現有的研究成果中已經有部分結論可以用于指導設計，但是還無法滿足實際的需要。由于DSF傳熱過程復雜、一天當中和全年當中尺度不一、準確的室外邊界條件不易獲得等原因，目前還沒有一種準確、可靠的DSF建筑全年能耗模擬方法。同時，現有的計算方法操作復雜，對工程師要求很高，在工程應用中不適合用來指導方案設計階段的工作，而適合用在深化設計階段。

　　3與建筑設計過程的結合

　　目前，關于DSF節能方面的研究主要集中在歐美的大學、科研院所和少數實力雄厚的工程設計公司。從事這方面的科研人員都具有深厚熱工知識背景，而研究的思路基本上都是從對DSF傳熱過程的分析出發，以探索合理的數學模型和計算機模擬方法為目標，并且已經取得了一些成果，比如已經有能耗模擬軟件、CFD(ComututlonalRuldlFluid Dynamics計算流體力學)模擬軟件等幾種公認可以輔助能耗研究的方法。然而，這些方法普遍比較復雜，不僅不可能被建筑師掌握，就連一般學熱工出身的工程師也需要經過特殊的培訓才能掌握。也就是說，DSF的節能研究還是屬于前沿領域，將其應用于實際工程，特別是指導建筑師做設計還有較長的路要走。

　　然而，工程實踐并不會因為科研沒有充分發展而停止前進步伐。事實上，近幾年來，北京、上海等國內特大城市中也有一些豪華寫字樓、公寓陸續采用了DSF。然而這些項目的實際運行效果和所宣傳的普遍存在不同程度的差距，一些樓盤采用DSF并不是完全出于節能效果和經濟性考慮，而是包含房地產炒作的目的。畢竟DSF有著時尚的外觀和先進的理念，預計今后一段時間內國內還將大量涌現出這類建筑。工程實踐迫切需要經驗和理論研究的指導，但目前為止，很多關于DSF節能效果的基本問題還沒有令人比較滿意的答案，比如:①DSF對北京、上海、深圳的氣候都適用么?節能效果是否明顯?②DSF是否同時適用于不同朝向的立面?其構造相同么?③DSF最適合什么類型的建筑?住宅值得使用嗎?……這些問題看似簡單、基本，實則非常尖銳，因為對于任何一個打算采用DSF的項目而言，工作伊始就要回答這些問題。雖然國外的大量實踐積累了一些經驗，但是DSF的實際運行表現因不同城市的氣候條件，乃至單棟建筑周邊的情況都有很大差異。因此，想把它的優點充分發揮出來，創造舒適的室內環境，避免夏季夾層內過熱以及真正做到節能，并不是件容易的事。只有在設計中結合具體建筑的情況合理選型，并且充分做好正確的計算、模擬甚至實驗的前提下才能實現。因此，國內各大城市的建筑在采用DSF的決策中應堅持謹慎的態度，充分重視預先的計算和實驗工作。

　　而考察目前國內幕墻設計中的合作方式和流程，基本上都是在建筑體形、布局方案都已經確定之后，由建筑師做出基本的立面劃分方案，然后交給幕墻廠家來完成施工圖設計，其間主要的考慮因素是結構安裝和防止冷橋。最后暖通設備工程師再根據廠家提供的幕墻參數計算空調負荷，所采用的方法也基本上是在傳統墻體房間負荷計算的基礎上做一些修改，由于沒有經驗常常設定很高的安全系數，導致大量能源浪費。在這樣的設計過程中，如果建筑師對DSF沒有比較深人的了解，缺乏建筑節能整體設計策略，就不可能真正發揮出DSF的優勢。相反，國內外一些成功的案例，比如法蘭克福商業銀行、位于波恩的DeutschePost以及國內剛建成的清華大學超低能耗樓，正是從建筑方案設計階段開始就把圍護結構設計有機地考慮進去(圖2)，逐步深人發展，最終把DSF的節能和生態優勢充分發揮出來。

　　可見，為了避免損失，國內應盡快探索能正確指導DSF實踐的理論和經驗。但必須注意的是，我們不能一味沿著歐洲的研究思路.一切從傳熱機理出發。這方面的研究固然非常重要，然而國內有能力開展這類計算、實驗研究的科研機構和企業并不多，而且目前這些方法費時費力，尚不能滿足當前方案設計階段的需要。所以，我們必須同時探索能夠更為直接地指導建筑設計的方法�？紤]到一般建筑師的工作和思考方式，應該為他們提供一些比理論計算研究更為直觀的設計依據，諸如一些方便查詢的手冊。其中不僅應該比較系統地介紹DSF節能設計的基礎知識，還應總結歸納已有的設計經驗和科研成果，以圖表的形式直觀表達，使建筑師從一開始就可以根據項目所處地理位置、氣候條件、建筑規模和用途、建筑平面布局和使用情況等因素來判斷DSF的適用程度和合理的方案。此外，對以往相關作品的方案發展過程、DSF和建筑整體生態策略的配合，以及及得失之處的分析點評也是啟發和指導建筑師構思的最有效的方法之一。做這件工作不僅要收集很多案例資料，做一些基本的分類和總結，還需要充分考慮到現有理論和實驗研究取得的成果，用正確的理論來分析經驗事實才能得到可信結論。
　　筆者認為，針對DSF設計，建筑設計過程中的三個階段(方案設計、初步設計和施工圖設計)應該各自有不同的任務和相應的輔助設計手段(圖3)。在方案設計階段，由于已確定的建筑信息非常有限，應主要依據其他工程經驗和理論研究的基本結論，再結合具體的氣候和周邊環境做出初步判斷，結合建筑室內空間組織整體考慮，同時利用粗糙的模型開展模擬計算以輔助淘汰和選擇方案;在初步設計階段，建筑的基本尺寸、結構和空調形式有待確定，可以對既有的幾個方案與HVAc(Heatin VentilationandAirConditioning暖通及空調)系統組合，進行全生命周期經濟分析和全年能耗分析，選擇最佳組合方案，方法主要是CFD和能耗模擬軟件，對于重要建筑還應該進行風洞實驗和幕墻足尺實驗;最后在施工圖設計階段，主要任務是深人優化選定的方案，推敲尺寸設計，完成空調系統容量設計和自動控制方案，可依靠CFD模擬計算優化DSF尺寸和出人口設計，以能耗模擬軟件輔助空調系統設計。這樣可以使得DSF和建筑有機結合，建筑師與工程師有效合作，整個決策和設計過程有章可循。

　　結語

　　我國對建筑節能的重視迫切要求能夠有效輔助雙層玻璃幕墻設計的方法，而國外目前取得的研究成果操作起來對工程師的要求較高，且費時費力，適合用于深人發展方案的后期階段。而初期的結合建筑設計的方案比較需要更適合建筑師掌握的、能更直接地指導工程實踐的方法。因此，在開展熱工理論、實驗研究的同時，應盡快開展對已有工程經驗的分析和總結，并針對建設項目在不同設計階段的特點和明確任務，提出可行的、真正使熱工研究成果服務于建筑設計的成果，從而保證DSF的優勢更有效地發揮出來。

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