雙層玻璃幕墻的特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀及與建筑設(shè)計(jì)要點(diǎn)
編輯：2021-10-25 13:14:21
與傳統(tǒng)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(yōu)勢(shì)能否發(fā)揮，還取決于建筑和幕墻的設(shè)計(jì)是否合理。目前上時(shí)雙層玻璃幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展仍以基礎(chǔ)研究為主，相對(duì)于直接指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)仍有距離該文在綜述國(guó)內(nèi)外理論和實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀的基拙上，根據(jù)國(guó)內(nèi)目前該類建筑設(shè)計(jì)的合作方式和流程，提出根據(jù)方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)三個(gè)階段的不同任務(wù)采取相應(yīng)的輔助設(shè)計(jì)方法，強(qiáng)調(diào)應(yīng)加強(qiáng)時(shí)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，以指導(dǎo)建筑師在方案設(shè)計(jì)階段正確把握雙層玻璃幕墻和建筑設(shè)計(jì)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能。
當(dāng)今玻璃幕墻在現(xiàn)代建筑，特別是高層辦公建筑中的風(fēng)靡程度有增無(wú)減，它幾乎是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(xiàn)代主義風(fēng)格的影響，而玻璃幕墻不僅外觀簡(jiǎn)潔、通透、富有現(xiàn)代感，甚至可以象征企業(yè)實(shí)力和形象.因而受到眾多業(yè)主和建筑師的青睞。然而，人們?yōu)榱诉@種獨(dú)特的外觀也付出了沉重的代價(jià)，由于傳統(tǒng)玻璃幕墻的保溫、隔熱性能均遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)墻體，又缺乏合理減少夏季太陽(yáng)過(guò)熱的措施，大大增加了該類建筑的空調(diào)和采暖能耗。近我國(guó)推出公共建筑設(shè)計(jì)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)玻璃幕墻提出了更嚴(yán)格的熱工要求。
雙層玻璃幕墻的特點(diǎn)
與傳統(tǒng)玻璃幕墻相比，雙層玻璃幕（Double Skin Falade，以后簡(jiǎn)稱DsF)獨(dú)特的夾層設(shè)計(jì)，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(yáng)構(gòu)件提供了一個(gè)棲身之地，使之既能有效遮陽(yáng)，又不破壞建筑外觀。此外，它還可以通過(guò)強(qiáng)化通風(fēng)降溫來(lái)降低建筑能耗，因而倍受建筑師的推崇。
采用雙層玻璃幕不僅會(huì)增加初投資，犧牲可觀的建筑面積，同時(shí)其維修費(fèi)用也高出一般幕墻。而且，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為雙層玻璃幕一定具有更好的保溫、隔熱、通風(fēng)等熱工性能，目前“大多數(shù)類型的雙層玻璃幕都不能同時(shí)減少采暖和制冷負(fù)荷，只有根據(jù)具體情況把不同類型結(jié)合起來(lái)或改變系統(tǒng)設(shè)置，才可能比傳統(tǒng)的隔熱玻璃加外遮陽(yáng)方案有實(shí)質(zhì)性進(jìn)步。例如，突出的問(wèn)題是如何合理地設(shè)計(jì)夾層的尺寸，因?yàn)槠淇臻g過(guò)小將直接影響雙層玻璃幕夏季和過(guò)渡季的通風(fēng)降溫效果過(guò)大則降低了空間使用效率。而如果完全依靠機(jī)械通風(fēng)，雖然可以減小夾層寬度，但也存在著如何在通風(fēng)降溫效果和風(fēng)機(jī)能耗之間作優(yōu)化的問(wèn)題此外，夾層自然通風(fēng)還受室外風(fēng)速和風(fēng)向的影響較大，目前還沒(méi)有令人滿意的整套方法可以指導(dǎo)選擇設(shè)計(jì)條件，預(yù)測(cè)運(yùn)行效果，并指導(dǎo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)。在各國(guó)的實(shí)踐當(dāng)中也不乏有許多不太成功的例子?？梢?jiàn)，雙層玻璃幕的選用、設(shè)計(jì)的決策過(guò)程受到審美、熱舒適和節(jié)能二方面因素的影響(圖l)，不是簡(jiǎn)單的“用了就好”。
雙層玻璃幕國(guó)外相關(guān)研究現(xiàn)狀
雙層玻璃幕的節(jié)能研究在國(guó)外，特別是歐洲已經(jīng)開展了有二十余年，主要集中在只個(gè)方面?zhèn)鳠徇^(guò)程研究、和建筑運(yùn)行模式結(jié)合的研究以及全生命周期分析.其中前兩個(gè)方面取得了較多研究成果。作為指導(dǎo)工程決策有力的依據(jù)，全生命周期分析是整個(gè)研究的終目標(biāo)，而和建筑運(yùn)行模式結(jié)合的研究正是把微觀的傳熱研究成果與宏觀的聯(lián)合了幕墻系統(tǒng)、建筑及空調(diào)系統(tǒng)的大模型連接起來(lái)的紐帶，對(duì)實(shí)現(xiàn)建筑的全年能耗模擬至關(guān)重要。
傳熱過(guò)程研究主要包括理論和實(shí)驗(yàn)兩方面的研究。其中理論研究又分為節(jié)點(diǎn)控制容積方法和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬法，實(shí)驗(yàn)研究的目的則在于探討傳熱系數(shù)或者對(duì)流換熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，。這些研究結(jié)果可以輔助建立數(shù)值模型，例如Grabe研究發(fā)現(xiàn)，夾層中的自然流動(dòng)阻力系數(shù)不能采用手冊(cè)中給出的機(jī)械流動(dòng)下的阻力系數(shù)玻璃表面對(duì)流換熱系數(shù)和整個(gè)窗戶的傳熱系數(shù)均隨著內(nèi)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(qū)后者的變化可以忽略。
和建筑運(yùn)行模式結(jié)合的研究包括在特定建筑布局條件下的自然通過(guò)改果研究和結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)的研究。計(jì)算方法主要有利用商業(yè)能耗模擬軟件和根據(jù)網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算原理二次開發(fā)兩種。荷蘭學(xué)者Paassen的研究結(jié)果表明，簡(jiǎn)單的夜間機(jī)械通風(fēng)能降低40%的裝機(jī)容量和能耗，如果考慮采用可控窗戶以及天氣預(yù)測(cè)系統(tǒng)，節(jié)能潛力達(dá)到70%以比利時(shí)的Gratia模擬發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)幕墻間距小于40cm才會(huì)存在明顯的壓力損失，在大多數(shù)幕墻中，主要壓力損失出現(xiàn)在空氣出口;對(duì)于南面幕墻，自然通風(fēng)開口大小對(duì)夾層內(nèi)溫度影響很大，但是在前面則影響很小.在夜間利用穿堂風(fēng)非常可行，但是在白天要非常慎重，防止熱空氣進(jìn)人室內(nèi)。采用拔風(fēng)煙囪則可以保證即使沒(méi)有風(fēng)壓作用，頂層建筑也能達(dá)到通風(fēng)效果，但是需要調(diào)節(jié)開口大小以平衡各層通風(fēng)量。李保峰在其博士論文中對(duì)中國(guó)冬冷夏熱氣候條件下雙層玻璃幕的熱工性能做了大量實(shí)驗(yàn)研究，提出外循環(huán)式更適宜這種氣候，而夾層寬度以400mm為宜，夏季通風(fēng)應(yīng)以風(fēng)壓為主而不是熱壓，遮陽(yáng)百葉以及內(nèi)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(shí)，一些建筑的實(shí)測(cè)結(jié)果為設(shè)計(jì)者提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。Pasquav在德國(guó)西門子大樓的測(cè)試結(jié)果表明，如果允許出現(xiàn)短暫高溫，整個(gè)大樓全年可以采用自然通風(fēng)，如果不設(shè)吊頂，夜間通風(fēng)的效果可以大大提高。大樓采用地源熱泵系統(tǒng)供冷，可滿足全年要求。作者同時(shí)指出雙層玻璃幕并不是在任何地方和任何建筑都是節(jié)能的，一些模擬假設(shè)的邊界條件需要仔細(xì)考慮，例如幕墻周邊的溫度往往要比氣象觀測(cè)溫度高幾度;對(duì)于每層隔斷的雙層玻璃幕，幕墻中的換氣量更取決于風(fēng)速和風(fēng)向，而不是煙囪效應(yīng)在設(shè)計(jì)中應(yīng)該將雙層幕墻空間與通風(fēng)口隔斷以防止夏季熱風(fēng)倒灌，或者設(shè)計(jì)小面積的雙層玻璃幕而不是整面，或者像德國(guó)的Dehi，中心那樣在炎熱季節(jié)完全打開外表幕墻，但是這種設(shè)計(jì)的造價(jià)較高，同時(shí)導(dǎo)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雙層玻璃幕的研究還很少，主要研究指標(biāo)包括全生命周期經(jīng)濟(jì)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(xué)者Cetiner對(duì)伊斯坦布爾溫和氣候下的分析，結(jié)果表明雙層幕墻比單層幕墻節(jié)能方案節(jié)能23%，而單層幕墻的比雙層幕墻的便宜25%。在雙幕墻系統(tǒng)中，省能方案可以降低33.9%的能耗，貴的方案在全生命周期內(nèi)節(jié)省7.7%的資金。
綜合以上研究現(xiàn)狀來(lái)看，現(xiàn)有的研究成果中已經(jīng)有部分結(jié)論可以用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)，但是還無(wú)法滿足實(shí)際的需要。由于雙層玻璃幕傳熱過(guò)程復(fù)雜、一天當(dāng)中和全年當(dāng)中尺度不一、準(zhǔn)確的室外邊界條件不易獲得等原因，目前還沒(méi)有一種準(zhǔn)確、可靠的雙層玻璃幕建筑全年能耗模擬方法。同時(shí)，現(xiàn)有的計(jì)算方法操作復(fù)雜，對(duì)工程師要求很高，在工程應(yīng)用中不適合用來(lái)指導(dǎo)方案設(shè)計(jì)階段的工作，而適合用在深化設(shè)計(jì)階段。
雙層玻璃幕與建筑設(shè)計(jì)過(guò)程的結(jié)合
目前，關(guān)于雙層玻璃幕節(jié)能方面的研究主要集中在歐美的大學(xué)、科研院所和少數(shù)實(shí)力雄厚的工程設(shè)計(jì)公司。從事這方面的科研人員都具有深厚熱工知識(shí)背景，而研究的思路基本上都是從對(duì)雙層玻璃幕傳熱過(guò)程的分析出發(fā)，以探索合理的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)模擬方法為目標(biāo)，并且已經(jīng)取得了一些成果，比如已經(jīng)有能耗模擬軟件、CFD(ComututlonalRuldlFluid Dynamics計(jì)算流體力學(xué))模擬軟件等幾種公認(rèn)可以輔助能耗研究的方法。然而，這些方法普遍比較復(fù)雜，不僅不可能被建筑師掌握，就連一般學(xué)熱工出身的工程師也需要經(jīng)過(guò)特殊的培訓(xùn)才能掌握。也就是說(shuō)，雙層玻璃幕的節(jié)能研究還是屬于前沿領(lǐng)域，將其應(yīng)用于實(shí)際工程，特別是指導(dǎo)建筑師做設(shè)計(jì)還有較長(zhǎng)的路要走。
然而，工程實(shí)踐并不會(huì)因?yàn)榭蒲袥](méi)有充分發(fā)展而停止前進(jìn)步伐。事實(shí)上，近幾年來(lái)，北京、上海等國(guó)內(nèi)特大城市中也有一些豪華寫字樓、公寓陸續(xù)采用了雙層玻璃幕。然而這些項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行效果和所宣傳的普遍存在不同程度的差距，一些樓盤采用雙層玻璃幕并不是完全出于節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)性考慮，而是包含房地產(chǎn)炒作的目的。畢竟雙層玻璃幕有著時(shí)尚的外觀和先進(jìn)的理念，預(yù)計(jì)今后一段時(shí)間內(nèi)國(guó)內(nèi)還將大量涌現(xiàn)出這類建筑。工程實(shí)踐迫切需要經(jīng)驗(yàn)和理論研究的指導(dǎo)，但目前為止，很多關(guān)于雙層玻璃幕節(jié)能效果的基本問(wèn)題還沒(méi)有令人比較滿意的答案，比如:①雙層玻璃幕對(duì)北京、上海、深圳的氣候都適用么?節(jié)能效果是否明顯?②雙層玻璃幕是否同時(shí)適用于不同朝向的立面?其構(gòu)造相同么?③雙層玻璃幕適合什么類型的建筑?住宅值得使用嗎?……這些問(wèn)題看似簡(jiǎn)單、基本，實(shí)則非常尖銳，因?yàn)閷?duì)于任何一個(gè)打算采用雙層玻璃幕的項(xiàng)目而言，工作伊始就要回答這些問(wèn)題。雖然國(guó)外的大量實(shí)踐積累了一些經(jīng)驗(yàn)，但是雙層玻璃幕的實(shí)際運(yùn)行表現(xiàn)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(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮出來(lái)，創(chuàng)造舒適的室內(nèi)環(huán)境，避免夏季夾層內(nèi)過(guò)熱以及真正做到節(jié)能，并不是件容易的事。只有在設(shè)計(jì)中結(jié)合具體建筑的情況合理選型，并且充分做好正確的計(jì)算、模擬甚至實(shí)驗(yàn)的前提下才能實(shí)現(xiàn)。因此，國(guó)內(nèi)各大城市的建筑在采用雙層玻璃幕的決策中應(yīng)堅(jiān)持謹(jǐn)慎的態(tài)度，充分重視預(yù)先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)工作。
而考察目前國(guó)內(nèi)幕墻設(shè)計(jì)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(jīng)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(lái)完成施工圖設(shè)計(jì)，其間主要的考慮因素是結(jié)構(gòu)安裝和防止冷橋。后暖通設(shè)備工程師再根據(jù)廠家提供的幕墻參數(shù)計(jì)算空調(diào)負(fù)荷，所采用的方法也基本上是在傳統(tǒng)墻體房間負(fù)荷計(jì)算的基礎(chǔ)上做一些修改，由于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)常常設(shè)定很高的安全系數(shù)，導(dǎo)致大量能源浪費(fèi)。在這樣的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果建筑師對(duì)雙層玻璃幕沒(méi)有比較深人的了解，缺乏建筑節(jié)能整體設(shè)計(jì)策略，就不可能真正發(fā)揮出雙層玻璃幕的優(yōu)勢(shì)。相反，國(guó)內(nèi)外一些成功的案例，比如法蘭克福商業(yè)銀行、位于波恩的DeutschePost以及國(guó)內(nèi)剛建成的清華大學(xué)超低能耗樓，正是從建筑方案設(shè)計(jì)階段開始就把圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有機(jī)地考慮進(jìn)去(圖2)，逐步深人發(fā)展，終把雙層玻璃幕的節(jié)能和生態(tài)優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)。
可見(jiàn)，為了避免損失，國(guó)內(nèi)應(yīng)盡快探索能正確指導(dǎo)雙層玻璃幕實(shí)踐的理論和經(jīng)驗(yàn)。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(jī)理出發(fā)。這方面的研究固然非常重要，然而國(guó)內(nèi)有能力開展這類計(jì)算、實(shí)驗(yàn)研究的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)并不多，而且目前這些方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，尚不能滿足當(dāng)前方案設(shè)計(jì)階段的需要。所以，我們必須同時(shí)探索能夠更為直接地指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)的方法?？紤]到一般建筑師的工作和思考方式，應(yīng)該為他們提供一些比理論計(jì)算研究更為直觀的設(shè)計(jì)依據(jù)，諸如一些方便查詢的手冊(cè)。其中不僅應(yīng)該比較系統(tǒng)地介紹雙層玻璃幕節(jié)能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，還應(yīng)總結(jié)歸納已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和科研成果，以圖表的形式直觀表達(dá)，使建筑師從一開始就可以根據(jù)項(xiàng)目所處地理位置、氣候條件、建筑規(guī)模和用途、建筑平面布局和使用情況等因素來(lái)判斷雙層玻璃幕的適用程度和合理的方案。此外，對(duì)以往相關(guān)作品的方案發(fā)展過(guò)程、雙層玻璃幕和建筑整體生態(tài)策略的配合，以及及得失之處的分析點(diǎn)評(píng)也是啟發(fā)和指導(dǎo)建筑師構(gòu)思的有效的方法之一。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(jié)，還需要充分考慮到現(xiàn)有理論和實(shí)驗(yàn)研究取得的成果，用正確的理論來(lái)分析經(jīng)驗(yàn)事實(shí)才能得到可信結(jié)論。
筆者認(rèn)為，針對(duì)雙層玻璃幕設(shè)計(jì)，建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中的三個(gè)階段(方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì))應(yīng)該各自有不同的任務(wù)和相應(yīng)的輔助設(shè)計(jì)手段(圖3)。在方案設(shè)計(jì)階段，由于已確定的建筑信息非常有限，應(yīng)主要依據(jù)其他工程經(jīng)驗(yàn)和理論研究的基本結(jié)論，再結(jié)合具體的氣候和周邊環(huán)境做出初步判斷，結(jié)合建筑室內(nèi)空間組織整體考慮，同時(shí)利用粗糙的模型開展模擬計(jì)算以輔助淘汰和選擇方案;在初步設(shè)計(jì)階段，建筑的基本尺寸、結(jié)構(gòu)和空調(diào)形式有待確定，可以對(duì)既有的幾個(gè)方案與HVAc(Heatin VentilationandAirConditioning暖通及空調(diào))系統(tǒng)組合，進(jìn)行全生命周期經(jīng)濟(jì)分析和全年能耗分析，選擇組合方案，方法主要是CFD和能耗模擬軟件，對(duì)于重要建筑還應(yīng)該進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和幕墻足尺實(shí)驗(yàn);后在施工圖設(shè)計(jì)階段，主要任務(wù)是深人優(yōu)化選定的方案，推敲尺寸設(shè)計(jì)，完成空調(diào)系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制方案，可依靠CFD模擬計(jì)算優(yōu)化雙層玻璃幕尺寸和出人口設(shè)計(jì)，以能耗模擬軟件輔助空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這樣可以使得雙層玻璃幕和建筑有機(jī)結(jié)合，建筑師與工程師有效合作，整個(gè)決策和設(shè)計(jì)過(guò)程有章可循。
我國(guó)對(duì)建筑節(jié)能的重視迫切要求能夠有效輔助雙層玻璃幕墻設(shè)計(jì)的方法，而國(guó)外目前取得的研究成果操作起來(lái)對(duì)工程師的要求較高，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，適合用于深人發(fā)展方案的后期階段。而初期的結(jié)合建筑設(shè)計(jì)的方案比較需要更適合建筑師掌握的、能更直接地指導(dǎo)工程實(shí)踐的方法。因此，在開展熱工理論、實(shí)驗(yàn)研究的同時(shí)，應(yīng)盡快開展對(duì)已有工程經(jīng)驗(yàn)的分析和總結(jié)，并針對(duì)建設(shè)項(xiàng)目在不同設(shè)計(jì)階段的特點(diǎn)和明確任務(wù)，提出可行的、真正使熱工研究成果服務(wù)于建筑設(shè)計(jì)的成果，從而保證雙層玻璃幕的優(yōu)勢(shì)更有效地發(fā)揮出來(lái)。