趙 飛 ZHAO Fei

0 引言

在我國，作為三大能源消耗部門的建筑業(yè)，其能耗約占全國總能源消耗的20%～30%。我國建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展面臨著能源利用效率低、室內(nèi)環(huán)境舒適度較差等一系列問題。為解決這些問題，黨中央、國務(wù)院提出推進(jìn)能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命、全面建設(shè)生態(tài)文明、把綠色發(fā)展理念貫穿城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)管理全過程等發(fā)展戰(zhàn)略[1]。同時(shí)，隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，建筑品質(zhì)及舒適度、建筑能源利用效率及綠色消費(fèi)等方面越來越多地受到關(guān)注。截止2017年底，上海市共1 592棟公共建筑實(shí)現(xiàn)與能耗監(jiān)測平臺(tái)的數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)。2017年，與能耗監(jiān)測平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的公共建筑年總用電量達(dá)到80.5億kWh，辦公建筑、商場建筑、綜合建筑與旅游飯店建筑用電量占總量的85.9%[2]。其中，由于辦公建筑大多造型豐富、形體較復(fù)雜、窗墻比較大，因此，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能成為影響建筑能耗的主要因素[3]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前400m以上的超高層建筑，全部采用玻璃幕墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)[5]。雖然玻璃幕墻能夠?yàn)槭褂谜咛峁└ㄍ傅囊曇昂透渥愕淖匀徊晒?，但同時(shí)也會(huì)因過多的太陽輻射而引起建筑能耗的升高和熱舒適度的下降。雙層玻璃幕墻的應(yīng)用與發(fā)展，為解決這一問題帶來了契機(jī)。雙層玻璃幕墻是由外層玻璃幕墻、空氣間層和內(nèi)層玻璃幕墻組成的多層結(jié)構(gòu)。內(nèi)外層幕墻之間形成一個(gè)相對(duì)封閉的空氣間層,空氣在此間層內(nèi)流動(dòng)并與內(nèi)外幕墻不斷進(jìn)行熱量交換。雙層玻璃幕墻在經(jīng)過合理設(shè)計(jì)的前提下，具有美觀通透、冬季保溫夏季隔熱、降低風(fēng)壓、減少人工照明等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也會(huì)有費(fèi)用高、消防難度大等缺點(diǎn)[4]。采用雙層玻璃幕墻的、比較具有代表性的超高層建筑，如，632m 的上海中心大廈，采用了分離式雙層玻璃幕墻系統(tǒng)，有效降低了建筑能耗，提高了室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)，也是該建筑最關(guān)鍵的綠色設(shè)計(jì)技術(shù)策略[6]；廣州303m 的珠江城作為廣東省“零能耗”的節(jié)能示范性超高層建筑，將雙層玻璃幕墻與光伏遮陽板、風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)合，在改善室內(nèi)環(huán)境的同時(shí)有效利用了清潔能源[7]；408m 的武漢中心也采用了雙層幕墻，其中外幕墻為光伏幕墻[8]。

本文對(duì)各類型雙層玻璃幕墻特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并以上海世博園中正在施工中的中國銀聯(lián)業(yè)務(wù)運(yùn)營中心大樓為例，討論了雙層玻璃幕墻在超高層建筑中降低建筑能耗、調(diào)節(jié)室內(nèi)熱舒適度的作用。

1 雙層玻璃幕墻的分類及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)

雙層玻璃幕墻兩層表皮之間的空氣腔通常起到通風(fēng)和溫度調(diào)節(jié)的作用。根據(jù)空氣腔的通風(fēng)方式，可以分為自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)和混合通風(fēng)三類。自然通風(fēng)利用不同開口的氣壓差（氣流從氣壓高的開口進(jìn)入，從氣壓低的開口排出）或煙囪效應(yīng)（空氣腔內(nèi)的空氣在太陽輻射熱的作用下溫度升高，密度變小，向上運(yùn)動(dòng)最終由上口排出，溫度較低的空氣繼而由下口流入）。據(jù)研究[9]，當(dāng)空氣腔高度在2～4m，寬度0.1～0.8m，吸熱流100～400W/m2時(shí)，空氣流速基本為0.042～0.255kg/s,空氣溫度升高范圍在0.66～14.7°C；若希望達(dá)到比較好的通風(fēng)效果，其寬度應(yīng)該不大于0.6m；而若主要以提供熱空氣為主，空氣腔寬度應(yīng)大于0.2m。機(jī)械通風(fēng)則通過相關(guān)機(jī)械帶動(dòng)空氣腔中的空氣向某一方向流動(dòng)?；旌贤L(fēng)是在自然通風(fēng)無法達(dá)到預(yù)期效果時(shí)，使用機(jī)械通風(fēng)作為輔助手段。

根據(jù)空氣腔的開閉運(yùn)作模式，可以將雙層玻璃幕墻分為5種[10]（圖1）。當(dāng)空氣腔上下兩端打開時(shí)，可根據(jù)室外環(huán)境條件和室內(nèi)環(huán)境的具體需求，起到一定通風(fēng)和溫度調(diào)節(jié)的作用。例如，圖1（1）排風(fēng)模式，主要利用空氣流通將室內(nèi)廢氣帶出，而與之相對(duì)的圖1（2）送風(fēng)模式，則用于向室內(nèi)提供新鮮的空氣，這種模式更適合于冬季，因?yàn)樾迈r空氣在進(jìn)入空氣腔后，在受太陽輻射向上流動(dòng)過程中同時(shí)達(dá)到預(yù)熱的效果。圖1（4）外呼吸模式的主要作用是利用空氣腔內(nèi)的空氣流通對(duì)空氣腔進(jìn)行降溫，進(jìn)而達(dá)到夏季室內(nèi)降溫的目的,而圖1（5）內(nèi)呼吸模式則剛好與之相反，室內(nèi)空氣在進(jìn)入空氣腔后被加熱再回到室內(nèi)，在冬季起到提高室內(nèi)空氣溫度的作用。空氣腔可以采用自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)或混合通風(fēng)當(dāng)中的任意一種；當(dāng)空氣腔處于封閉狀態(tài)時(shí)，形成一個(gè)空氣“緩沖層”，起到保溫的作用，見圖1（3），這種模式常用于供暖期。

雙層玻璃幕墻空氣腔的劃分方式會(huì)直接影響雙層玻璃幕墻的熱工性能與通風(fēng)效果。因此，根據(jù)空氣腔的劃分方式，雙層玻璃幕墻還可以分為窗盒式、走廊式、豎井式和整體式（圖2），每種模式的定義和具體特點(diǎn)見表1。

2 雙層玻璃幕墻在中國銀聯(lián)業(yè)務(wù)運(yùn)營中心大樓中的應(yīng)用

2.1 工程概況

圖1 雙層幕墻開口的控制模式[11]

圖2 雙層玻璃幕墻按空氣腔劃分方式分類[12]

表1 根據(jù)空氣腔的劃分方式確定的雙層玻璃幕墻分類[13]

中國銀聯(lián)業(yè)務(wù)運(yùn)營中心位于上海浦東新區(qū)周家渡街道，為世博園東北角，東至國展路，北至世博大道，西鄰白蓮涇路，與黃浦江相對(duì)，擁有極佳的生態(tài)環(huán)境以及江岸景觀（圖3～5）。運(yùn)營中心由一座33層的塔樓及5層的裙房組成，主塔樓規(guī)劃高度 150m，裙房規(guī)劃高度24m，建筑東西向總長146m，南北向總長55m，塔樓平面尺寸為47.2m×47.2m，東西兩側(cè)裙房平面尺寸為38.7m×38.7m，三個(gè)體量通過兩層高的空中廊橋聯(lián)系起來，設(shè)計(jì)采用底層架空的手法以減少建筑在底層的占地面積。

圖3 建設(shè)場地位置圖

圖4 中國銀聯(lián)業(yè)務(wù)運(yùn)營中心夜景效果圖

從建筑的功能上劃分，地下1、2層為設(shè)備用房和停車庫，地下3層為機(jī)動(dòng)車停車庫和戰(zhàn)時(shí)人防區(qū)域；地上1～5層為裙房，主要功能是配套商業(yè)和商務(wù)、員工餐廳等；6層以上的主塔樓，功能主要為業(yè)務(wù)用房（圖6）?？偨ㄖ娣e 137 729m2，其中，地上建筑面積為 90 380m2，地下建筑面積 47 349m2。

圖5 建筑單體透視圖

2.2 幕墻設(shè)計(jì)

建筑立面設(shè)計(jì)以豎線條為主要肌理，外觀挺拔向上。立面綜合玻墻比為50%，利用金屬和玻璃規(guī)則而有序地交替布置，體現(xiàn)了一種理性。幕墻主要材質(zhì)分布見圖7。其中，金屬立面采用高品質(zhì)的氟碳噴涂鋁板，明亮且有光澤，通過內(nèi)凹的造型設(shè)計(jì)，設(shè)置了側(cè)向穿孔板，結(jié)合內(nèi)部的開啟窗，促進(jìn)了間接氣流循環(huán)，也確保了超高層室內(nèi)自然通風(fēng)時(shí)的舒適性。

除中央大廳、空中廊橋以外，其余部位的幕墻均為窗盒式雙層玻璃幕墻。通過腔體間設(shè)置的外遮陽及合理的通風(fēng)循環(huán)作用，提升整個(gè)維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工隔音性能及視線保護(hù)，達(dá)到綠色建筑的良好品質(zhì)。圖8、9展示了標(biāo)準(zhǔn)層的幕墻設(shè)計(jì)。1～ 32 層在雙層呼吸式幕墻的空氣腔中，設(shè)置了活動(dòng)遮陽百葉，內(nèi)幕墻設(shè)置開啟扇，每個(gè)單元外層幕墻的上下兩端設(shè)置了通風(fēng)槽。

圖6 功能分區(qū)圖

圖7 幕墻主要材質(zhì)示意圖

圖8 標(biāo)準(zhǔn)層室內(nèi)截面

圖9 標(biāo)準(zhǔn)層幕墻，每層進(jìn)氣口與出氣口示意圖

2.3 雙層玻璃幕墻的熱工性能分析

雙層玻璃幕墻運(yùn)行機(jī)制復(fù)雜，在不同環(huán)境條件下又表現(xiàn)出不同的熱工性能。在冬冷夏熱地區(qū)，雙層玻璃幕墻如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，很容易在夏季使室內(nèi)出現(xiàn)過多熱量積聚而引起空調(diào)能耗的增加。因此，雙層玻璃幕墻是否能夠真正達(dá)到降低建筑能耗，并改善室內(nèi)熱環(huán)境舒適度的目的，在設(shè)計(jì)階段就需要通過計(jì)算機(jī)仿真模擬手段進(jìn)行驗(yàn)證。該建筑1～28層的雙層玻璃幕墻主要依靠煙囪效應(yīng)進(jìn)行通風(fēng)，即采用自然通風(fēng)模式；29層及 29層以上的雙層玻璃幕墻采用機(jī)械通風(fēng)模式。為進(jìn)一步分析自然通風(fēng)模式下的雙層玻璃幕墻是否能夠達(dá)到保溫和通風(fēng)的效果，證明其可行性，在設(shè)計(jì)過程中采用了CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）方法，針對(duì)冬夏兩季空氣腔中的氣流和溫度場進(jìn)行模擬分析。

窗盒式雙層玻璃幕墻的空氣循環(huán)單元寬度為1 050mm，高度為3 000mm，幕墻構(gòu)造厚度（外層玻璃至型材末端）為400mm，內(nèi)外玻璃面間距為300mm，簾片放下后空氣層為190mm。進(jìn)氣口與出氣口尺寸 均 為25mm 高×1 050mm 長。腔體材料為周邊鋁合金，外側(cè)玻璃，內(nèi)側(cè)為局部玻璃、局部鋁板背襯，并有保溫隔斷。假定環(huán)境風(fēng)速2m/s，夏季日照強(qiáng)度按上海市8月正午晴天日照取值，環(huán)境溫度35℃，室內(nèi)溫度24℃；冬季日照強(qiáng)度按上海市1月正午晴天日照取值，環(huán)境溫度-5℃，室內(nèi)溫度26℃。使用的模擬軟件為AutoDesk CFD 2017。

圖10 氣流分析圖（夏季,簾片打開狀態(tài)）

圖11 溫度場分析圖（夏季，簾片打開工況）

圖12 氣流分析圖（夏季,簾片放下狀態(tài)）

圖13 溫度場分析圖（夏季，簾片放下狀態(tài)）

圖10、11分別為夏季簾片打開時(shí)的氣流分析圖和溫度場分析圖。由圖可知，空氣腔內(nèi)空氣絕對(duì)流速基本在0.2m/s左右，到出氣口處氣流速度明顯增加，達(dá)到約1m/s，沒有出現(xiàn)阻礙的情況?？諝馇粌?nèi)的熱量從出氣口排出，腔內(nèi)無明顯熱量積聚，且腔內(nèi)空氣溫度被控制在30°C以下，達(dá)到了夏季降溫的目的。圖12、13為夏季簾片放下狀態(tài)時(shí)的氣流分析圖和溫度場分析圖，可以看出，在此情況下，簾片外側(cè)為上升氣流，簾片內(nèi)測為下懸氣流，氣流更加有組織?？諝馇粌?nèi)的空氣在出氣口處以約1m/s的速度排出。簾片也起到了一定的阻擋熱輻射的作用。而到了冬季，在簾片收起時(shí)（圖14），空氣腔內(nèi)空氣的絕對(duì)速度控制在0.55m/s之內(nèi)，且腔內(nèi)氣流基本為回旋對(duì)流的形式，有效地起到了保溫的作用。

圖14 氣流分析圖（冬季，簾片收起狀態(tài)）

3 結(jié)語

以中國銀聯(lián)業(yè)務(wù)運(yùn)營中心為例，討論了雙層玻璃幕墻在超高層建筑中降低建筑能耗、提高室內(nèi)熱環(huán)境舒適度的作用。中國銀聯(lián)業(yè)務(wù)運(yùn)營中心采用了窗盒式雙層透光玻璃幕墻，根據(jù)分析，該幕墻可在冬季起到蓄熱作用，降低采暖能耗；夏季空腔內(nèi)的氣流不會(huì)積聚，熱量也會(huì)隨氣流排出，從而降低夏季蓄熱和空調(diào)能耗。雙層幕墻雖造價(jià)較單層幕墻略高，但由于其可隨外界環(huán)境條件調(diào)節(jié)的、優(yōu)越的熱工性能，適宜在冬冷夏熱地區(qū)超高層建筑中應(yīng)用。