夏金紅，王攀登，李培培，夏艷紅，楊宏偉

（安徽麥吉幕墻設(shè)計(jì)有限公司，安徽 合肥230041）

1 研究背景

能源是人類(lèi)社會(huì)得以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，但在經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)的今天，能源危機(jī)的陰影一直籠罩著人們。同時(shí)，自從20世紀(jì)五、六十年代以來(lái)，臭氧層破壞、溫室效應(yīng)、酸雨等系列全球性環(huán)境問(wèn)題日益突出。人們已逐步認(rèn)識(shí)到保護(hù)我們賴(lài)以生存的地球環(huán)境是關(guān)系到人類(lèi)生死存亡的迫切任務(wù)。節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境已成為當(dāng)前人類(lèi)社會(huì)尋求可持續(xù)良性發(fā)展的主題之一。在發(fā)達(dá)國(guó)家，建筑物消耗了國(guó)家主要消費(fèi)能源的40%～50%，而其中的2/3～3/4卻是出于建筑師“自由創(chuàng)作”的“貢獻(xiàn)”。如今，生態(tài)建筑的興起正掀起了一輪基于生態(tài)理念的建筑節(jié)能研究。

中國(guó)的氣候較世界其他同緯度地區(qū)差，夏季比同緯度其他地區(qū)更熱，冬季比同緯度其他地區(qū)更冷，而中國(guó)夏熱冬冷地區(qū)的氣候更是極端。由于經(jīng)濟(jì)條件和國(guó)家能源政策的限制，長(zhǎng)期以來(lái)，夏熱冬冷地區(qū)的建筑設(shè)計(jì)無(wú)法適應(yīng)地域氣候特點(diǎn)，身陷“兩難”的局面（夏季無(wú)法充分防熱，冬季無(wú)法充分御冷）。當(dāng)前建筑設(shè)計(jì)向可持續(xù)性發(fā)展的一個(gè)明顯趨勢(shì)是從以前的密集型技術(shù)裝置到高效圍護(hù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。與三北地區(qū)和南方地區(qū)相比，適應(yīng)氣候變化的建筑表皮對(duì)夏熱冬冷地區(qū)具有更加重要的意義。

建筑的表皮在當(dāng)前愈來(lái)愈受到關(guān)注，但一般只是作為表面形式加以塑造，因而忽視了建筑表皮作為室外氣候和室內(nèi)小環(huán)境的過(guò)濾器和緩沖層，是影響室內(nèi)熱舒適度和建筑能耗的重要因素和關(guān)鍵部位。在極端氣候共存的夏熱冬冷地區(qū)，建筑表皮更加需要適應(yīng)性、可操作性的概念。

提到雙層皮玻璃幕墻，就會(huì)經(jīng)常說(shuō)其作為建筑表皮無(wú)論是在夏季還是在冬季都有很好的隔熱保溫性能。同溫室相似，雙層皮玻璃幕墻空腔間層的緩沖作用能夠節(jié)省大量的能源。本文是通過(guò)夏熱冬冷地區(qū)外圍護(hù)表皮體系（區(qū)別于內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系），即單、雙層皮玻璃幕墻和雙層皮玻璃幕墻之間的室內(nèi)熱環(huán)境實(shí)驗(yàn)比較，總結(jié)夏熱冬冷地區(qū)雙層皮玻璃幕墻的技術(shù)對(duì)御寒防熱的效果[1]。

2 理論技術(shù)路線

雙層皮玻璃幕墻是由內(nèi)、外層玻璃，空腔間層及相關(guān)配件等技術(shù)手段共同組成的一個(gè)可動(dòng)態(tài)適應(yīng)氣候環(huán)境的建筑外圍護(hù)體系。其主要強(qiáng)調(diào)的是對(duì)氣候的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性，區(qū)別于“智能外圍護(hù)結(jié)構(gòu)”所側(cè)重的“主動(dòng)控制”的特征。

從技術(shù)層面來(lái)說(shuō)，雙層皮玻璃幕墻包括緩沖體系、抽風(fēng)體系和呼吸體系，其中，呼吸體系（像皮膚一樣對(duì)環(huán)境敏感應(yīng)變和自我控制調(diào)節(jié)的新雙層皮玻璃幕墻技術(shù)）與眾不同之處在于其內(nèi)外皮上均開(kāi)口，根據(jù)外部氣候變化和室內(nèi)熱環(huán)境變化進(jìn)行自然通風(fēng)，實(shí)現(xiàn)外墻呼吸的功能。自然通風(fēng)既可以避免空腔層出現(xiàn)高溫，又可進(jìn)行夜間自然冷卻降溫，并允許使用者依據(jù)自己的需要進(jìn)行通風(fēng)，減少辦公建筑綜合癥的發(fā)生。

“夏熱”問(wèn)題的主要矛盾是太陽(yáng)輻射（由直射、散射及環(huán)境反射組成），其中陽(yáng)光直射得熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于漫射得熱量。玻璃是一種幾近完美的太陽(yáng)能短波透射材料，但會(huì)過(guò)濾大部分太陽(yáng)長(zhǎng)波輻射，所以不可能把總輻射透射降低到50%以下而不影響光透射。且玻璃具有較低的熱傳導(dǎo)率（1.42 W/m·℃），室外較高的氣溫通過(guò)傳導(dǎo)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響相對(duì)較小。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)單層皮玻璃幕墻，由于玻璃的光透射性質(zhì)，太陽(yáng)可見(jiàn)輻射進(jìn)入室內(nèi)后，室內(nèi)遮陽(yáng)雖然反射了部分直射光，但是遮陽(yáng)構(gòu)件吸收及反射的熱量形成熱輻射，無(wú)法穿透玻璃，造成室內(nèi)過(guò)熱。而標(biāo)準(zhǔn)雙層皮玻璃幕墻的層間遮陽(yáng)構(gòu)件吸收及反射形成的熱輻射，被內(nèi)層玻璃阻隔，通過(guò)空腔氣流，帶出室外（西向單層皮玻璃幕墻室內(nèi)太陽(yáng)總輻射峰值達(dá)62 W/m2，而雙層皮玻璃幕墻僅有15 W/m2），實(shí)現(xiàn)室外氣候和室內(nèi)小環(huán)境的過(guò)濾器和緩沖層作用。在高溫的夏季，持續(xù)烘烤的西向比其他方向更能體現(xiàn)雙層皮玻璃幕墻通風(fēng)空腔的緩沖效應(yīng)帶來(lái)的防熱差異。其一，雙層皮玻璃幕墻空腔與室外的持續(xù)高溫差（峰值溫度差高達(dá)5℃）有助于氣流循環(huán)和熱量交換；其二，雙層皮玻璃幕墻對(duì)太陽(yáng)直接輻射能的遮擋效率明顯要高?？偟膩?lái)說(shuō)，在保證雙層皮玻璃幕墻實(shí)驗(yàn)房空腔間層較好的通風(fēng)條件下，雙層皮玻璃幕墻在各個(gè)朝向均有較好的防熱優(yōu)勢(shì)，尤其是西向。對(duì)于玻璃幕墻建筑，在不使用特殊玻璃（降低K值），不使用主動(dòng)設(shè)備的情況下，僅采用建筑構(gòu)造的辦法（雙層皮玻璃幕墻）就能大大降低夏季室內(nèi)溫度以及玻璃內(nèi)表面溫度。這對(duì)夏熱冬冷地區(qū)玻璃幕墻建筑的節(jié)能產(chǎn)生直接的影響。

3 雙層玻璃幕墻結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)受熱影響分析

雙層玻璃幕墻又稱(chēng)呼吸式玻璃幕墻或熱通道幕墻[2]，其分為三個(gè)部分，分別為外層幕墻、內(nèi)層幕墻、中間層；一般外層幕墻采用單層或者夾層玻璃結(jié)構(gòu)，中間層為空氣層，一般有300～2 000 mm寬度，內(nèi)層一般采用雙層中空玻璃。玻璃幕墻性能最重要的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)——隔熱。熱量的傳遞有3種方式，分別為導(dǎo)熱、對(duì)流換熱、輻射換熱；采用雙層中空玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)，可以最大程度地減少外界輸入的導(dǎo)熱熱量。中空結(jié)構(gòu)可以增大對(duì)流換熱量，但是，該結(jié)構(gòu)輻射換熱量并沒(méi)有降低。因此，光從導(dǎo)熱與對(duì)流的途徑降低傳熱是不夠的，必須同時(shí)從導(dǎo)熱、對(duì)流與熱輻射三個(gè)途徑采取措施確保幕墻的隔熱效果。

本文主要采用在基礎(chǔ)的雙層中控結(jié)構(gòu)玻璃幕墻的中間層內(nèi)加裝遮陽(yáng)簾與調(diào)整進(jìn)出風(fēng)口的大小兩個(gè)途徑來(lái)滿(mǎn)足人們?cè)谙募九c冬季對(duì)玻璃幕墻隔熱性能的要求。

3.1 夏季1（雙層幕墻結(jié)構(gòu)）

“夏熱”問(wèn)題的主要矛盾是太陽(yáng)輻射（由直射、散射及環(huán)境反射組成）其中陽(yáng)光直射得熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于漫射得熱量。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)單層皮玻璃幕墻，由于玻璃的光透射性質(zhì)，太陽(yáng)可見(jiàn)輻射進(jìn)入室內(nèi)后，室內(nèi)遮陽(yáng)雖然反射了部分直射光，但是遮陽(yáng)構(gòu)件吸收及反射的熱量形成熱輻射，無(wú)法穿透玻璃，造成室內(nèi)過(guò)熱。而標(biāo)準(zhǔn)雙層皮玻璃幕墻的層間遮陽(yáng)構(gòu)件吸收及反射形成的熱輻射，被內(nèi)層玻璃阻隔，通過(guò)空腔氣流，帶出室外（單層皮玻璃幕墻室內(nèi)太陽(yáng)總輻射峰值達(dá)62 W/m2，而雙層皮玻璃幕墻僅有15 W/m2），實(shí)現(xiàn)室外氣候和室內(nèi)小環(huán)境的過(guò)濾器和緩沖層作用。

普通雙層玻璃結(jié)構(gòu)幕墻傳熱過(guò)程如圖1所示，室外的熱量通過(guò)太陽(yáng)輻射、對(duì)流傳熱與導(dǎo)熱進(jìn)入中間層，中間層是中空結(jié)構(gòu)，里面存在對(duì)流換熱，外界的通過(guò)輻射與對(duì)流傳熱中間層的熱量被中間層內(nèi)部的對(duì)流換熱形式帶出建筑物外墻，減少外界熱量輸入建筑物外墻，仍然有很大一部分熱量通過(guò)輻射換熱直接進(jìn)入建筑物外墻，從而改變室內(nèi)溫度。

圖1 普通雙層玻璃結(jié)構(gòu)幕墻傳熱過(guò)程示意圖

3.2 夏季2（雙層玻璃幕墻+遮陽(yáng)簾結(jié)構(gòu)）

通過(guò)在雙層玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的中間層中增加遮陽(yáng)簾，避免陽(yáng)光直射建筑物外墻，可以減少外墻的輻射換熱，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

從圖2中可以看出，夏季時(shí)候，中間層增加遮陽(yáng)簾后，陽(yáng)光輻射熱量直接傳遞在遮陽(yáng)簾上，并未進(jìn)入建筑物外墻中，在遮陽(yáng)簾中的熱量，被中間層內(nèi)的空氣對(duì)流帶走，減少傳遞給建筑外墻的熱量。通過(guò)增大中間層的空氣流量，達(dá)到降溫中間層的目的。增加遮陽(yáng)簾的主要目的是大大減小了輻射換熱，使建筑物外墻的溫度受外界溫度的影響大大降低[3]。

圖2 夏季遮陽(yáng)簾放下時(shí)幕墻傳熱示意圖

3.3 夏季3（呼吸系統(tǒng)循環(huán)方式）

呼吸系統(tǒng)的循環(huán)方式主要分為內(nèi)循環(huán)與外循環(huán)。內(nèi)循環(huán)是指與室內(nèi)通風(fēng)相連，外循環(huán)是指與外界大氣相連。

在夏季時(shí)候，主要是防熱，將室內(nèi)的熱量釋放到外界中，避免室內(nèi)蓄熱，所以要選擇外循環(huán)。

3.4 冬季1（不使用遮陽(yáng)簾）

冬季時(shí)候，外界溫度低，室內(nèi)需要保溫，減少熱量的損失，減小通風(fēng)口通風(fēng)面積，減少通風(fēng)量，收起遮陽(yáng)簾，如圖3所示，讓外界的陽(yáng)光直射外墻上，從而吸收更多的輸入熱量，降低室內(nèi)熱量的損失。

圖3 冬季遮陽(yáng)簾收起時(shí)幕墻傳熱示意圖

3.5 冬季2（循環(huán)方式）

冬季白天溫度高，晚上溫度低。較小的保溫空腔有利于延長(zhǎng)冬季夜間室內(nèi)向室外的放熱時(shí)間。結(jié)合這一實(shí)際情況，需要在冬季的白天進(jìn)行蓄熱，冬季晚上進(jìn)行保溫。在冬季的白天，打開(kāi)內(nèi)循環(huán)，有利于提高室內(nèi)空氣溫度；在冬季夜間，無(wú)氣循環(huán)則有利于室內(nèi)溫度的保溫。

3.6 通風(fēng)口的設(shè)置

一般而言，在夏季，玻璃和遮陽(yáng)簾吸收熱量，幕墻內(nèi)部溫度高于室溫，開(kāi)啟外層玻璃的上下風(fēng)口形成外循環(huán)氣流，利用自然通風(fēng)或機(jī)械通風(fēng)帶走其中熱量，可以減少進(jìn)入室內(nèi)的熱量，降低制冷負(fù)荷。冬季收起遮陽(yáng)簾，冬季白天需要蓄熱，打開(kāi)內(nèi)循環(huán)通風(fēng)口，關(guān)閉外循環(huán)通風(fēng)口，最大程度吸收熱量；冬季的晚上將內(nèi)外通風(fēng)口全部關(guān)閉，空腔封閉以隔熱，從而減少向室外的熱損失。在過(guò)渡季節(jié)，為有效利用自然風(fēng)，開(kāi)啟外側(cè)玻璃上風(fēng)口、內(nèi)側(cè)玻璃下風(fēng)口，或者開(kāi)啟外側(cè)玻璃下風(fēng)口、內(nèi)側(cè)玻璃的上風(fēng)口，從而形成斜對(duì)角氣流。

通過(guò)《傳熱學(xué)》與《流體力學(xué)》的知識(shí)可知，在夏季時(shí)候，應(yīng)該采用外循環(huán)模式，放下遮陽(yáng)簾，減少熱量向室內(nèi)傳遞；在冬季時(shí)候，要關(guān)閉通道，收起遮陽(yáng)簾，減少室內(nèi)熱量向外界傳遞；春秋季時(shí)候，室內(nèi)外溫度相差不大，主要打開(kāi)斜對(duì)角氣流模式，對(duì)室內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)換氣。換熱結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 換熱結(jié)構(gòu)

4 高層建筑玻璃幕墻結(jié)構(gòu)選擇

采用遮陽(yáng)簾結(jié)構(gòu)比單純的雙層中空結(jié)構(gòu)更具有保溫性能，可以很好地降低輻射換熱，避免太陽(yáng)直射室內(nèi)墻壁，造成室內(nèi)升溫。

通過(guò)改變通的風(fēng)道運(yùn)行模式，可以在一定程度上做到隔熱保溫，在炎熱的夏季，主要時(shí)通過(guò)增大外循環(huán)通風(fēng)量，將熱量帶離幕墻，起到對(duì)室內(nèi)的保溫；在寒冷的冬季，主要是關(guān)閉外循環(huán)，或者開(kāi)啟內(nèi)循環(huán)，減少室內(nèi)熱量的散失，此外，玻璃幕墻使用的效果影響因素眾多，包括輻射中涉及的外墻著色、遮陽(yáng)材料，建筑物朝向等，都不在本文討論范圍內(nèi)，然而這些因素也實(shí)實(shí)在在地影響著幕墻的整體使用效果，降低能源消耗。從傳熱原理+結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合的角度出發(fā)，會(huì)使玻璃幕墻的使用效果大大提升，加快設(shè)計(jì)理念的更新，提供一個(gè)更適合人類(lèi)居住的環(huán)境。