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概要： 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)勢能否發(fā)揮，還取決于建筑和幕墻的設(shè)計是否合理。
1背景
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(xiàn)代主義風(fēng)格的影響，而玻璃幕墻不僅外觀簡潔、通透、富有現(xiàn)代感，甚至可以象征企業(yè)實力和形象.因而受到眾多業(yè)主和建筑師的青睞。然而，人們?yōu)榱诉@種獨特的外觀也付出了沉重的代價，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過熱的措施，大大增加了該類建筑的空調(diào)和采暖能耗。最近我國推出公共建筑設(shè)計節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，對玻璃幕墻提出了更嚴(yán)格的熱工要求。
與傳統(tǒng)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(shè)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(gòu)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(fēng)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(rèn)為DSF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DSF都不能同時減少采暖和制冷負(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方案有實質(zhì)性進步””’。例如，最突出的問題是如何合理地設(shè)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(fēng)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(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)機能耗之間作優(yōu)化的問題此外，夾層自然通風(fēng)還受室外風(fēng)速和風(fēng)向的影響較大，目前還沒有令人滿意的整套方法可以指導(dǎo)選擇設(shè)計條件，預(yù)測運行效果，并指導(dǎo)節(jié)點構(gòu)造設(shè)計。在世界各國的實踐當(dāng)中也不乏有許多不太成功的例子?？梢?，DSF的選用、設(shè)計的決策過程受到審美、熱舒適和節(jié)能二方面因素的影響(圖l)，不是簡單的“用了就好”。
2國外相關(guān)研究現(xiàn)狀
DSF的節(jié)能研究在國外，特別是歐洲已經(jīng)開展了有二十余年，主要集中在只個方面?zhèn)鳠徇^程研究、和建筑運行模式結(jié)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(dǎo)工程決策最有力的依據(jù)，全生命周期分析是整個研究的最終目標(biāo)，而和建筑運行模式結(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)的大模型連接起來的紐帶，對實現(xiàn)建筑的全年能耗模擬至關(guān)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(jié)點控制容積方法和計算流體動力學(xué)模擬法，實驗研究的目的則在于探討傳熱系數(shù)或者對流換熱系數(shù)的經(jīng)驗公式，。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)，夾層中的自然流動阻力系數(shù)不能采用手冊中給出的機械流動下的阻力系數(shù)玻璃表面對流換熱系數(shù)和整個窗戶的傳熱系數(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改果研究和結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)的研究。計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，簡單的夜間機械通風(fēng)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(yù)測系統(tǒng)，節(jié)能潛力達到70%以比利時的Gratia模擬發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)幕墻間距小于40cm才會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;對于南面幕墻，自然通風(fēng)開口大小對夾層內(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?？尚?，但是在白天要非常慎重，防止熱空氣進人室內(nèi)。采用拔風(fēng)煙囪則可以保證即使沒有風(fēng)壓作用，頂層建筑也能達到通風(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(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，一些建筑的實測結(jié)果為設(shè)計者提供了寶貴的經(jīng)驗。Pasquav在德國西門子大樓的測試結(jié)果表明，如果允許出現(xiàn)短暫高溫，整個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。作者同時指出DSF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(fēng)速和風(fēng)向，而不是煙囪效應(yīng)在設(shè)計中應(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(jié)完全打開外表幕墻，但是這種設(shè)計的造價較高，同時導(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DSF的研究還很少，主要研究指標(biāo)包括全生命周期經(jīng)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(xué)者Cetiner對伊斯坦布爾溫和氣候下的分析，結(jié)果表明雙層幕墻最高比單層幕墻最節(jié)能方案節(jié)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(tǒng)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(nèi)節(jié)省7.7%的資金。
綜合以上研究現(xiàn)狀來看，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，但是還無法滿足實際的需要。由于DSF傳熱過程復(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，目前還沒有一種準(zhǔn)確、可靠的DSF建筑全年能耗模擬方法。同時，現(xiàn)有的計算方法操作復(fù)雜，對工程師要求很高，在工程應(yīng)用中不適合用來指導(dǎo)方案設(shè)計階段的工作，而適合用在深化設(shè)計階段。
3與建筑設(shè)計過程的結(jié)合
目前，關(guān)于DSF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)實力雄厚的工程設(shè)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(fā)，以探索合理的數(shù)學(xué)模型和計算機模擬方法為目標(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)過特殊的培訓(xùn)才能掌握。也就是說，DSF的節(jié)能研究還是屬于前沿領(lǐng)域，將其應(yīng)用于實際工程，特別是指導(dǎo)建筑師做設(shè)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(fā)展而停止前進步伐。事實上，近幾年來，北京、上海等國內(nèi)特大城市中也有一些豪華寫字樓、公寓陸續(xù)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(jié)能效果和經(jīng)濟性考慮，而是包含房地產(chǎn)炒作的目的。畢竟DSF有著時尚的外觀和先進的理念，預(yù)計今后一段時間內(nèi)國內(nèi)還將大量涌現(xiàn)出這類建筑。工程實踐迫切需要經(jīng)驗和理論研究的指導(dǎo)，但目前為止，很多關(guān)于DSF節(jié)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(jié)能效果是否明顯?②DSF是否同時適用于不同朝向的立面?其構(gòu)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(jīng)驗，但是DSF的實際運行表現(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)點充分發(fā)揮出來，創(chuàng)造舒適的室內(nèi)環(huán)境，避免夏季夾層內(nèi)過熱以及真正做到節(jié)能，并不是件容易的事。只有在設(shè)計中結(jié)合具體建筑的情況合理選型，并且充分做好正確的計算、模擬甚至實驗的前提下才能實現(xiàn)。因此，國內(nèi)各大城市的建筑在采用DSF的決策中應(yīng)堅持謹(jǐn)慎的態(tài)度，充分重視預(yù)先的計算和實驗工作。
而考察目前國內(nèi)幕墻設(shè)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(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完成施工圖設(shè)計，其間主要的考慮因素是結(jié)構(gòu)安裝和防止冷橋。最后暖通設(shè)備工程師再根據(jù)廠家提供的幕墻參數(shù)計算空調(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)荷計算的基礎(chǔ)上做一些修改，由于沒有經(jīng)驗常常設(shè)定很高的安全系數(shù)，導(dǎo)致大量能源浪費。在這樣的設(shè)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(jié)能整體設(shè)計策略，就不可能真正發(fā)揮出DSF的優(yōu)勢。相反，國內(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)計階段開始就把圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計有機地考慮進去(圖2)，逐步深人發(fā)展，最終把DSF的節(jié)能和生態(tài)優(yōu)勢充分發(fā)揮出來。
可見，為了避免損失，國內(nèi)應(yīng)盡快探索能正確指導(dǎo)DSF實踐的理論和經(jīng)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(fā)。這方面的研究固然非常重要，然而國內(nèi)有能力開展這類計算、實驗研究的科研機構(gòu)和企業(yè)并不多，而且目前這些方法費時費力，尚不能滿足當(dāng)前方案設(shè)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(dǎo)建筑設(shè)計的方法?？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算研究更為直觀的設(shè)計依據(jù)，諸如一些方便查詢的手冊。其中不僅應(yīng)該比較系統(tǒng)地介紹DSF節(jié)能設(shè)計的基礎(chǔ)知識，還應(yīng)總結(jié)歸納已有的設(shè)計經(jīng)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(jù)項目所處地理位置、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判斷DSF的適用程度和合理的方案。此外，對以往相關(guān)作品的方案發(fā)展過程、DSF和建筑整體生態(tài)策略的配合，以及及得失之處的分析點評也是啟發(fā)和指導(dǎo)建筑師構(gòu)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(jié)，還需要充分考慮到現(xiàn)有理論和實驗研究取得的成果，用正確的理論來分析經(jīng)驗事實才能得到可信結(jié)論。
筆者認(rèn)為，針對DSF設(shè)計，建筑設(shè)計過程中的三個階段(方案設(shè)計、初步設(shè)計和施工圖設(shè)計)應(yīng)該各自有不同的任務(wù)和相應(yīng)的輔助設(shè)計手段(圖3)。在方案設(shè)計階段，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(shè)計階段，建筑的基本尺寸、結(jié)構(gòu)和空調(diào)形式有待確定，可以對既有的幾個方案與HVAc(Heatin VentilationandAirConditioning暖通及空調(diào))系統(tǒng)組合，進行全生命周期經(jīng)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(yīng)該進行風(fēng)洞實驗和幕墻足尺實驗;最后在施工圖設(shè)計階段，主要任務(wù)是深人優(yōu)化選定的方案，推敲尺寸設(shè)計，完成空調(diào)系統(tǒng)容量設(shè)計和自動控制方案，可依靠CFD模擬計算優(yōu)化DSF尺寸和出人口設(shè)計，以能耗模擬軟件輔助空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計。這樣可以使得DSF和建筑有機結(jié)合，建筑師與工程師有效合作，整個決策和設(shè)計過程有章可循。
結(jié)語
我國對建筑節(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(fā)展方案的后期階段。而初期的結(jié)合建筑設(shè)計的方案比較需要更適合建筑師掌握的、能更直接地指導(dǎo)工程實踐的方法。因此，在開展熱工理論、實驗研究的同時，應(yīng)盡快開展對已有工程經(jīng)驗的分析和總結(jié)，并針對建設(shè)項目在不同設(shè)計階段的特點和明確任務(wù)，提出可行的、真正使熱工研究成果服務(wù)于建筑設(shè)計的成果，從而保證DSF的優(yōu)勢更有效地發(fā)揮出來。
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