雙層皮幕墻技術(shù)淺探-生態(tài)技術(shù)論文
論文摘要：雙層皮幕墻是現(xiàn)代節(jié)能建筑中的一道靚麗風(fēng)景，可以增強(qiáng)建筑的表現(xiàn)力，同時(shí)使建筑具有很好的保溫、隔熱、隔音、通風(fēng)效果。目前，關(guān)于雙層皮幕墻技術(shù)的節(jié)能優(yōu)化、生命周期等相關(guān)研究日益增多，該技術(shù)也日益完善，它的應(yīng)用前景將更加廣闊。
論文關(guān)鍵詞：雙層皮幕墻,節(jié)能建筑,生態(tài)技術(shù)
0.引言：
伴隨著我國城市化的飛速發(fā)展，能源發(fā)展正面臨著越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。建筑能耗占社會商品能源總消費(fèi)量比例較大，其總消費(fèi)量也逐年持續(xù)增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前建筑能耗所占社會商品能源總消費(fèi)量的比例已經(jīng)從1978年的10%上升到25%左右。我們有理由推斷，隨著我國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)和人民生活水品的不斷提高，建筑能耗的比例將持續(xù)增加；與此同時(shí)，能源供不應(yīng)求和末端低效利用的矛盾也很突出。為此，眾多學(xué)者都在致力于建筑節(jié)能的研究。
雙層皮幕墻具有隔音、保溫、隔熱的特點(diǎn)，它還能為人們提供了通透的視野，是一種優(yōu)秀的建筑節(jié)能圍護(hù)結(jié)構(gòu)。早在1931年，柯布西耶曾經(jīng)提出“用雙層外皮抵御外部氣候的概念”，從此開始了雙層皮幕墻技術(shù)的研究。20世紀(jì)50年代，在氣候較為寒冷的北歐地區(qū)科學(xué)家研究出名為“Airflow-Window”的高保溫、隔熱性能的窗戶系統(tǒng)。1967年，芬蘭EKONO公司在赫爾辛基建造了第一座安裝了該外窗系統(tǒng)的辦公樓。20世紀(jì)70年代，能源危機(jī)加速了節(jié)能技術(shù)研究與發(fā)展，“Double-SkinFacade”雙層皮幕墻越來越多的出現(xiàn)在設(shè)計(jì)師的方案設(shè)計(jì)中。我國的雙層皮幕墻出現(xiàn)要晚一些，最早的雙層皮幕墻建筑在進(jìn)入21世紀(jì)才相繼建成，廣泛用于公共建筑，如上海的金茂大廈等。雙層皮玻璃幕墻輕巧、晶瑩，具有透射和反射性質(zhì)，可創(chuàng)造出明亮的室內(nèi)光環(huán)境、內(nèi)外空間交融的效果，在建筑形式上有很強(qiáng)的表現(xiàn)力，成為現(xiàn)代城市建筑的一種標(biāo)志。
1.雙層皮幕墻種類
雙層皮幕墻可以根據(jù)夾層空腔的大小、通風(fēng)口的位置、玻璃組合及遮陽材料等不同分為不同的類型。下面是按照構(gòu)造關(guān)系進(jìn)行劃分的四種基本雙層皮幕墻類型。
1.1外掛式雙層皮幕墻
這是雙層皮幕墻家族中最簡單的一種方式�！半p層皮”之間的空間既不做水平分隔，也不做豎向分隔。
1.2廊道式雙層皮幕墻
廊道式雙層皮幕墻系統(tǒng)在雙層皮之間設(shè)置金屬或玻璃擋板以一層為單位進(jìn)行水平劃分分隔層，建筑外側(cè)每層均形成外掛式走廊，在每層樓的樓板和天花高度分別設(shè)有進(jìn)、出風(fēng)調(diào)節(jié)蓋板。
1.3箱式雙層皮幕墻
與廊道式雙層皮幕墻立面不同的是箱式雙層皮幕墻在水平方向以兩塊玻璃為一單元，分別在其兩邊做豎向分隔，形成一層樓高、兩塊玻璃寬的箱式玻璃夾層單元。
1.4井-箱式雙層皮幕墻
井-箱式雙層皮幕墻在豎向有規(guī)律地設(shè)置了貫通層（井），這樣，雙層皮之間便形成縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)狀通風(fēng)系統(tǒng)。
2.雙層皮幕墻技術(shù)特點(diǎn)
雙層皮幕墻被譽(yù)為“可呼吸的皮膚”。它主要針對以往玻璃幕墻能耗高、室內(nèi)空氣質(zhì)量差等問題，用雙層體系作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，提供自然通風(fēng)和采光、增加室內(nèi)空氣舒適度、降低能耗，從而較好地解決了自然采光與節(jié)能之間的矛盾。雙層皮幕墻種類繁多，但其實(shí)質(zhì)是在兩層皮之間留有一定寬度的空氣間層，此空氣間層以不同方式分隔而形成一系列溫度緩沖空間。由于空氣間層的存在，因而雙層皮幕墻能提供一個(gè)保護(hù)空間以安置遮陽設(shè)施（如活動(dòng)式百葉、固定式百葉或者其他陽光控制構(gòu)件）。通過調(diào)整間層設(shè)置的遮陽百葉和利用外層幕墻上下部分的開口的輔助自然通風(fēng)，可以獲得比普通建筑使用的內(nèi)置百葉更好的遮陽效果，同時(shí)可以提供良好的隔聲性能和室內(nèi)通風(fēng)效果。典型的雙層皮幕墻構(gòu)造圖見圖5，由1個(gè)玻璃外皮層和1個(gè)玻璃內(nèi)皮層組成的多層外圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，2個(gè)玻璃皮層間有1個(gè)空氣腔夾層，該夾層內(nèi)一般裝置有百葉等遮陽設(shè)備。
雙層皮幕墻主要具有以下一些特點(diǎn)：
2.1隔聲性能
玻璃材料的特性可以有效實(shí)現(xiàn)降低進(jìn)入室內(nèi)的噪音值。
2.2采光性能
雙層皮玻璃幕墻輕巧、晶瑩，具有透射和反射性質(zhì)。用雙層體系作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，提供的采光可以創(chuàng)造出明亮的室內(nèi)光環(huán)境，為居住在內(nèi)的人們提供了通透的視野。
2.3熱工性能
雙層皮幕墻夾層的空氣間層，是提高該技術(shù)熱工性能的一個(gè)重要原因�？諝鈯A層在厚度不大的情況下，可以減小皮幕墻的傳熱系數(shù)。在冬天，太陽輻射將通過對“雙層皮”之間空氣的預(yù)熱可以有效地降低建筑表皮的熱損失。而在夏天，在“雙層皮”間設(shè)置的遮陽百頁比“單層皮”建筑的內(nèi)置百頁有更佳的遮陽效果，因而是可以降低更多的冷負(fù)荷。內(nèi)置百頁雖可阻止陽光輻射向室內(nèi)進(jìn)一步穿透，但已透過玻璃的熱量卻可以對流的方式影響室內(nèi)的熱舒適度。
2.4通風(fēng)性能
雙層皮幕墻由于“皮”的存在，降低了建筑內(nèi)“皮”上的風(fēng)壓，因而使得高層建筑中部分自由開窗通風(fēng)成為可能，僅此一舉便可以大大降低高層建筑中機(jī)械通風(fēng)所需的能耗。其原理是根據(jù)熱壓原理即通常所謂“煙囪效應(yīng)”：出風(fēng)口開啟，冷空氣會從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入“雙層皮”皮幕墻的空氣間層，在此進(jìn)行熱交換后，熱空氣從出風(fēng)口排出，若內(nèi)層幕墻開啟．也可將室內(nèi)頂部的熱空氣同時(shí)排出，室內(nèi)外空氣溫差越大，進(jìn)出風(fēng)口高差越大，則熱壓作用越強(qiáng)。雖然利用風(fēng)壓也可以實(shí)現(xiàn)通風(fēng)．但由于自然風(fēng)的不穩(wěn)定性或由于周圍高大建筑、植被的影響。許多情況下在建筑周圍形不成足夠的風(fēng)壓。因此說“雙層皮”幕墻獨(dú)具的空氣間層有利于運(yùn)用熱壓原理來加速自然通風(fēng)。
3.雙層皮幕墻技術(shù)研究前景
自從雙層皮幕墻技術(shù)誕生以來，有關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)的研究成果日益增多。但是在長時(shí)間的應(yīng)用中，人們對雙層皮幕墻的節(jié)能量、甚至節(jié)能還是不節(jié)能，以及什么情況下節(jié)能，什么情況下不節(jié)能的等問題產(chǎn)生了比較濃厚的研究興趣。下面是目前研究較多的一些課題。
3.1雙層皮玻璃幕墻建筑的能耗分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)
這項(xiàng)課題是眾多學(xué)者最為關(guān)注的課題之一。雙層皮幕墻種類繁多，結(jié)構(gòu)差異較大，因此這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在不同地區(qū)，采用不同的方式其能耗差別是非常大的。學(xué)術(shù)界和實(shí)踐中對該技術(shù)也提出了優(yōu)化要求。主要集中在：夏天，在強(qiáng)烈的陽光輻射下，夾層空氣中往往溫度過高，尤其是當(dāng)雙層皮之間空隙太小而遮陽效果又不佳時(shí)，其溫度有時(shí)甚至可能超過室外溫度，使得開窗自然通風(fēng)無法實(shí)現(xiàn)。這對于夏季炎熱地區(qū)是致命的缺點(diǎn)。冬天有可能吸入溫度過低的進(jìn)風(fēng)，導(dǎo)致室內(nèi)空氣渦流和氣流嘯叫，影響室內(nèi)（尤其是窗口外）舒適度。缺乏對進(jìn)入室內(nèi)的有害氣體的凈化功能，這降低了位于工業(yè)稠密區(qū)或污染嚴(yán)重的`特大市場的雙層皮建筑的優(yōu)勢。建筑立面的清潔及維護(hù)費(fèi)用增高。
3.2全壽命周期分析研究
盡管雙層皮幕墻系統(tǒng)初投資比普通幕墻高很多，但是帶來的制冷機(jī)裝機(jī)容量減少以及可能的能耗降低卻非常顯著，同時(shí)由此可能帶來整體排放量的降低，因此從全壽命周期的角度進(jìn)行分析是非常必要的。
目前從全壽命周期分析(特別是全年建筑能耗分析)角度研究雙層皮幕墻的還很少，主要研究指標(biāo)包括全壽命經(jīng)濟(jì)分析和全壽命溫室氣體排放量。比較有代表性的是土耳其學(xué)者Cetiner對伊斯坦布爾的溫和氣候下，不同類型的雙層皮幕墻所作的能耗效率和經(jīng)濟(jì)效率兩方面的研究。結(jié)果表明，最節(jié)能的雙層幕墻比最節(jié)能的單層幕墻節(jié)能22.84％。在雙層幕墻系統(tǒng)中，最節(jié)能方案比最費(fèi)能方案節(jié)能33.9％。采用遮陽技術(shù)有利于減少建筑能耗和投資。從綜合經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響兩方面來看，雖然高性能窗在全壽命周期中給環(huán)境造成的影響稍大，但是和它帶來的節(jié)能效果相比微不足道。
3.3雙層皮幕墻綜合傳熱系數(shù)的影響因素研究
雙層皮玻璃幕墻從使用至今，還沒有一種比較成熟的關(guān)于形成空調(diào)負(fù)荷以及全年能耗的計(jì)算或模擬方法，其主要原因是雙層皮幕墻傳熱過程復(fù)雜，綜合傳熱系數(shù)難以確定，而綜合傳熱系數(shù)又是計(jì)算空調(diào)負(fù)荷以及全年能耗的基礎(chǔ)。目前已有的研究表明：
1)外循環(huán)式雙層皮幕墻的綜合傳熱系數(shù)隨太陽輻射強(qiáng)度的增加呈線性關(guān)系增加
2)雙層皮幕墻的綜合傳熱系數(shù)隨通風(fēng)腔寬度的增加呈近似拋物線形式下降，通風(fēng)腔寬度大于0.8m后，隨著通風(fēng)腔寬度的繼續(xù)增加其K值下降趨勢平緩，通風(fēng)腔寬度保持在0.6m～0.8m為佳。
3)綜合傳熱系數(shù)K隨通風(fēng)腔高度的呈減小趨勢，通風(fēng)腔高度處于3m～4m之間時(shí)，隨通風(fēng)腔高度的增加K值減小幅度比較平緩，通風(fēng)腔高度大于4m后，隨通風(fēng)腔高度的增加K值下降幅很大，但為保證內(nèi)側(cè)玻璃溫度不會過高而影響室內(nèi)的熱舒適性，通風(fēng)腔高度保持在4m-5m較為合適，不宜過高。
4)雙層皮幕墻的綜合傳熱系數(shù)隨遮陽裝置到外側(cè)玻璃的距離的增大先逐漸減小，然后再逐漸增大，遮陽裝置的位置在距外側(cè)玻璃1／3通風(fēng)腔寬度處為佳。
4.結(jié)束語
雙層皮幕墻自從誕生以來，關(guān)于它的應(yīng)用研究層出不窮，這項(xiàng)技術(shù)也愈發(fā)成熟起來。但是研究是無止盡的，好上要加好，如何更加優(yōu)化該技術(shù)，更好的節(jié)能、更好得隔聲，更加方便地清潔，依然還是我們關(guān)注的問題。相信未來該領(lǐng)域的專家學(xué)者會更充分地研究該項(xiàng)技術(shù)，使得它在今后可以為都市人群提供通透視野、良好空氣質(zhì)量，較強(qiáng)隔聲性能等的同時(shí)成為建筑節(jié)能的更加強(qiáng)有力手段。
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