【摘要】目前，建筑节能成为我国可持续发展战略的一部分，社会对建筑节能的意识也在逐渐增强。建筑围护结构的节能是建筑节能的主要部分，而通风双层玻璃幕墙是提高现代建筑围护结构节能技术的重要策略。给出了双层玻璃幕墙在不同季节的热过程分析，重点介绍了冬、夏季通风双层玻璃幕墙的传热机理和传热模型，在此基础之上指出了提高幕墙建筑节能效果的热工设计对策。
【关键词】热过程;体系;模型
引言
通风双层玻璃幕墙又称为热通道幕墙、气循环幕墙、呼吸幕墙、生态幕墙、绿色幕墙或者主动式幕墙等(下文简称DSF)，它由两层玻璃幕墙加上二者之间的热通道组成”，在通道的上下两端设有风口，通道的高度可以是一个或者多个层高。20世纪80年代后期，欧洲出现了双层玻璃幕墙，在过去的几十年当中，这种幕墙主要应用在办公楼，1994～1998年为德国双层玻璃幕墙发展高峰期。1998年，我国在北京国家会计学院建造了国内第一个双层幕墙。
DSF的节能原理在于热通道在冬天和夏天分别充当热阻和换热层的作用，有利于实现幕墙内表面合适的温度，这样可以显著地减少建筑能耗。DSF的关键是热通道内热流顺畅，这样才能够使室内拥有适宜的热舒适环境。但是，由于DSF中热通道没有采取有效的通风措施或者遮阳处理，可能会使其保温性能不好或者空腔内出现过热等不利情况。
1 通风双层幕墙工作的热过程分析
DSF的热过程的研究目前主要采取两种方法:一种是实验的方法，一种是理论推导的方法。前者的研究目的在于探讨传热系数，获得对流传热系数的经验公式，并由此确定这种幕墙的传热性能或者是热阻，为建筑围护结构的热土设计做好准备。
1.1 透射体系研究
从遮阳装置或者设备的布置的角度来看，DSF的构造形式主要有：① 内外侧都是玻璃，中间加设遮阳装置，如百叶等，这是目前较为常用的一种，尤其结合感光智能控制的遮阳百叶等设备;② 遮阳设备设在双层玻璃幕的内侧或者外侧。热通道内加设遮阳百叶通风幕墙组成的透射体系：两侧是玻璃，中间是空气层和遮阳百叶。忽略遮阳装置的影响，该体系可以视为阳光照射到两侧均为空气的双层半透明薄层，射线要通过两个玻璃界面透射到另一侧，阳光首先进入第一个玻璃层，此时由于反射的作用(设层玻璃的总反射率分别为r)，则只有(1-r)的辐射能进入玻璃层;经玻璃的吸收后(玻璃吸收率设为a)，有(1-r)(1-a)的辐射能可达玻璃另一侧层界面;由于反射作用，只有(1-r)2(1-a)经玻璃吸收后可以透过该玻璃层，而反射部分辐射能(1-r)r(1-a)要反射回玻璃第一层界面，经过反射、吸收、透射等反复进行下去(见图1)。
同样，双层玻璃的总透过率为：
TS=t1t2/[ρ1ρ2]
总的反射率为：ρ=ρ1+t12ρ2/[1-ρ1ρ2]
第一层玻璃的总吸收率为：αZ1=α1+{1+ t1ρ2/[1-ρ1ρ2] ｝
第二层玻璃的总吸收率为：αZ2=t1α1/[1- ρ1ρ2]
上述式子中，t1、t2分别为两层玻璃透过率;p1、p2分别为两层玻璃的反射率;a1、a2分别为两层玻璃的吸收率;这些都和玻璃本身的物理性质、介质温度、太阳辐射入射角度等有关。
1.2 关于热阻的模型
1.2.1 热通道内空气不定向流动
冬天，关闭幕墙上下的风口，DSF完全是一个两层玻璃中间是空气夹层的结构体系(见图2)，DSF共三层，4个界面，则热阻组成为：外侧玻璃外表面的换热热阻(玻璃与室外环境的对流换热系数设he)，外侧玻璃本身的热阻Reg，热通道内综合热阻R，内侧玻璃本身的热阻Rig，内侧玻璃与室内环境的表面换热阻(对流换热系数为hi)。热通道内假设为理想状态：即热交换只有辐射热交换，那么，外侧玻璃与室外环境的传热热阻以下式计算：Re=1/Ue=1/her+ 1/he+Reg式中，Ue为外侧幕墙的传热系数，her、he分别为外侧玻璃内表面的辐射换热系数和外表面的对流换热系数。内侧玻璃幕墙的总热阻计算方法与外侧幕墙相同，内侧幕墙热阻设为Ri。中间热通道的热阻比较复杂，只考虑辐射换热，那么辐射换热系数可以由下式求出：
式中：σ为斯蒂芬一波尔斯曼常数，σ=5.67×10-8W/(m2•K4);Teg、 Tig为外侧和内侧玻璃的热力学温度;εegεig为外侧玻璃幕内表面和内侧玻璃幕的外表面发射率。
由于通道内的空气在自然状态下是均匀的，因此内外侧幕墙在通道里的辐射换热阻是相等的，于是热通道内的总热阻：R=1/2 her
而事实上，即使是密封性很好的双层玻璃幕墙，热通道内的空气也不可避免地分布不均匀或者出现涡流的情况，因此，理想条件下的情况是很难实现的。
1.2.2 热通道内形成空气流
当热通道内形成空气流，那么刻门只考察热通道内的热阻，而把内外侧玻璃幕墙表面的换热热阻中的对流换热部分纳入热通道的热阻中来，内外侧玻璃的热阻不变(按照2.2.1中的式子不变化)，此时热通道的热阻组成为:热通道内的总热阻R和玻璃界面的对流换热热阻hc以及辐射换热热阻her。即:R=1/2hσ+hc
对流换热系数可依据有关公式计算:
式中:Uf热通道中空气流速，单位是m/s.
2 提高节能效果的热工对策
2.1 基于气候的热工设计对策
2.1.1 严寒和寒冷地区的热工设计对策
对于严寒和寒冷地区，由于要充分考虑冬季建筑的保温和太阳能利用，所以要特别重视幕墙的保温性能。提高幕墙保温性能的措施如下:
(1)提高幕墙的密封性能，减少冷风渗透。
(2)内侧幕墙采用双层甚至多层中空玻璃，增加内层玻璃幕的气密性。
(3)提高幕墙玻璃本身的热工性能，外层玻璃采用所谓的LOW-E玻璃，即低辐射玻璃，可提高对太阳能的利用率，又减少了玻璃的反射对周围环境的影响。
(4)内遮阳装置遮阳片可以对太阳高度角的变化进行旋转，减小其对太阳辐射的影响，以使室内获得更多的太阳辐射。
实际上，由于我国太阳辐射资源丰富，通风双层玻璃幕墙在冬天可使建筑上形成一个大的温室，由于温室效应，冬天可以很好地利用太阳能，从而减少冬天的采暖能耗。到了夏天幕墙的温室效应则会大大增加建筑的制冷负荷，因此，无论在我国的寒冷地区还是南方的炎热地区，这种幕墙最大的问题都是遮阳和隔热问题。
2.1.2 炎热地区的热工设计对策
炎热地区，对于DSF而言，最重要的是夏季的遮阳和隔热。内层幕墙采用中空玻璃时，太阳辐射的透射率为0.17，大大减小了室内太阳辐射量。同时，在通风幕墙中使用传热系数为2：05 w/(m2•K)的中空玻璃时，无遮阳百叶的通风幕墙透明部分的传热系数为1.29 W/(m2•K)，而有遮阳百叶的通风幕墙的透明部分的传热系数为1.17W/(m2•K)，节能效果显著。超低能耗楼采用的通风双层玻璃幕墙，内外玻璃幕墙之间设置了遮阳百叶和反光板。各层内遮阳百叶下部固定，向上开启，反光板可调角度，能在一定程度上把自然光反射到室内，双层幕墙上都有开启扇，可合理控制过渡季节的自然通风。一般认为，外遮阳的效果最好，可遮挡高达90%的太阳总辐射。夏季，由于太阳辐射的影响，热通道内空气温度升高，由于向上的浮力作用，热通道内形成自下而上的气流，由于空气的流动自上面的排气口带走了部分热量，从而使幕墙自然降温(Natural Cooling)，降温幅度很大程度上取决于通道内的热流速度。由上文分析得知热流速度大，则热通道的内的辐射和对流换热系数就会显著增大(见2.2.2)。因此，在热通道内设导流设备以及鼓风或者是抽风设备增大通道的气流速度是十分有效的措施，有研究发现：选择适当的玻璃幕墙性能组成可降低热负荷，同时适当的利用热通道内气流能改善总的热平衡：有人认为当通道内气流速度达到6m/s时，夏季进入建筑的热负荷可大大降低;而当气流速度是1.5m/s时，此时进入建筑的热负荷只相当于自由对流的情况。但是，如何使热通道内的热流顺利从开口排出，带走热量，不仅与双层幕墙的间距D有关，而且也与幕墙的高度，当地的气候等因素有关。研究通道内的热流是很复杂的，目前采用的计算机软件模拟取得了一些公认的成果， 比如采用CFD(Computational Fluid Dynamics计算流体力学)等软件模拟传热过程等。
2.2 案例介绍
某大厦所采用的通风双层玻璃幕墙，体现了诺曼福斯特高技派设计风格，该幕墙内层采用可开启的洁净透明钢化玻璃，外层为透明中空L0W-E钢化玻璃，内外层中形成的热通道宽度为320 mm;中间设有宽35 mm的电动百叶，百叶可以转换角度以及升降开启以遮阳和调节光线。夏天，空腔内由于烟囱效应使气流从上边开口排出，形成一道空气缓冲层，从而减少室内外温度交换，降低了制冷负荷，节能可达30%～40%左右。
3 结论
3.1 冬天，提高DSF节能效果的热工对策集中在双层幕墙的热阻，因此，提高热阻才可以满足冬天围护结构的冬天最小热阻的要求。
3.2 夏天，提高DSF节能效果的方法是满足内侧玻璃内壁温度不要太高。因此，保证热通道内空气流动带走多余的热量是关键环节。
3.3 遮阳，采用土壤热交换保证热流通道内温度较低是提高DSF节能效果的有效途径。
3.4 不同的气候条件，不同的地区应该采用不同的热工设计对策。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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