双层热通道幕墙设计程序(转)

1.前言

　　目前，国内外双层幕墙市场，随着节能环保、热舒适性的优点;越采越引起各国建筑师高度重视，例如:在国外尤其欧洲如德国、意大利、西班牙一等国已发展应用了15年之久。

　　在中国从2005年以后，全国设计院在各地据不完全统计，已有200余项重大建筑物采用双层幕墙方案设计，按目前的发展的递增率推算，今后十年在我国将会出现以8%增长率(或更大)发展，体现了国家出台的建筑节能的产业政策的贯彻。

　　一个达标的设计，双层幕墙的节能率应在35－42%，尤其内循环式(即主动式)双层幕墙，设计十多项这种幕墙经验中已确认个别的已达到35%一38%，前途非常看好，目前已建成的外循环式节能率最高为30%左右，国内市场已建成的外循环的节能率偏低。我们经过十余年的研究发展认识到，双层幕墙设计难度非常大的，它涉及的学科很多，尤其它的热气流动态热交换理论，和实体设计中应用缺之试验数据和国外这方面技术的封锁，使的实体设计遇到困难，因为它的理论计算、热空气流量在通道内的流动轨迹的流谱特性十分复杂，几乎全是非定场状态，它涉及到的学科有:空气动力学、热空气烙嫡动态特性计算与试验技术、热传导、热辐射规律与计算，需要特定的边界参数;特别是外循环内循环双层幕墙工作原理不完全一样，但达到结果一节能环保、安全、热舒适性是一样的。它必须随地区而独立设计，一个地方的双层幕墙必须用当地的气象条件和当地的边界条件来专门设计和计算，不可以用通用办法，或照抄德国设计的双层幕墙的参数来设计，因为地理、气象条件、地质情况，贯彻标准，有关规范不同，对热舒适性要求也不同，例如:德国这个国家通常是没有地震，;国家冬季温度平均在零上几度，它们在人性化、热舒适性要求高、对休闲性要求也高;这些地区与人们的生活习惯有关，而中国辽阔土地南北相差2500－2800公里，跨越了几个气象地带，从热带、亚热带(冬冷夏热、冬热夏热带)寒冷带、严寒带等;不可能忽视中国的边界条件和地理位置与国外完全不同，尤其中国西高东低的标高相差较大。

　　我们必须科学的按照中国国情来设计，本文将以实例为准介绍一下，双层幕墙设计要考虑的一些同题，介绍双层幕墙内、外循环式双层幕墙设计程序和具体设计方法。

　　本文题目:双层幕墙设计总体程序的实例分析

　　　　　　第二讲:双层幕墙总体参数选择与方案设计实例一外循环幕墙设计

　　　　　　第三讲:内循环总体参数选择与方案设计实例

　　　　　　第四讲:外循环双层幕墙的热工计算(静态部分、动态热交换计算)

　　　　　　第五讲:内循环双层幕墙的热工计算(静态部分、动态热交换计算)

　　　　　　第六讲:内、外循环幕墙的管路设计，电控系统设计实例

　　　　　　第七讲:内循环自动控制原理、电控系统参数选择以及参数计算方法

　　　　　　第八讲:介绍我国代表性外循环式、主动式内循环式幕墙实例方案图普说明

　　　　　　第九讲:介绍双层通道的几种设计型式及性能比较

　　　　　　第十讲:外循环、内循环式双层幕墙的性能计算与确定，以及材料、电器元件选择原则设计方法

　　　　　　第十一讲:内、外循环式双层热通道幕墙的静态、热动态试验方法、试验大纲以及判读数据处理方法

　　　　　　第十二讲:双层幕墙的节能效应，性价比、热舒适性、回收率计算与评价(与常规大单元单板或框架幕墙的比较说明)

　　　　　　第十三讲:介绍本人主持的二种双层幕墙动画工作原理

　　　　　　第十四讲:介绍国外德国双层幕墙设计师卢茨·霍伊斯特“双层幕墙”一书各章内容与解读

　　2.实例介绍内、外热通道双层幕墙方案设计几个程序总体要求

　　2.1双层外循环幕墙系统设计分析及总要求

本工程为外循环式双层通道式幕墙在设计总要求必须满足和考虑以下方面的因索和要求:

　　2.1.1设计宗旨

满足本工程所处的地理位置和当地特殊夏热冬冷的地区气象影响，双层外循环幕墙必须符合中国和当地的实际情况而设计。

　　2.1.2设计师的建筑设计要求

　　满足建筑师设计的外立面风格和优秀的建筑外观

　　ａ)要求几个立面上幕墙设为双层外循环式被动热交换功能的节能、舒适、环保、自然通风功能的要求。

　　b)要求较高的清澈高透明度

　　c)幕墙立面形成的各立面平整度必须光滑，不能存在玻璃应力花和玻璃影像失真的功能，因此，外立面玻璃采用半钢化夹胶安全玻璃。

　　d)与裙楼外观统一协调，特别是对裙楼的框架式幕墙要整体协调，形成美观具有建筑艺术美。

　　e)最大限度的布局内部空间的使用率。

　　2.1.3环保安求

　　努力减少建筑耗能，以及二氧化碳的排放量

　　a)尽量减少通道内存积风沙灰尘的现象

　　b)本幕墙必须具备自然通风，并具有春夏秋冬不同季节便用空气流动的程序和动态特性，以便达到不同功效的要求。

　　c)本方案业主规定是外循环被动式双层通道幕墙，设计中要求在外界流速几乎V=0时，具有应急通风和热空气交换功能或成倍增系统。

　　2. 1. 4建筑效能要求

a)要求双热通道外循环式幕墙必须达到实际功能，节能率不低于30%，并有良好维护互换清洗方便的功能，具有良好的使用维护方便的设计。

b)必须满足建造速度，保证合理被批准的制造安装周期。

c)必须达到使用方便，相邻周边方向的隐私和防火要求。

d)要求高性能情况下，达到性价比要求，特别要求具有良好科学的回收成本期尽量短。

e)要求玻璃不能存在自爆达到安全可靠设计

　　2.2外立面幕墙设计的结构型式

　　2.2.1外循环双层幕墙结构

　　这种体系工作原理是直接利用空气受热产生热浮力的作用(烟管效应)，将外部空气从幕墙底部进气口引人箱体通道，并经过双层通道时空气被加热而向上流动中带走了，由于太阳热辐射热加温了通道内空气，并热交换带走了热量从箱体顶部排气口排出，使箱体内空气温度降低，使作用在内层玻璃表面上温度降低，辐射进入室内的热量减少达到保温节能的目地。

　　2.2.2贯彻节能标准GB50189一2005要求

　　针对当地的空气环境，选用这种高科技含量较高的双层呼吸幕墙设计，均满足节能、舒适、环保、自然通风的现代化功能的要求，特别是要严格贯彻《公共建筑节能设计标准》GB50189一2005

　　2.2.3幕墙设计参数及配置

　　该工程外立面主要设计是呼吸式外循环幕墙单元箱体:

　　a)被动式双层幕墙尺寸:长x宽x高=2333 x 600 x 3830

　　b)结构参数是箱体式大单元体系，采用横锁式结构吊挂方式。

　　c)配置电控光控遮阳百叶自动转动叶片系统，安装距离外层夹胶单玻璃中心线150一160mm。

　　d)配置进气、出气口的电控变进气量可调节的开关百叶系统。

　　配置icr18Ni防尘、防虫网及光滑阻力低的icr18Ni不锈钢整体弧形导板，最大限度降低空气阻力系数Cx值。

　　e)设计专用自然通风系统，并在内侧玻璃上部配置电控手动两用的自然通风器系统。

　　f)必要时，当外界v空气速度v。一0m/s时安装应急增补主动进气通风循环系统，加大箱体内空气流动速度和增加空气流量。

　　g)设置金属能站立体100kg人的下部格栅，并可拍手拆卸，便于清洁的系统。

　　h)内侧是带有隔热条的铝合金型材的中空Law一E幕墙，8+12A+6Low一E中空玻璃，使K值达I. 75 W/hm3

　　2.3双层幕墙外立面功能具体要求

　　2.3. 1外呼吸式幕墙外立面设计要求及考虑

　　①建筑形态因素

　　a)整体建筑外观

　　b)要求光滑的幕墙立面

　　c)要求高透明度

　　d)统一的建筑外观

　　e)呼吸式双层幕墙及整体外型

　　f)最大程度的争取办公室间

　　②机电系统因素

　　a)最大程度的利用直接日照

　　b)尽量减少箱体设备空间，便于维护

　　@基本因素

　　a)建筑整体的清洁和维护方便

　　b)建造成本:要求科技含量高、性价比高、但成本尽量合理

　　为满足上述设计要求，设计师建筑使用外循环呼吸式幕墙设计，直接利用空气的热浮力作用，将外部空气从幕墙底部引人，带走内外层幕墙间的热量，并从顶部直接排出。

　　针对当地的空气素质，我们建议使用外呼吸式幕墙设计，尽量减少空气对幕墙间的污染。

　　2.3.2设计节能热舒适度要求

　　幕墙间的空隙可以保持为整体外部幕墙的高度其每层高度3830mm，其具体设计可随建筑物的高度和系统的选取而确定。太旧辐射可由设置于幕墙间隙间的百叶来控制。对于被动式外呼吸幕墙，在应用于该工程设计中，它不但可以增加幕墙的隔热性能和减少空调的能耗，更可以通过以下途径增加使用者的热舒适度:

　　a)确保内部环境的温湿度处于舒适水平

　　b)减少夏季窗口位置过热及日光反射影响

　　c)减少制冷能耗

　　d)减少眩光的同时，增加内部自然采光

　　e)增加热舒适度

　　f)其它诸如隔绝噪音等好处

　　2.3.3外循环式双层幕墙的优点

　　a)可自主式自然通风，满足新风换气要求，达到30rn3/h人，

　　b)热舒适度很好，通过阀门百叶及遮阳系统调节我们需要的热舒适度

　　c)箱体温度上升的热梯度比内循环要下降快一些(补能源)降低自身的电能的消耗。

　　e)自然采光和防眩光干挠性能好。

　　2.4气象参数及设计取值参数

　　2.4.1当地气象参数

　　a)地理位置北纬29。52，东径121。34‘海拔4.2

　　b)年平均温度16.2。C

　　c)冬季室外计算温度平均值-4.3

　　d)冬季室外平均风速2. 6m/s

　　e)夏季室外计算温度平均值28.1℃

　　f)夏季室外计算温度最高值34.5℃

　　g)夏季室外计算温度波幅值7.99。C

　　h)S向日照总量1950w/m2应平均90 w/m2

　　i)E、w向日总量3852w/m2，应平均175 w/m 2

　　j)N向日总量1620w/m2，应平均65w/m2

　　2.5分析方法

　　2.5.1热模拟分析

　　利用动态热模拟方法分析不同时做双层箱体幕墙及建筑的得热是很重要的，本工程中标后必须做热动态模型试验，此模型利用显式迭代法计算非稳态热平衡方程，从而得出箱体内所需位置的单位时间的温度变化。箱体内表面的辐射热交换利用光波传播定律，其中长波(由玻璃内外表面温度引起)传播和短波(太阳)传播辐射分开计算，并假定所有的壁面反射均为漫反射。因此，箱体二层玻璃表面的辐射得热为此表面的短波得热加上所有其它方向的长波辐射热的总和，中标后由热动态平衡试验给出具体数据。　

　　2.5.2计算流体动力学分析

　　我们对本工程进行分析，它是一个温度场模拟。它将整个研究区域(主要是流体部分)分割成数十万个细小单元，以外界环境，如温度作为边界条件，求解基本质量，动量及能量的守衡方程，从而得出计算区域内的温度、速度等在整个区域内的详细分布。

　　2.5.3双层幕墙面采光要求

　　室内日照的光线来源主要有三个部分组成:太阳直射光线，由室外表面反射而来的光线，由大气折射而形成的漫射光线。故日照的模拟分析与室外的天气状况息息相关。通常在分析中考虑三种天气状况:

　　晴天:天空中无云的情况

　　局部多云:在部分天空中有云

　　连续阴天:整个天空中都有云层分布

　　在上述三种天气状况下，晴天及局部多云天气可以提高室内的照度水平。但是人射光的强度取决于以下各方面的因素，如太阳的位置、天气因素，建筑物的位置(如建筑物的方位，朝向及经纬度等)。

　　本设计采光方案，由遮阳系统来实现人们所需要的采光，上述三种情况在武汉环境都存在，我们将通过百叶转角变化、百叶宽度和百叶间隙大小来优化设计，由于外呼吸式幕墙采用玻璃基本透明白玻，因此在下雨天也会有较好的采光。

　　2.5.4外呼吸式双层幕墙墙热舒适标准

　　呼吸式幕墙对人体的热舒适度是一个感观参数，取决于周边一系列的环境参数，如箱体内部环境温度、湿度，空气流速，物体表面辐射温度等。如玻璃表面温度由于受太阳辐射的影响，会高于环境温度。此表面温度会影响到坐在窗附近的人员的舒适感觉。

　　范格(Fangex)热舒适度指数是目前建筑空调界最常用的热舒适度评价准则。它指出特定环境中人所受到的热负荷来量度不舒适的程度。热负荷定义为假定人在实际的活动量条件下能保持其平均皮肤温度与排汗率于舒适值时，其体内产热量与向实际环境散热量之差值。他计算了此热负荷值，分为七个等级，并将它简化为在一1和+1级之间的全部评价都定为“满意的”。高于或低于此限值的全部评价应为“不满意的”。PMV的评价等为：

　　　　+3 酷热

　　　　+2 热

　　　　+1 微热

　　　　0 中等

　　　　-2 　冷

　　　　-3 酷冷

　　我定义用表示PMV缩写来与预期感到不满意的人数百分率，标定人对热舒适性满意程序。PP13指数预测在同一环境下感到热度不适的人数，可由不同的参数加相对湿度，风速及气温等计算出PMV及PPD。

　　在此研究中，选用IS07730标准中，PMV介于是一I至+1之间的热舒适度作为评判标准。如下表1所示：

6太阳辐射得热分析

　　6.1外呼吸式幕墙系统的节能性能分析

幕墙的外部得热包括太阳辐射热和由于内外环境温差所引起的外部传导热。其中太阳辐射热占据主要部分，需要进行深人的研究。我们决定中标后，在清华大学热动态分析试验室做试验。

　　6.2外呼吸式幕墙A、S楼不同角度下受太阳辐射的影响

　　根据太阳辐射对幕墙维护体系影响的许多试验数据分析，各幕墙朝向的围护结构在夏季特征日所受热百分比如下图所示，维护结构太阳辐射最高为东南偏东方，占总体43%，主要是由于早上的低太阳高度角及高太阳辐射率便得其维护结构得热比其它两个方向高。其次则为西南朝向，因受到下午相对较高的太阳辐射率影响。但因其朝向偏向南方，因而减低了正西方高太阳辐射的直接影响，所以维护结构太阳辐射比东南偏东方略低。

　　相对其它两个幕墙朝向，西北偏北方的维护结构太阳辐射为最低，是由于其偏北方朝向大大减低太阳辐射，只占总体24%(纬度影响)。由此维护结构太阳辐射分析可见，三方所占的维护结构太阳辐射最大值百分比并不相同，因此每个立面可针对性的采用不同的设计来减低直接太阳辐射。

　　6.3外呼吸幕墙维护结构得热

　　不同幕墙设计的维护结构得热分析结果如下图五所示。

　　注:此曲线将以实测试验数据为准。

　　由于太阳角度和方位的变化，不同幕墙在不同时刻的外部得热也不尽相同，例如，在夏天它比单层中空幕墙得热在同一个方位上要少得多，这样看出双层幕墙的节能效果高于常规单层中空玻璃幕墙达到节能目的．　

　　内幕墙玻璃表面温度:

　　在没有百叶等遮阳系统的情况下，太阳光会直射并加热内层表面玻璃。受热的内表面玻璃会影响靠近窗口位置的人员的热舒适度。本报告亦以东南偏东方向的幕墙为例，分析不同幕墙设计下的内层玻璃表面温度变，如果如下表所示:　

　　结果显示，在夏季Ａ型和Ｃ型幕墙玻璃的内表温度相似，均为35度左右，Ｂ型的情况室温较近，可为办公室靠窗位置的人员提供较高的热舒适度。

注: 　　上图七是我们从热舒适性角度，在设计外循环双层幕墙最佳使用环境下温度、湿度、通风梯度、通风量综合一体的当量参数称作“风格”热舒适度，而实际和试验证明设计点在W为一1.0到1.0范围最符合人们生活的舒适度，此时室内空气新鲜度，温度适合度，温度(干燥程度)，空气含有二氧化碳等均为最佳参数。

　　从图中的c曲线分布正好落在0.3－1.0之间。

　　从图中可以看出，不管常规单层中空Low一E玻璃幕墙，还是不带有遮阳系统的外循环双层幕墙在夏天早上8:00一11:30时，热舒适度是不能接受的，而中午11:40一17:00热舒适度是基本上满足人们要求，但比带有遮阳系统的外循环双层幕墙的c曲线状态的舒适性相差较大。

　　6. 5遮阳百叶对维护结构得热影响

　　被动式外呼吸幕墙主要特点就是利用外部排气将幕墙箱体内部分空隙间的热量带走，从而保证内部环境的空调节能和好的热舒适度。而其节能的效果取决于带走的热量。本节利用计算流动力学的方法，对被动式外呼吸式幕墙间有无百叶的情况下气流及温度分布进行分析，并得出其不同的系统设置下的能效。

　　6.6温度分布影响

从本方案热工计算数据来看，如果幕墙间存在百叶，则其可充分阴挡太阳直射入射，并吸收了太阳热能而升温，从幕墙下端进入的室内空气充分吸收百叶，内外层表面玻璃的热量，并从上端排气口排出，外呼吸幕墙带走太阳得热的效能较好。

　　相反，如果没有百叶设置，则太阳直接射人室内，而从幕墙下端进人空隙的室内空气只能够带走部分冷却玻璃的热量，效能十分有限。

　　本工程在设计时，将上述因素考虑在方案设计中，从方案的热空气流动特性热工计算数据可以满足上述二个最主要的因素。

　　图八是外循环双层幕墙不带遮阳系统的，此时温度在箱体内分布包线为4一此热包线很接近内侧中空玻璃内表面，由于热辐射及对流的影响，便靠近内表玻璃温度升高，一般在热包线以外接近内表温度，从A、B、C．E、F、G、G、I、J. ….，温度分别从下部的30摄氏度，风速作用内表面温度达到38摄氏度－44摄氏度。　

　　注:不带遮阳帘时，温度Q一Q包线离内表面玻璃很近

　　图九中的箱体空气温度分布就与图八完全不同，由于遮阳帘的存在，使箱体温度辐射被百叶反射到室外，大部分被遮阳百叶吸收，温度由A点到J点区域升高，仅在遮阳系统本身和向内热度场温度升高也仅仅在G点到J点，做内侧玻璃内表面作用温度是比图八中的Q－Q包线要低3-5摄氏度，由于可见遮阳帘在外循环双层幕墙设计中的作用，从而达到了节能作用，而吸收百叶上的热，通过下面上升的流动空气带走排出箱体外。　

　　注:带有遮阳帘系统外循环双层幕墙箱体温度作用分布在热包线P一P离内表面玻璃较远。

　　气流分布

　　本方案设计中同样对被动式外呼吸幕墙间隙内的气流运动形态进行了分析。在存在百叶的情况下，气流充分环绕百叶自下而上运动，从而有效带走百叶热量。

　　而在没有百叶存在的情况下，气流只是经由外层玻璃内表面向上运动，只带走有限有热量。

　　7．被动式外呼吸幕墙设计优化分析

　　为减少被动式外呼吸幕墙和传统幕墙间的成本差距，同时最大程度的保证被动式外呼吸幕墙的节能效能，在设计上进行优化参数的方法，例如性价比优化设计，选材优化，设置优化，亦对此幕墙设计进行优化分析等措施，以达到最佳的设计方案，分析内容包括:

　　内外层幕墙玻璃的材料选取

　　遮阳百叶宽度和间距的优化

　　通道最佳几何参数选取

　　自动式、半自动电控系统设计参数

7.1内外层幕墙玻璃材料选取

　　被动式外呼吸幕墙的外层玻璃选取为半钢化夹胶安全玻璃，为节省投资，方案确定玻璃选取为普通双层中空玻璃的节能效果，被动式外呼吸幕墙选用半钢化夹胶安全抗辐射Low一E玻璃。

　　7.2采用不同性能的内外层玻璃所得到的节能效果

　　相对于传统式单层幕墙设计，采用工AW一E低辐射玻璃作为内层表面玻璃的被动式外呼吸幕墙可减少大约54%的外部得热，而采用透明中空玻璃作为内层表面玻漓的主动式内呼吸幕墙可减少大约54%的外部得热，两者的差别为5%左右。

　　虽然含有百叶的透明中空玻璃幕墙可减少大约54%的外部得热，但考虑到实际运作情况，百叶有机会被升高，而此时内层为普通透明中空玻璃会显著增加空调能耗及影响热舒适度。因此，我们推荐内侧使用Low一E中空玻璃，以提供更好及舒适的室内环境。

　　7.3遮阳百叶间距与百叶宽度关系

　　设于外循环呼吸幕墙之间的百叶宽度和间距，不但影响建筑物的整体通透性，还影响呼吸幕墙系统的节能效果。百叶间距与百叶宽度对于外循环呼吸幕墙节能效果的影响。

　　其结果显示:当百叶间距与百叶宽度之比不变时，外部环境得热亦为定值。

　　如下图所示，幕墙的外部得热与百叶间距/百叶宽度之比正比，百叶之间的距离相对越大，太阳直射人建筑物内部的份额就越大，造成的外部得热就越多，而百叶间距与百叶宽度之比越小，外部环境得热就越小。研究发现，当百叶间距与百叶宽度之比为0.5时，幕墙的外部得热的变化率最大，因此，建议百叶间距与百叶宽度之比为0.5－1.以保证外循环幕墙的节能效果。　