浅谈通风双层幕墙技术

  通风双层幕墙有内、外两个玻璃层，中间的空气腔可以让空气通过。空气腔的通风方式能是自然通风、辅助风机通风或机械通风。除了空气腔内的通风方式，空气的进入和排出位置也会因气候条件、使用方式、建筑位置、使用的小时数及建筑的暖通空调策略的不同而产生变化。内、外层可以是单层玻璃或双层玻璃，之间的距离可以是20cm～2m。因为保护和夏季排出热量的需要，空气腔内通常会设置遮阳设备。通风双层幕墙的太阳参数与单层幕墙并没有区别。但是，因为新增加的外层，形成了热缓冲区，所以可以在夏季减少得热，在冬季使用被动太阳得热。在供暖季，经过预热的空气可以送入室内，提供自然通风来获得良好的室内环境。另一方面，如果通风不好，夏季也会出现过热的问题。不同的设置可以使幕墙有不同的使用方式，幕墙系统的灵活性使其能应用到不同的天气特征情况和地点中。

  在现有文献中，通风双层幕墙有多种不同的分类方法。（1）最常用的分类方法是根据空气腔的类型（几何尺寸）进行分类：

  1）整体式：这种类型里，幕墙中不存在水平或垂直分区。空气腔通风是由空气腔底部和顶部附近的大的开启实现的。

  3）窗盒式：这种类型里面，横向、纵向分割把幕墙分成了很小并且独立的盒子。

  4）竖井式：这种类型幕墙中设置了一系列的窗盒组件。这些窗盒通过固定在幕墙中的竖井相连。这些竖井可以使烟囱效应得到加强。

  芬兰的Uuttu在她的硕士论文中论述了幕墙的结构体系。她认为“完整的结构可以分为三个层次：（1）首要结构：承重核心，所有承受水平和垂直荷载的柱、墙、楼板和支撑；

  （2）第二层结构：不承重的楼板、嵌入结构、隔断、屋顶、附属物、幕墙部分等；

  （3）第三层结构：第二层结构中其稳定性对第二层结构不起决定作用的部分，如幕墙结构中的窗。”

  在我国的规范中也将幕墙结构归类为不承受建筑结构荷载的外维护结构。而在通风双层幕墙结构中，除了幕墙本身的结构性能外，幕墙内外层的开启原则，窗和遮阳设备的类型以及幕墙的空气腔都对幕墙的功能起到了决定性作用。这里主要对开启原则，窗和遮阳设备类型及空气腔等参数作简要论述。

  空气腔中的空气流速和流场类型主要取决于空气腔的宽度和内外层的开启类型。对于通风功能而言，内层幕墙的有效性取决于窗的开启。国外有学者（Oesterle等）对内层的不同窗的开启方式和相对于立面开洞的通风效果作了如下比较：

  对于外层开启，Oesterle等指出那些适用于通风双层幕墙空气进风口嵌入部分的原则也适用于排风口。在气流上升途中，随着漩涡沿边界和密闭曲线旋转，可能会产生旋流。一旦形成这种扰动，会在很大程度上减少开启风口的有效区域。有效截面是剩余的不受扰动的部分，只有这部分才能用于计算中。对此作者给出了例证和详细的CFD（计算流体力学）模型。

  窗的类型和遮阳设备的选择是影响通风双层幕墙功能的重要因素。不同的窗会对空气温度产生不同的影响，进而影响自然通风空气腔内的气流。选择能在冬季通过预热空气腔内空气提供自然通风降低能耗的窗，在夏季就会有过热的问题。百叶的参数（吸收、反射和传导）和几何尺寸也会影响空气腔内的气流。

  1、从大部分的文献及众多实例中可以看出，通风双层幕墙中最常用的窗的类型有：

  （1）内层通常为保温双层窗。玻璃通常为钢化玻璃或钢化浮法玻璃。窗中间的间层充入空气、氩气或氪气。

  最常用的外层为热加强型安全玻璃或多层安全玻璃。内层幕墙有固定或可开启的双层或单层窗格、窗扉或外推上悬窗。内层玻璃幕墙的低辐射镀膜降低了室内外的辐射热交换（但要取决于冬夏的具体情况）。考虑到费用不建议采用价格偏贵的玻璃，如火石玻璃等；如有特殊安全原因（如玻璃挠度要求或避免玻璃跌落的规范要求），要采用强化玻璃或多层安全玻璃。

  2、使用的遮阳设备一般为水平百叶，布置在空气腔内，有利于保护设备。在大型项目中，对于遮阳设备的材料和尺寸，及遮阳设备与窗的结合的准确特性是有待进一步研究的，同样空气间层的通风对于百叶角度的关系也值得进一步研究。

  详细计算通风双层幕墙空气腔内不同高度的气流和温度，可以优化通风双层幕墙的射击参数，提高性能效率。通常气流计算的详细程度是通风双层幕墙设计的关键。另一方面，计算越详细，需要的时间和投入就会越多。现有文献中，计算空气腔内气流的方法各不相同。但根据解决方案和复杂程度对主要气流模型有如下分类：

  （2）分区气流网络（AFN）模型。基于区域物质平衡和区域内流体压力关系，通常适用于整个建筑。

  （3）计算流体力学（CFD）。基于所有构成流场微元的能量、质量和动量守恒，一般适用于单个建筑分区。

  由于计算流体力学（CFD）模拟可以提供温度场和流场的细节内容，所以越来越多地的得到应用。设计空气腔时，详细程度是很重要的。内外层开启类型、遮阳设备的大小尺寸、通风类型等都会影响气流的类型。因此，CFD模拟可以提供有益的细节内容，避免设计过程中出现意想不到的错误。但是由于受计算机性能的限制，气流的模拟还是很困难的，随着计算机性能的提高，CFD模拟能力也会得到提高。

  （一） 优点：（1）低造价。这里要说明的是，与电动变色窗、热变色窗、光变色窗的方案相比，造价要低。（这几种窗的参数都可以根据气候和环境的变化而变化）

  （2）隔声。良好的隔声效果是使用通风双层幕墙最重要的因素之一，特别是在外部噪声大的地区（如交通噪声等）。

  （3）隔热。在冬季，减小空气腔内空气流速，增加其温度会降低玻璃表面传热速度，减少热损失，可以提高保温效果；夏季，自然通风、辅助机械通风或机械通风时，可以排出空气腔中的热空气，降低空气腔内空气温度，减少空调负荷。

  （4）夜间通风。夏季，内层容易过热，在夜间用自然通风预冷室内区域就可以节能。早晨，室内温度不很高，会让使用者感觉很舒适，并可以提高室内空气质量。

  （5）节能、减少环境影响。与传统的单层幕墙相比，设计合理时额外的一层外套能增加节能的效果。

  （7）自然通风。通风双层幕墙一个重要优点就是能够自然通风（或有辅助风机通风）。不同类型的通风双层幕墙可以应用在不同的天气特征情况、朝向、位置和建筑类型中，以达到随时为室内提供新鲜空气的目的。

  （8）热舒适性-内墙温度。因为供暖季通风双层幕墙空气腔内的温度比室外高，与单层幕墙相比，通风双层幕墙内层的温度可以与室内温度接近。另一方面，在设计中很重要的一点是在夏季不能让空气腔内的温度上升过高，应使过热的空气尽快从空气腔中排出，以带走热量。

  （10）对遮阳或照明设施的更好保护。因为这些设备布置在通风双层幕墙中间的空气腔内，它们可以不受风雨的影响。

  （1）建造、维护和运行本高。和传统的幕墙比，建造成本要高很多；另外，维护和运行等各方面的花费也都比单层幕墙要高。

  （2）防火。对于建筑防火而言，现在还不是很清楚通风双层幕墙的影响是正面的，还是负面的。但有研究人员提到了火灾时烟气在房间之间蔓延的可能性。

  （3）减少建筑室内可利用面积。通风双层幕墙的空气腔的宽度从20cm到几米。因此会减少实际的使用空间，通常空气腔的宽度会影响内部参数和幕墙性能；有时，空气腔宽度越大，越能提高与外层相邻的内层的热舒适性。因此，选择恰当的幕墙宽度很重要，既不过宽（以节省空间），又要能满足各种使用要求。

  （4）过热问题。这里主要说的是，若设计不当，在夏季时空气腔内的空气温度会过高，进而会使室内温度升高，增加空调负荷。这是个在设计通风双层幕墙时经常会遇到的问题。

  （5）增加结构承重。双层幕墙结构与传统幕墙相比重量会增大，所以结构的承重也会加大。

  事实上，通风双层幕墙系统很大程度依赖于外界环境，因为该系统可以让室外环境对室内环境产生影响。所以，在做通风双层幕墙设计时要根据项目的详细情况来考虑。虽然通风双层幕墙有很多优点，但它的造价偏高，所以在选择通风双层幕墙作为建筑外维护结构时应慎重考虑涉及到的各方面要求。当然，如果设计合理，在满足各方面使用上的要求和功能的情况下，通风双层幕墙的节能特性会在使用当中逐渐体现出来。

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