幕墙通风系统设计探讨现代建筑设计集团华东建筑设计研究院有限公司　方　伟☆　杨国荣　胡仰耆摘要　从幕墙通风系统的结构形式、热工性能等方面对内、外循环式幕墙通风系统进行了分析,并结合工程实例探讨了两种幕墙通风系统在工程中的应用。

关键词　内循环式通风幕墙　外循环式通风幕墙　通风系统Dis c us si o n o n t h e d e si g n of d o u bl e2s ki nf a c a d e v e ntil a ti o n s yst e msB y Fan g W ei★,Yan g Guoron g an d H u Yan gqiAbst r a ct　From t he aspects of st ructure f or m and t her modynamic p erf or mance,analyses t he inter nal a nd exter nal respiration double2skin f acade ventilation systems a nd p resents t heir impleme ntation in a p roject.Keywor ds　inter nal respiration double2skin f acade,exter nal respiration double2skin f acade,ve ntilation syste m★East China Architectural Design&Res earch Institute Co.,Ltd.,Shanghai,China0　引言双层通风幕墙自上世纪90年代开始在欧洲使用,后逐渐推广。

双层通风幕墙又称热通道幕墙,是一种外墙构造,包括外层玻璃、可实现通风的空气间层和内层玻璃。

目前常用的双层循环式幕墙结构形式分为内循环式通风幕墙和外循环式通风幕墙。

后者是利用室外空气在空气间层内进行通风;前者是利用室内空气在空气间层内进行通风。

循环式通风幕墙在传热系数和遮阳系数两方面较双层Low2e玻璃幕墙均有较大的改善。

双层玻璃及中间空气层能阻隔室外噪声,过滤阳光和避免直射,无眩光困扰,实现自然光照明,改善室内热环境。

在我国,应用此项技术有所增多,表1为我国采用幕墙通风系统的部分工程实例。

本文从幕墙通风系统的结构形式、热工性能等方面对内、外循环式幕墙通风系统进行分析,并结合工程实例探讨两种幕墙通风系统在工程中的应用。

1　外循环式通风幕墙系统1.1　幕墙结构外循环式通风幕墙又称外呼吸幕墙、开敞式外通风幕墙,其基本结构是由内外两层玻璃幕墙组成,外层幕墙多采用单层玻璃,上下两端有可控制空气进出的装置,内层幕墙多采用双层中空Low2e 玻璃,设有可开启部分,两层玻璃之间形成一个相对封闭的空气间层。

空气间层的宽度为200～2000mm。

此种幕墙通风系统不需要专用的机械通风设备,完全靠热压和风压作用实现空气流动,维护和运行费用较低。

根据分隔布置形式的不同,可分为整体式、廊道式、箱体式和通道式四种形式。

1)整体式。

整片幕墙与建筑同高,不存在水平或垂直分区,冷空气由底部进入,热空气由顶部开口排出,形成空气流动。

整体式外循环通风幕墙可用于高度不超过20m的多层建筑,特别是低层建筑的改造工程。

①☆方伟,女,1972年1月生,工学硕士,高级工程师,副主任工程师200002上海市汉口路151号华东建筑设计研究院有限公司(021)6321742028448E2mail:fwlid@收稿日期:2008-04-01修回日期:2008-04-28表1　我国采用幕墙通风系统的部分工程实例幕墙类型结构组成上海越洋国际广场内循环空气间层宽度200mm,外层为10+12A+8双层Low2e玻璃,内层为8mm钢化玻璃上海久事大厦内循环空气间层宽度320mm,外层为双层Low2e玻璃,内层为单层钢化玻璃北京中青旅大厦内循环空气间层宽度340mm,外层为12+12A+12双层Low2e玻璃,内层为12mm钢化玻璃北京中关村文化商厦内循环空气间层宽度280mm,外层为8+12A+6双层Low2e玻璃,内层为8mm钢化玻璃北京融科咨询中心外循环空气间层宽度600mm北京凯晨大厦外循环空气间层宽度250mm,外层为单层夹胶透明玻璃,内层为双层Low2e玻璃上海张江大厦外循环空气间层宽度600mm,外层为夹胶透明玻璃,内层为双层Low2e玻璃上海烟草大厦外循环空气间层宽度600mm　注:10+12A+8双层Low2e玻璃指10mm厚Low2e玻璃,12mm厚空气层和8mm厚透明玻璃,其他含义类同。

2)廊道式,又称走廊式。

幕墙每层设通风道,层间有水平分隔,每层均有进风口和出风口,每层可设开启窗进行独立换气。

但声音会在同一楼层传递,私密性差。

这种形式可用于整个楼层开放式设计的建筑,通道内设走人格栅,可方便维修清洁,也可作为观光走廊。

3)箱体式,又称窗盒式。

每层均有水平和垂直分隔,对应每个房间为一个独立箱体,可设置开启窗进行独立换气。

隔声好、私密性好。

每个窗户通风系统可自成体系。

为了实现良好的通风效果,一般进出风口交错排列,以防止气流短路。

4)通道式,又称竖井式。

在幕墙中设置一系列的窗盒组件,每层的空气间层通过风口与幕墙中的竖井相连,热空气进入竖井,由于烟囱效应上升到顶部开口排出。

上海张江大厦采用的就是箱体式外循环通风幕墙,其外层幕墙采用的是单层夹胶透明玻璃,内层幕墙采用的是双层Low2e玻璃,两层幕墙间距为600mm。

1.2　幕墙热工性能在冬季,进出风口及内层窗都关闭,由于阳光的照射,间层内的空气温度升高,产生温室效应,减少室内供暖的运行费用;在春秋季节和夏季,进出风口开启,内层窗关闭,在阳光照射下间层内的空气温度升高,与室外空气形成温差,产生烟囱效应,室外空气从下部进风口进入,从上部出风口排出,可减少室内空调冷负荷。

在夏季的夜间和过渡季节,开启部分幕墙的进出风口和部分内层窗,还可实现自然通风,满足室内换气要求,改善室内空气质量,达到节约能源的效果。

对于双层幕墙的工作原理,一般的观点都认为是烟囱效应,即热压是基本的动力,其实,还有一个很重要的因素在起作用,就是风压。

当风吹向建筑物正面时,在迎风面上产生正压区,气流向上偏转,在绕过建筑物各侧面和背面时,在这些面形成负压区,风压就是迎风面和背风面的压力差。

这个压力差与建筑物形式、建筑物与风向的夹角以及周围建筑布局等因素相关。

在迎风面,由于风压的作用,通风效果会很差。

在模拟计算分析和设计应用时,不能忽视风压的作用,应将风向、风力因素考虑进去。

内层玻璃的内表面温度是影响室内温度与舒适度及建筑能耗的重要参数。

夏季时,内层玻璃内表面温度越低,与室内空气的温差越小,建筑围护结构的得热量就越少,还可以减弱玻璃表面对室内的热辐射,提高室内热舒适度。

尽管双层通风幕墙的外层玻璃会在太阳辐射的作用下温度升高并蓄热,但间层内的空气流动可带走外层玻璃积蓄的部分热量。

综合传热系数是评价双层通风幕墙节能效果的最直接的参数,反映了幕墙结构的传热能力。

参考文献[2],以杭州某工程为例,对幕墙空气间层宽度为1100,800,500,200mm四种工况进行模拟分析,得出计算工况下的幕墙综合传热系数与综合传热热阻(见表2)。

随着幕墙空气间层宽度的减小,内层幕墙内表面的温度逐渐升高,综合传热系数逐渐增大,降低了玻璃幕墙的热工性能。

表2　不同空气间层宽度下外循环式幕墙综合传热系数工况幕墙宽度/mm幕墙内表面温度/℃综合传热系数/(W/(m2・℃))热阻/(m2・℃/W) 1110027.220.69 1.45280027.450.82 1.22350027.710.97 1.03420028.26 1.280.78 1.3　在工程中的应用通风幕墙是在欧洲发展起来的,欧洲的气候环境与我国有很大不同,在冬季供暖时有较好的通风和保温作用;在夏季,如通风不良,空气间层的空气温度过高,造成室内得热量增加,反而增加能耗,因此,只有形成良好的通风,才能带走热量,达到节能目的。

空气间层的宽度会影响幕墙的热工特性和房间内的热舒适性,使用不同的窗户和遮阳装置也会有不同的物理性能,内层和外层的开口高度会影响气流类型和空气间层的空气温度。

空气间层的宽度应根据幕墙功能和结构特点来确定。

如果玻璃幕墙尺寸不合适,内层玻璃的内壁温度较低,而外层玻璃的外壁温度较高时,在空气间层内会形成循环,就不能实现烟囱效应,便不能把热量带走。

因此在设计中要结合具体建筑的情况进行计算、模拟分析甚至实验测试,确保空气间层内的空气在夏季大部分时间能实现烟囱效应,将热空气排出。

空气间层的宽度还应考虑人员能进入,当空气间层设计为600mm时,只能保证节点处400mm净宽,人员尚可进入空气间层维修、清扫,故空气间层的宽度不应小于600mm。

另一方面,空气间层的宽度减少了建筑的实际使用面积,所以宽度既不能过宽,又需满足各种使用要求。

进出风口的面积应能控制,以适应室外空气温度变化、室外风力和通风进出口的压差等因素的影响。

通风幕墙系统的选择必须综合考虑建筑物的地理环境、气候、幕墙的热物理性能、内外视觉效果、隔声、价格及维护等因素。

设计时可以将CFD 数值模拟方法应用于双层通风玻璃幕墙的热工设计,以便模拟出空气间层内的温度、速度、压力等物理参数的分布情况,为分析其热工机理提供依据。

通常,寒冷地区因供暖时间较长,选用双层通风幕墙时,主要是利用空气间层的温室效应以减少房间热损失,内层幕墙可采用中空Low2e玻璃、断热型材及相对较大的空气间层宽度。

在炎热地区,供冷时间较长,外层幕墙采用热反射玻璃和相对较小的空气间层宽度,可增强烟囱效应,降低内层玻璃表面温度,从而达到最佳节能效果。

在设计外循环式通风幕墙时,还应考虑防尘、清洗、遮阳、防火等方面的要求。

对于外循环式幕墙通风系统,空调设计特点主要体现在冬、夏负荷计算上。

夏季传热系数降低,遮阳系数减小,冬季传热系数也降低,从而减少了冬、夏负荷,降低了空调系统的运行费用。

当启用自然通风系统时,空调系统不运行。

有的工程师认为,只有内层玻璃幕墙可以作为围护结构进行热阻和传热系数的计算,外层玻璃幕墙被空气间层隔开,空气间层内为流动的空气层,不应计入热阻或传热系数的计算,内层幕墙表面间接接触室外空气层,其表面换热阻可适当提高。

笔者认为这是不妥的。

因为在进行空调负荷计算时,软件中输入的是室外空气参数,是计算室外空气传到室内的热量,而不是空气间层内的空气传到室内的热量,所以在输入传热系数时,应采用整个双层幕墙的综合传热系数,而不应是内层玻璃的传热系数。

2　内循环式通风幕墙系统2.1　幕墙结构内循环式通风幕墙又称内呼吸幕墙、封闭式内通风幕墙。