淺談通風雙層幕墻技術
發布時間：2010-01-14 共1頁
建筑節能是當今熱門的話題，各種節能技術自然備受關注。通風雙層幕墻便是其中之一。因為能夠滿足建筑師對建筑通透、空靈的追求，同時又具有通風、保溫、隔聲等效果，通風雙層幕墻從20世紀90年代開始在歐洲得到了比較廣泛的應用，近幾年在我國
國也有不少工程實例。
一、定義—概念
通風雙層幕墻有內、外兩個玻璃層，中間的空氣腔可以讓空氣通過。空氣腔的通風方式可以是自然通風、輔助風機通風或機械通風。除了空氣腔內的通風方式，空氣的進入和排出位置也會因為氣候條件、使用方式、建筑位置、使用的小時數及建筑的暖通空調策略的不同而產生變化。內、外層可以是單層玻璃或雙層玻璃，之間的距離可以是20cm～2m。因為保護和夏季排出熱量的需要，空氣腔內通常會設置遮陽設備。
通風雙層幕墻的太陽參數與單層幕墻并沒有區別。但是，因為新增加的外層，形成了熱緩沖區，所以可以在夏季減少得熱，在冬季使用被動太陽得熱。在供暖季，經過預熱的空氣可以送入室內，提供自然通風來獲得良好的室內環境。另一方面，如果通風不好，夏季也會出現過熱的問題。不同的設置可以使幕墻有不同的使用方式，幕墻系統的靈活性使其能應用到不同的氣候條件和地點中。
二、分類
在現有文獻中，通風雙層幕墻有多種不同的分類方法。
（1）最常用的分類方法是根據空氣腔的類型（幾何尺寸）進行分類：
1）整體式：這種類型里，幕墻中不存在水平或垂直分區。空氣腔通風是由空氣腔底部和頂部附近的的開啟實現的。
2）走廊式：由于隔聲、安全和通風的原因，進行了水平的分區。
3）窗盒式：這種類型里面，橫向、縱向分割把幕墻分成了很小并且獨立的盒子。
4）豎井式：這種類型幕墻中設置了一系列的窗盒組件。這些窗盒通過固定在幕墻中的豎井相連。這些豎井可以使煙囪效應得到加強。
另外，通風雙層幕墻的分類也可以根據以下因素進行分類：
（2）通風方式：
1）自然通風；
2）風機輔助通風；
3）機械通風。
（3）氣流來源：
1）從外部；
2）從內部。
（4）氣流走向：
1）向外；
2）向內。
（5）氣流方向：
1）從下到上；
2）從上到下。（僅在機械通風時）
（6）空氣腔寬度：
1）窄（10~20cm）；
2）寬（0.5~1m）。
（7）分隔
1）水平（每層）；
2）無水平分隔；
3）垂直。
三、技術指標和設計參數
芬蘭的Uuttu在她的碩士論文中論述了幕墻的結構體系。她認為“完整的結構可以分為三個層次：
（1）首要結構：承重核心，所有承受水平和垂直荷載的柱、墻、樓板和支撐；
（2）第二層結構：不承重的樓板、嵌入結構、隔斷、屋頂、附屬物、幕墻部分等；
（3）第三層結構：第二層結構中其穩定性對第二層結構不起決定作用的部分，如幕墻結構中的窗。”
在我國的規范中也將幕墻結構歸類為不承受建筑結構荷載的外維護結構。而在通風雙層幕墻結構中，除了幕墻本身的結構性能外，幕墻內外層的開啟原則，窗和遮陽設備的類型以及幕墻的空氣腔都對幕墻的功能起到了決定性作用。這里主要對開啟原則，窗和遮陽設備類型及空氣腔等參數作簡要論述。
（一）開啟原則
空氣腔中的空氣流速和流場類型主要取決于空氣腔的寬度和內外層的開啟類型。對于通風功能而言，內層幕墻的有效性取決于窗的開啟。國外有學者（Oesterle等）對內層的不同窗的開啟方式和相對于立面開洞的通風效果作了如下比較：
內層不同開啟方式相對于立面開洞的相對通風效果
對于外層開啟，Oesterle等指出那些適用于通風雙層幕墻空氣進風口嵌入部分的原則也適用于排風口。在氣流上升途中，隨著漩渦沿邊界和密閉曲線旋轉，可能會產生旋流。一旦形成這種擾動，會在很程度上減少開啟風口的有效區域。有效截面是剩余的不受擾動的部分，只有這部分才能用于計算中。對此作者給出了例證和詳細的CFD（計算流體力學）模型。
（二）窗和遮陽設備的類型
窗的類型和遮陽設備的選擇是影響通風雙層幕墻功能的重要因素。不同的窗會對空氣溫度產生不同的影響，進而影響自然通風空氣腔內的氣流。選擇能在冬季通過預熱空氣腔內空氣提供自然通風降低能耗的窗，在夏季就會有過熱的問題。百葉的參數（吸收、反射和傳導）和幾何尺寸也會影響空氣腔內的氣流。
1、從部分的文獻及眾多實例中可以看出，通風雙層幕墻中最常用的窗的類型有：
（1）內層通常為保溫雙層窗。玻璃通常為鋼化玻璃或鋼化浮法玻璃。窗中間的間層充入空氣、氬氣或氪氣。
（2）外層通常為鋼化單層窗。有時也可以是多層玻璃。
最常用的外層為熱加強型安全玻璃或多層安全玻璃。內層幕墻有
（2）外層通常為鋼化單層窗。有時也可以是多層玻璃。
最常用的外層為熱加強型安全玻璃或多層安全玻璃。內層幕墻有固定或可開啟的雙層或單層窗格、窗扉或外推上懸窗。內層玻璃幕墻的低輻射鍍膜降低了室內外的輻射熱交換（但要取決于冬夏的具體情況）。考慮到費用不建議采用價格偏貴的玻璃，如火石玻璃等；如有特殊安全原因（如玻璃撓度要求或避免玻璃跌落的規范要求），要采用強化玻璃或多層安全玻璃。
2、使用的遮陽設備一般為水平百葉，布置在空氣腔內，有利于保護設備。在型項目中，對于遮陽設備的材料和尺寸，及遮陽設備與窗的結合的準確特性是有待進一步研究的，同樣空氣間層的通風對于百葉角度的關系也值得進一步研究。
（三）空氣腔
詳細計算通風雙層幕墻空氣腔內不同高度的氣流和溫度，可以優化通風雙層幕墻的射擊參數，提高性能效率。通常氣流計算的詳細程度是通風雙層幕墻設計的關鍵。另一方面，計算越詳細，需要的時間和投入就會越多。現有文獻中，計算空氣腔內氣流的方法各不相同。但根據解決方案和復雜程度對主要氣流模型有如下分類：
（1）建筑能耗平衡（BEB）模型。主要依靠對氣流的估計。
（2）分區氣流網絡（AFN）模型。基于區域物質平衡和區域內流體壓力關系，通常適用于整個建筑。
（3）計算流體力學（CFD）。基于所有構成流場微元的能量、質量和動量守恒，一般適用于單個建筑分區。
由于計算流體力學（CFD）模擬可以提供溫度場和流場的細節內容，所以越來越多地的得到應用。設計空氣腔時，詳細程度是很重要的。內外層開啟類型、遮陽設備的小尺寸、通風類型等都會影響氣流的類型。因此，CFD模擬可以提供有益的細節內容，避免設計過程中出現意想不到的錯誤。但是由于受計算機性能的限制，氣流的模擬還是很困難的，隨著計算機性能的提高，CFD模擬能力也會得到提高。
四、通風雙層幕墻的優、缺點
（一） 優點：
（1）低造價。這里要說明的是，與電動變色窗、熱變色窗、光變色窗的方案相比，造價要低。（這幾種窗的參數都可以根據氣候和環境的變化而變化）
（2）隔聲。良好的隔聲效果是使用通風雙層幕墻最重要的因素之一，特別是在外部噪聲的地區（如交通噪聲等）。
（3）隔熱。在冬季，減小空氣腔內空氣流速，增加其溫度會降低玻璃表面傳熱速度，減少熱損失，可以提高保溫效果；夏季，自然通風、輔助機械通風或機械通風時，可以排出空氣腔中的熱空氣，降低空氣腔內空氣溫度，減少空調負荷。
（4）夜間通風。夏季，內層容易過熱，在夜間用自然通風預冷室內區域就可以節能。早晨，室內溫度不很高，會讓使用者感覺很舒適，并可以提高室內空氣質量。
（5）節能、減少環境影響。與傳統的單層幕墻相比，設計合理時額外的一層外套能增加節能的效果。
（6）通透。很多建筑師越來越希望采用更面積的幕墻作為維護結構。
（7）自然通風。通風雙層幕墻一個重要優點就是能夠自然通風（或有輔助風機通風）。不同類型的通風雙層幕墻可以應用在不同的氣候條件、朝向、位置和建筑類型中，以達到隨時為室內提供新鮮空氣的目的。
（8）熱舒適性-內墻溫度。因為供暖季通風雙層幕墻空氣腔內的溫度比室外高，與單層幕墻相比，通風雙層幕墻內層的溫度可以與室內溫度接近。另一方面，在設計中很重要的一點是在夏季不能讓空氣腔內的溫度上升過高，應使過熱的空氣盡快從空氣腔中排出，以帶走熱量。
（9）傳熱系數和太陽能總透射比都較低。
（10）對遮陽或照明設施的更好保護。因為這些設備布置在通風雙層幕墻中間的空氣腔內，它們可以不受風雨的影響。
（二）缺點：
（1）建造、維護和運行本高。和傳統的幕墻比，建造成本要高很多；另外，維護和運行等各方面的花費也都比單層幕墻要高。
（2）防火。對于建筑防火而言，現在還不是很清楚通風雙層幕墻的影響是正面的，還是負面的。但有研究人員提到了火災時煙氣在房間之間蔓延的可能性。
（3）減少建筑室內可利用面積。通風雙層幕墻的空氣腔的寬度從20cm到幾米。因此會減少實際的使用空間，通常空氣腔的寬度會影響內部參數和幕墻性能；有時，空氣腔寬度越，越能提高與外層相鄰的內層的熱舒適性。因此，選擇恰當的幕墻寬度很重要，既不過寬（以節省空間），又要能滿足各種使用要求。
（4）過熱問題。這里主要說的是，若設計不當，在夏季時空氣腔內的空氣溫度會過高，進而會使室內溫度升高，增加空調負荷。這是個在設計通風雙層幕墻時經常會遇到的問題。
（5）增加結構承重。雙層幕墻結構與傳統幕墻相比重量會增，所以結構的承重也會加。
（6）隔聲。如果設計不當，會產生房間、樓層間串聲的問題。
五、結論
事實上，通風雙層幕墻系統很程度依賴于外界環境，因為該系統可以讓室外環境對室內環境產生影響。所以，在做通風雙層幕墻設計時要根據項目的具體情況來考慮。雖然通風雙層幕墻有很多優點，但它的造價偏高，所以在選擇通風雙層幕墻作為建筑外維護結構時應慎重考慮涉及到的各方面要求。當然，如果設計合理，在滿足各方面使用要求和功能的情況下，通風雙層幕墻的節能特性會在使用當中逐漸體現出來。
國也有不少工程實例。
一、定義—概念
通風雙層幕墻有內、外兩個玻璃層，中間的空氣腔可以讓空氣通過。空氣腔的通風方式可以是自然通風、輔助風機通風或機械通風。除了空氣腔內的通風方式，空氣的進入和排出位置也會因為氣候條件、使用方式、建筑位置、使用的小時數及建筑的暖通空調策略的不同而產生變化。內、外層可以是單層玻璃或雙層玻璃，之間的距離可以是20cm～2m。因為保護和夏季排出熱量的需要，空氣腔內通常會設置遮陽設備。
通風雙層幕墻的太陽參數與單層幕墻并沒有區別。但是，因為新增加的外層，形成了熱緩沖區，所以可以在夏季減少得熱，在冬季使用被動太陽得熱。在供暖季，經過預熱的空氣可以送入室內，提供自然通風來獲得良好的室內環境。另一方面，如果通風不好，夏季也會出現過熱的問題。不同的設置可以使幕墻有不同的使用方式，幕墻系統的靈活性使其能應用到不同的氣候條件和地點中。
二、分類
在現有文獻中，通風雙層幕墻有多種不同的分類方法。
（1）最常用的分類方法是根據空氣腔的類型（幾何尺寸）進行分類：
1）整體式：這種類型里，幕墻中不存在水平或垂直分區。空氣腔通風是由空氣腔底部和頂部附近的的開啟實現的。
2）走廊式：由于隔聲、安全和通風的原因，進行了水平的分區。
3）窗盒式：這種類型里面，橫向、縱向分割把幕墻分成了很小并且獨立的盒子。
4）豎井式：這種類型幕墻中設置了一系列的窗盒組件。這些窗盒通過固定在幕墻中的豎井相連。這些豎井可以使煙囪效應得到加強。
另外，通風雙層幕墻的分類也可以根據以下因素進行分類：
（2）通風方式：
1）自然通風；
2）風機輔助通風；
3）機械通風。
（3）氣流來源：
1）從外部；
2）從內部。
（4）氣流走向：
1）向外；
2）向內。
（5）氣流方向：
1）從下到上；
2）從上到下。（僅在機械通風時）
（6）空氣腔寬度：
1）窄（10~20cm）；
2）寬（0.5~1m）。
（7）分隔
1）水平（每層）；
2）無水平分隔；
3）垂直。
三、技術指標和設計參數
芬蘭的Uuttu在她的碩士論文中論述了幕墻的結構體系。她認為“完整的結構可以分為三個層次：
（1）首要結構：承重核心，所有承受水平和垂直荷載的柱、墻、樓板和支撐；
（2）第二層結構：不承重的樓板、嵌入結構、隔斷、屋頂、附屬物、幕墻部分等；
（3）第三層結構：第二層結構中其穩定性對第二層結構不起決定作用的部分，如幕墻結構中的窗。”
在我國的規范中也將幕墻結構歸類為不承受建筑結構荷載的外維護結構。而在通風雙層幕墻結構中，除了幕墻本身的結構性能外，幕墻內外層的開啟原則，窗和遮陽設備的類型以及幕墻的空氣腔都對幕墻的功能起到了決定性作用。這里主要對開啟原則，窗和遮陽設備類型及空氣腔等參數作簡要論述。
（一）開啟原則
空氣腔中的空氣流速和流場類型主要取決于空氣腔的寬度和內外層的開啟類型。對于通風功能而言，內層幕墻的有效性取決于窗的開啟。國外有學者（Oesterle等）對內層的不同窗的開啟方式和相對于立面開洞的通風效果作了如下比較：
內層不同開啟方式相對于立面開洞的相對通風效果
對于外層開啟，Oesterle等指出那些適用于通風雙層幕墻空氣進風口嵌入部分的原則也適用于排風口。在氣流上升途中，隨著漩渦沿邊界和密閉曲線旋轉，可能會產生旋流。一旦形成這種擾動，會在很程度上減少開啟風口的有效區域。有效截面是剩余的不受擾動的部分，只有這部分才能用于計算中。對此作者給出了例證和詳細的CFD（計算流體力學）模型。
（二）窗和遮陽設備的類型
窗的類型和遮陽設備的選擇是影響通風雙層幕墻功能的重要因素。不同的窗會對空氣溫度產生不同的影響，進而影響自然通風空氣腔內的氣流。選擇能在冬季通過預熱空氣腔內空氣提供自然通風降低能耗的窗，在夏季就會有過熱的問題。百葉的參數（吸收、反射和傳導）和幾何尺寸也會影響空氣腔內的氣流。
1、從部分的文獻及眾多實例中可以看出，通風雙層幕墻中最常用的窗的類型有：
（1）內層通常為保溫雙層窗。玻璃通常為鋼化玻璃或鋼化浮法玻璃。窗中間的間層充入空氣、氬氣或氪氣。
（2）外層通常為鋼化單層窗。有時也可以是多層玻璃。
最常用的外層為熱加強型安全玻璃或多層安全玻璃。內層幕墻有
（2）外層通常為鋼化單層窗。有時也可以是多層玻璃。
最常用的外層為熱加強型安全玻璃或多層安全玻璃。內層幕墻有固定或可開啟的雙層或單層窗格、窗扉或外推上懸窗。內層玻璃幕墻的低輻射鍍膜降低了室內外的輻射熱交換（但要取決于冬夏的具體情況）。考慮到費用不建議采用價格偏貴的玻璃，如火石玻璃等；如有特殊安全原因（如玻璃撓度要求或避免玻璃跌落的規范要求），要采用強化玻璃或多層安全玻璃。
2、使用的遮陽設備一般為水平百葉，布置在空氣腔內，有利于保護設備。在型項目中，對于遮陽設備的材料和尺寸，及遮陽設備與窗的結合的準確特性是有待進一步研究的，同樣空氣間層的通風對于百葉角度的關系也值得進一步研究。
（三）空氣腔
詳細計算通風雙層幕墻空氣腔內不同高度的氣流和溫度，可以優化通風雙層幕墻的射擊參數，提高性能效率。通常氣流計算的詳細程度是通風雙層幕墻設計的關鍵。另一方面，計算越詳細，需要的時間和投入就會越多。現有文獻中，計算空氣腔內氣流的方法各不相同。但根據解決方案和復雜程度對主要氣流模型有如下分類：
（1）建筑能耗平衡（BEB）模型。主要依靠對氣流的估計。
（2）分區氣流網絡（AFN）模型。基于區域物質平衡和區域內流體壓力關系，通常適用于整個建筑。
（3）計算流體力學（CFD）。基于所有構成流場微元的能量、質量和動量守恒，一般適用于單個建筑分區。
由于計算流體力學（CFD）模擬可以提供溫度場和流場的細節內容，所以越來越多地的得到應用。設計空氣腔時，詳細程度是很重要的。內外層開啟類型、遮陽設備的小尺寸、通風類型等都會影響氣流的類型。因此，CFD模擬可以提供有益的細節內容，避免設計過程中出現意想不到的錯誤。但是由于受計算機性能的限制，氣流的模擬還是很困難的，隨著計算機性能的提高，CFD模擬能力也會得到提高。
四、通風雙層幕墻的優、缺點
（一） 優點：
（1）低造價。這里要說明的是，與電動變色窗、熱變色窗、光變色窗的方案相比，造價要低。（這幾種窗的參數都可以根據氣候和環境的變化而變化）
（2）隔聲。良好的隔聲效果是使用通風雙層幕墻最重要的因素之一，特別是在外部噪聲的地區（如交通噪聲等）。
（3）隔熱。在冬季，減小空氣腔內空氣流速，增加其溫度會降低玻璃表面傳熱速度，減少熱損失，可以提高保溫效果；夏季，自然通風、輔助機械通風或機械通風時，可以排出空氣腔中的熱空氣，降低空氣腔內空氣溫度，減少空調負荷。
（4）夜間通風。夏季，內層容易過熱，在夜間用自然通風預冷室內區域就可以節能。早晨，室內溫度不很高，會讓使用者感覺很舒適，并可以提高室內空氣質量。
（5）節能、減少環境影響。與傳統的單層幕墻相比，設計合理時額外的一層外套能增加節能的效果。
（6）通透。很多建筑師越來越希望采用更面積的幕墻作為維護結構。
（7）自然通風。通風雙層幕墻一個重要優點就是能夠自然通風（或有輔助風機通風）。不同類型的通風雙層幕墻可以應用在不同的氣候條件、朝向、位置和建筑類型中，以達到隨時為室內提供新鮮空氣的目的。
（8）熱舒適性-內墻溫度。因為供暖季通風雙層幕墻空氣腔內的溫度比室外高，與單層幕墻相比，通風雙層幕墻內層的溫度可以與室內溫度接近。另一方面，在設計中很重要的一點是在夏季不能讓空氣腔內的溫度上升過高，應使過熱的空氣盡快從空氣腔中排出，以帶走熱量。
（9）傳熱系數和太陽能總透射比都較低。
（10）對遮陽或照明設施的更好保護。因為這些設備布置在通風雙層幕墻中間的空氣腔內，它們可以不受風雨的影響。
（二）缺點：
（1）建造、維護和運行本高。和傳統的幕墻比，建造成本要高很多；另外，維護和運行等各方面的花費也都比單層幕墻要高。
（2）防火。對于建筑防火而言，現在還不是很清楚通風雙層幕墻的影響是正面的，還是負面的。但有研究人員提到了火災時煙氣在房間之間蔓延的可能性。
（3）減少建筑室內可利用面積。通風雙層幕墻的空氣腔的寬度從20cm到幾米。因此會減少實際的使用空間，通常空氣腔的寬度會影響內部參數和幕墻性能；有時，空氣腔寬度越，越能提高與外層相鄰的內層的熱舒適性。因此，選擇恰當的幕墻寬度很重要，既不過寬（以節省空間），又要能滿足各種使用要求。
（4）過熱問題。這里主要說的是，若設計不當，在夏季時空氣腔內的空氣溫度會過高，進而會使室內溫度升高，增加空調負荷。這是個在設計通風雙層幕墻時經常會遇到的問題。
（5）增加結構承重。雙層幕墻結構與傳統幕墻相比重量會增，所以結構的承重也會加。
（6）隔聲。如果設計不當，會產生房間、樓層間串聲的問題。
五、結論
事實上，通風雙層幕墻系統很程度依賴于外界環境，因為該系統可以讓室外環境對室內環境產生影響。所以，在做通風雙層幕墻設計時要根據項目的具體情況來考慮。雖然通風雙層幕墻有很多優點，但它的造價偏高，所以在選擇通風雙層幕墻作為建筑外維護結構時應慎重考慮涉及到的各方面要求。當然，如果設計合理，在滿足各方面使用要求和功能的情況下，通風雙層幕墻的節能特性會在使用當中逐漸體現出來。
