浅谈北京新源大厦双层呼吸式幕墙外循环系统

1打造技术制高点实现可持续发展——浅谈北京新源大厦双层呼吸式幕墙外循环系统武汉凌云建筑装饰工程有限公司一、前言作为现代社会中的重要资源，能源已经日益显现出它的珍贵性。在发达的工业化国家，建筑物消耗了近40%的能源，经过粗略的估算，其中的2/3–3/4本可通过正确的建筑措施节省下来。我国能源结构不合理，能耗消费总量已达世界第二，能源生产与供应将会成为突出矛盾，极大地制约了我国经济的发展。长期以来，夏热冬冷地区的建筑在保温、隔热、通风条件方面较差，人们为了解决夏季降温和冬季取暖的问题，不得不采用空调设施。当空调与暖气逐渐走入家庭为我们带来室内局部舒适的同时，能耗问题、污染问题、城市热岛问题出现并迅速加剧。北京气候属于暖温带半湿润半干旱季风气候。冬季寒冷，夏季较为炎热，月平均最高温度超过30°C，平均昼夜温差较大，平均达15°C，（年极端最高气温—般在35～40°C之间，而年极端最低气温一般在－14～—20°C之间）；降水丰沛，明显集中于夏季3个月，偶有暴雨发生，冬春季比较干燥，夏秋季较为湿润，夏季多云；春季及深秋有大风，春季偶有沙尘暴发生。因而北京在一定程度上具有中国夏热冬冷地区的气候特点：夏季更热，冬季更冷，同时具有两种极端气候的特征。另外，北京具有干热气候特点以及春季防沙尘暴的要求。建筑幕墙在当前越来越受到关注，但一般只是作为设计手法的重要对象，忽视了建筑幕墙是影响室内热舒适度和建筑能耗的重要因素和关键部位。夏热冬冷地区建筑同时面对冬、夏两种极端气候，单一的材料无法同时满足对冬季保温和夏季防热、隔热的要求。在极端气候共存的北京，玻璃幕墙更加需要适应性、复合性。北京新源大厦一期工程（现改称北京公馆），是一幢集居家、商务、休闲于一体的高档住宅楼，由德国GMP建筑设计有限责任公司设计，北京千禧房地产开发有限公司承建。该项目建筑面积6.6339万平方米，楼高82.3米，共26层。针对北京的气候特点，以及节能、环保等多方面的需求，本工程的幕墙形式选用先进的双层外循环呼吸式幕墙（也称为双层皮外循环呼吸式幕墙）。该双层幕墙及其中间的水平遮阳系统，作为一个立面构图元素，丰富了整个立面。平面每隔三层退近，形成周围的室外平台，强调了建筑水平线条并构成了极强的韵律感，建筑的东西两塔顶部楼层以三层为单位，逐步跌落，形成退台，使原本庞大的建筑体显得错落有致。2北京新源大厦双层幕墙示意图二、当前国内双层玻璃幕墙存在的问题双层幕墙在当前生态建筑技术领域成为重要的关注话题，并且在大多数欧洲国家得到了广泛的推广和运用。但针对性地从“双层玻璃幕墙的表皮气候适应性”角度进行研究或是节能设计在中国尚处在萌芽阶段。仅有的几座在国内建成的双层幕墙建筑只是走“双层皮”时髦概念的路线，缺乏对双层皮的生态层次的理解和掌握。如北京某会计学院：空腔间层间距和通风口面积过小，造成通风不利，且缺乏有利的防热措施，易引发室内过热（见照片1）。北京某大型公寓：风口进、出风不畅和通风模式选择不当，不利于室内外空气对流（见照片2）。上海某大厦：幕墙开启方式和室内外气流环流模式不当引发夏季室内过热（见照片3）。照片1北京某会计学院双层皮外立面某大厦3照片2北京某大型公寓双层皮通风口构造照片3上海某大厦双层皮内层表皮三、“双层皮”玻璃幕墙试验技术成果总结2002年夏冬两季和2003年夏天，华中科技大学建规学院李保峰教授及其研究生与武汉凌云建筑装饰工程有限公司合作，进行了双层玻璃幕墙相关系列实验（见照片4）。实验系统深入研究了不同遮阳状况、通风状况、朝向状况、淋水使用状况、空调使用状况对玻璃幕墙实验体室内热环境和能耗的影响。实验证明，通过设计合理的通风口，加上有效的遮阳以及正确的使用方式，可以明显降低夏天室内空气气温和玻璃表照片4“双层皮”玻璃幕墙生态实验站面温度。具体如下：◆朝向系列：朝向系列检验双层皮玻璃幕墙面向环境的热适应性。实验表明：双层皮玻璃幕墙在四个朝向均有较好的热工性能（双层间遮阳的双层皮相对于采取内遮阳的单层皮），尤其是西向。但前提条件是保证双层皮玻璃幕墙的空腔间层有较好的通风状况。值得考虑的4是：“单双层皮”构造为何在不同的朝向会有如此大的温差？南向实验室内温差有6度，北向实验室内温差也有4～5度,而西向实验竟达17度之多。传统的“单层皮”玻璃幕墙的维护结构为一层玻璃，由于玻璃的通透性，夏季阳光直射到室内，直接产生温室效应，造成室内过热。而“双层皮”玻璃幕墙不同于传统的单层幕墙,它由内外两道幕墙组成。双层皮空腔间层若是处于空气流动的可控制状态,室内外热量在此空间内流动、交换,实现室外气候和室内小环境的过滤器和缓冲层作用。不难理解，在高温的夏季，持续烘烤的西向比其它方向更能体现这种过滤缓冲效应带来的差异。因而，具有合适遮阳位置和通风模式的“双层皮”玻璃幕墙比传统的“单层皮”玻璃幕墙具有更佳的热工性能。在夏热冬冷地区，“双层皮”玻璃幕墙会直接降低空调的使用时间，不仅节约了能源，又有利于生态环境。◆遮阳系列：其一，测试改变基本遮阳位置对玻璃幕墙防热条件的影响。实验表明：遮阳状况的有无和好坏，是影响“双层皮”玻璃幕墙室内热环境的关键因素。而其中遮阳的位置是“双层皮”玻璃幕墙的设计重点之一，不同的位置将对其功效产生不同影响。在有通风的前提条件下，双层皮双层间遮阳的效果要比其它遮阳方式的效果好，不仅降低了室内空气温度，而且减少了遮阳构件所占用的建筑室内使用面积，实现了在节能的前提下保持了光洁建筑物表面的设计初衷，没有做任何热防护的“单层皮”玻璃幕墙的隔热效能则最差。值得注意的是在没有通风的情况下，双层间遮阳的双层皮的综合相对U值要高于外遮阳的单层皮，也就是说前者不能保证较好的通风时，其空腔间层的烟囱效应无法发挥作用，隔热效能相反不行。因而，对“双层皮”玻璃幕墙而言，除了正确设计以外，正确使用也是十分重要的。采用双层间遮阳并配合恰当的通风方式是“双层皮”玻璃幕墙在夏季不可或缺的条件。其二，测试相同遮阳装置在空腔中位置变化导致的防热效果。实验表明：双层皮空腔间层遮阳位置的微调是“双层皮”玻璃幕墙的遮阳防热设计的再延续。遮阳装置越是靠近内层玻璃，内层玻璃外表面升温越快，直接向室内传热的传热量也就越大。同时遮阳装置和玻璃之间的空间间距越小，其容纳空气的携热能力越低，空气升温越快，也直接影响到室内的热环境。因而，在遮阳装置后面的通风换气层对于保证室内不出现过热现象尤为重要，特别是采用封闭式内循环空气环流的双层皮玻璃幕墙。双层间遮阳位置选择靠近外层玻璃内皮，且处于空腔1/3处较为有利，并且要求遮阳位置距内皮最少15cm。其三，通过测试不同遮阳装置的防热效果。实验表明：不同的遮阳构造材料，因为对太阳辐射吸收率、透过率、反射率的不同而表现出不同的隔热效能。遮阳布由于反射率较高（表面有特制的防辐射层），透过率最小，其隔热效能最好，但是遮阳布5以牺牲室内照度及视线为代价。木活动百叶遮阳较薄金属活动百叶遮阳帘、塑料活动百叶遮阳具有一定的蓄热能力，透过率也较低，隔热效能相对要好，但要注意木活动百叶遮阳自重较大，提升不便的特点。薄金属活动百叶遮阳帘较轻，方便操作，但易受风压的影响而产生噪声，在高层办公环境中不利。塑料活动百叶遮阳由于各方面性能都相对较差，隔热效能则差一些。因而，遮阳应结合实际情况采取相应的遮阳材料。甚至根据材料某些特点以修正、改变其太阳辐射吸收率、透过率、反射率，从而达到理想的隔热效能。另外，采用活动遮阳，可以根据需要控制太阳辐射量和进光量，具有较好的灵活性和适应性。◆通风系列：其一，通过测试通风和空腔内温度、玻璃表面温度和室内热环境的关系。实验表明：通风状况的好坏，是影响“双层皮”玻璃幕墙空腔间层和室内热环境的基本因素。由于通风的原因（A房风速峰值达0.37m/s），A房空腔内二次辐射热较快地从出风口导出，B房却因为风口关闭无法带走热量。可以看到A房空腔内温度明显比B房低6度左右。由此影响到内层玻璃外表面和内表面温度，A房与B房内层玻璃外表面温度差大约4~5度，而A房内表面的温度也始终是比B房低，只是绝对数值差没有外表面的大。这又直接影响到室内温度。显然有通风的“双层皮”比无通风的在夏季具有更佳的防热能力。在夏天强烈的阳光辐射下，“双层皮”玻璃幕墙空腔换气层往往温度较高。若是进出风口的自然通风无法实现，反而急剧增加了制冷的负荷，这对于夏季炎热地区是致命的缺点。所以，在夏季保证“双层皮”玻璃幕墙空腔间层良好的通风条件，是发挥“双层皮”玻璃幕墙优越性的关键所在。其二，通过测试通风模式与室内热环境的关系。实验表明：在箱体式“双层皮”玻璃幕墙中，夏季外立面通风的面积直接影响空腔和室内的热环境。对于箱体式“双层皮”玻璃幕墙，高度有限，若不加大进出风口的开启面积，那么热压作用产生的通风效应则会更小。在四种通风模式当中，上下风口开启通风模式的通风面积最大，气流环流最为便捷，其空腔间层的通风效果最好，影响室内的防热效果也是最好。所以，在不影响幕墙的光洁外立面和空腔热压作用的情况下，应加大风口开启面积，提高外立面整体通风面积，并且在通风线路上力求短捷，减少气流短路的可能性。不过，因为不同通风模式对室内热环境的影响相对于对空腔换气层的影响来说要小的多，因而在考虑整体幕墙风口的气流短路和楼层之间声音干扰问题时，错位通风模式仍不失为一个好的选择。在幕墙外部风压较大和室内对隔音要求不高的时段里，开启所有通风百叶加强空腔内气流环流，提高空气换气量；在室外静风和太阳辐射较强的时段里，利用对角线模式（即错位通风模式）避免进出气流短路，充分发挥热压作用，实现空腔与室外的换热过程。◆淋水系列：6通风系列实验的目的是测试淋水立面对防热的影响。实验表明：淋水立面直接影响玻璃幕墙外表皮的表面温度，并对降低室内温度产生积极的影响。双层间有遮阳“双层皮”玻璃幕墙在有淋水和无淋水状况下的外表皮温度差有13度之多，影响到室内其温度差也有4～5度。所以在夏季考虑淋水清洗立面的作用的同时，充分发挥淋水对“双层皮”玻璃幕墙夏季降温的作用。◆能耗系列：能耗系列实验的目的是测试双层皮玻璃幕墙节能效应。实验表明：“双层皮”玻璃幕墙在夏季具有良好的节能效应。在有通风条件下，双层间有遮阳的双层皮和内遮阳的单层皮的能耗比较实验当中，双层皮室内温度在空调设定的工作温度27℃上下波动，空调正常间歇时间为30～45分钟。然而，单层皮室内温度从上午9：30～下午17：00一直在空调工作温度以上，并于中午13：30出现峰值32度，空调持续工作。单层皮其它时段内空调的间歇时间也比双层皮要短一些。24小时能耗比较，无论双层皮空腔间层有无通风，双层皮比单层皮都要节能14％。即便单层皮采取外遮阳的情况下，“双层皮”玻璃幕墙也要节能5.9％。能耗对比试验所采用的“单层皮”玻璃幕墙是把其中一个“双层皮”玻璃幕墙实验房外层的玻璃拿掉后形成，其内层由一半复合铝板和一半8mm白玻组合成外皮。而真正意义上的传统“单层皮”玻璃幕墙是整片大玻璃覆盖立面，比实验站使用的“单层皮”玻璃幕墙多出一半的直接接受热辐射的面积，室内外换热量多出一倍，因此能耗也要增加将近一半。这样理解的话，实际上双层皮比单层皮要节能(7.97×2－6.85)/(7.97×2)=57％。四、“双层皮”玻璃幕墙的经济性能、空气动力及热工性能计算4.1“双层皮”玻璃幕墙的经济性能计算据有关专家估计，世界上30%－45%的能耗是建筑能耗，而从普通窗户中散失的能量则达到一般实体墙的5-6倍，传统单层玻璃幕墙虽然在热工性能上比普通窗户有很大的提高，但它仍然是建筑能耗的一个薄弱环节。“双层皮”玻璃幕墙的优点就充分体现于它的双层幕墙结构，在阳光照射、热辐射以及热传导等性能方面都优于传统的单层玻璃幕墙。中国夏热冬冷地区节能性能估算：根据前文实验数据，在夏季一定遮阳和通风条件下，“双层皮”玻璃幕墙比普通玻璃幕墙节约制冷能耗约57％。再根据国外“双层皮”玻璃幕墙采暖与制冷节能情况（德国有关资料表明：“双层皮”玻璃幕墙与传统单层玻璃幕墙的能源消耗相比，采暖时可节约能源42%-52%，制冷时可节约能源38%-60%），假定按最低节约采暖