双层玻璃幕墙在超高层建筑中的应用——以中国银联业务运营中心为例

赵 飞 ZHAO Fei

0 引言

在我国，作为三大能源消耗部门的建筑业，其能耗约占全国总能源消耗的20%～30%。我国建筑节能与绿色建筑发展面临着能源利用效率低、室内环境舒适度较差等一系列问题。为解决这些问题，党中央、国务院提出推进能源生产与消费革命、全面建设生态文明、把绿色发展理念贯穿城乡规划建设管理全过程等发展战略[1]。同时，随着人们节能环保意识的日益增强，建筑品质及舒适度、建筑能源利用效率及绿色消费等方面越来越多地受到关注。截止2017年底，上海市共1 592栋公共建筑实现与能耗监测平台的数据联网。2017年，与能耗监测平台联网的公共建筑年总用电量达到80.5亿kWh，办公建筑、商场建筑、综合建筑与旅游饭店建筑用电量占总量的85.9%[2]。其中，由于办公建筑大多造型丰富、形体较复杂、窗墙比较大，因此，其围护结构的热工性能成为影响建筑能耗的主要因素[3]。

据统计，目前400m以上的超高层建筑，全部采用玻璃幕墙作为围护结构[5]。虽然玻璃幕墙能够为使用者提供更通透的视野和更充足的自然采光，但同时也会因过多的太阳辐射而引起建筑能耗的升高和热舒适度的下降。双层玻璃幕墙的应用与发展，为解决这一问题带来了契机。双层玻璃幕墙是由外层玻璃幕墙、空气间层和内层玻璃幕墙组成的多层结构。内外层幕墙之间形成一个相对封闭的空气间层,空气在此间层内流动并与内外幕墙不断进行热量交换。双层玻璃幕墙在经过合理设计的前提下，具有美观通透、冬季保温夏季隔热、降低风压、减少人工照明等多个优点，但同时也会有费用高、消防难度大等缺点[4]。采用双层玻璃幕墙的、比较具有代表性的超高层建筑，如，632m 的上海中心大厦，采用了分离式双层玻璃幕墙系统，有效降低了建筑能耗，提高了室内环境品质，也是该建筑最关键的绿色设计技术策略[6]；广州303m 的珠江城作为广东省“零能耗”的节能示范性超高层建筑，将双层玻璃幕墙与光伏遮阳板、风力发电装置结合，在改善室内环境的同时有效利用了清洁能源[7]；408m 的武汉中心也采用了双层幕墙，其中外幕墙为光伏幕墙[8]。

本文对各类型双层玻璃幕墙特点进行了分析，并以上海世博园中正在施工中的中国银联业务运营中心大楼为例，讨论了双层玻璃幕墙在超高层建筑中降低建筑能耗、调节室内热舒适度的作用。

1 双层玻璃幕墙的分类及其设计要点

双层玻璃幕墙两层表皮之间的空气腔通常起到通风和温度调节的作用。根据空气腔的通风方式，可以分为自然通风、机械通风和混合通风三类。自然通风利用不同开口的气压差（气流从气压高的开口进入，从气压低的开口排出）或烟囱效应（空气腔内的空气在太阳辐射热的作用下温度升高，密度变小，向上运动最终由上口排出，温度较低的空气继而由下口流入）。据研究[9]，当空气腔高度在2～4m，宽度0.1～0.8m，吸热流100～400W/m2时，空气流速基本为0.042～0.255kg/s,空气温度升高范围在0.66～14.7°C；若希望达到比较好的通风效果，其宽度应该不大于0.6m；而若主要以提供热空气为主，空气腔宽度应大于0.2m。机械通风则通过相关机械带动空气腔中的空气向某一方向流动。混合通风是在自然通风无法达到预期效果时，使用机械通风作为辅助手段。

根据空气腔的开闭运作模式，可以将双层玻璃幕墙分为5种[10]（图1）。当空气腔上下两端打开时，可根据室外环境条件和室内环境的具体需求，起到一定通风和温度调节的作用。例如，图1（1）排风模式，主要利用空气流通将室内废气带出，而与之相对的图1（2）送风模式，则用于向室内提供新鲜的空气，这种模式更适合于冬季，因为新鲜空气在进入空气腔后，在受太阳辐射向上流动过程中同时达到预热的效果。图1（4）外呼吸模式的主要作用是利用空气腔内的空气流通对空气腔进行降温，进而达到夏季室内降温的目的,而图1（5）内呼吸模式则刚好与之相反，室内空气在进入空气腔后被加热再回到室内，在冬季起到提高室内空气温度的作用。空气腔可以采用自然通风、机械通风或混合通风当中的任意一种；当空气腔处于封闭状态时，形成一个空气“缓冲层”，起到保温的作用，见图1（3），这种模式常用于供暖期。

双层玻璃幕墙空气腔的划分方式会直接影响双层玻璃幕墙的热工性能与通风效果。因此，根据空气腔的划分方式，双层玻璃幕墙还可以分为窗盒式、走廊式、竖井式和整体式（图2），每种模式的定义和具体特点见表1。

2 双层玻璃幕墙在中国银联业务运营中心大楼中的应用

2.1 工程概况

图1 双层幕墙开口的控制模式[11]

图2 双层玻璃幕墙按空气腔划分方式分类[12]

表1 根据空气腔的划分方式确定的双层玻璃幕墙分类[13]

中国银联业务运营中心位于上海浦东新区周家渡街道，为世博园东北角，东至国展路，北至世博大道，西邻白莲泾路，与黄浦江相对，拥有极佳的生态环境以及江岸景观（图3～5）。运营中心由一座33层的塔楼及5层的裙房组成，主塔楼规划高度 150m，裙房规划高度24m，建筑东西向总长146m，南北向总长55m，塔楼平面尺寸为47.2m×47.2m，东西两侧裙房平面尺寸为38.7m×38.7m，三个体量通过两层高的空中廊桥联系起来，设计采用底层架空的手法以减少建筑在底层的占地面积。

图3 建设场地位置图

图4 中国银联业务运营中心夜景效果图

从建筑的功能上划分，地下1、2层为设备用房和停车库，地下3层为机动车停车库和战时人防区域；地上1～5层为裙房，主要功能是配套商业和商务、员工餐厅等；6层以上的主塔楼，功能主要为业务用房（图6）。总建筑面积 137 729m2，其中，地上建筑面积为 90 380m2，地下建筑面积 47 349m2。

图5 建筑单体透视图

2.2 幕墙设计

建筑立面设计以竖线条为主要肌理，外观挺拔向上。立面综合玻墙比为50%，利用金属和玻璃规则而有序地交替布置，体现了一种理性。幕墙主要材质分布见图7。其中，金属立面采用高品质的氟碳喷涂铝板，明亮且有光泽，通过内凹的造型设计，设置了侧向穿孔板，结合内部的开启窗，促进了间接气流循环，也确保了超高层室内自然通风时的舒适性。

除中央大厅、空中廊桥以外，其余部位的幕墙均为窗盒式双层玻璃幕墙。通过腔体间设置的外遮阳及合理的通风循环作用，提升整个维护结构的热工隔音性能及视线保护，达到绿色建筑的良好品质。图8、9展示了标准层的幕墙设计。1～ 32 层在双层呼吸式幕墙的空气腔中，设置了活动遮阳百叶，内幕墙设置开启扇，每个单元外层幕墙的上下两端设置了通风槽。

图6 功能分区图

图7 幕墙主要材质示意图

图8 标准层室内截面

图9 标准层幕墙，每层进气口与出气口示意图

2.3 双层玻璃幕墙的热工性能分析

双层玻璃幕墙运行机制复杂，在不同环境条件下又表现出不同的热工性能。在冬冷夏热地区，双层玻璃幕墙如果设计不当，很容易在夏季使室内出现过多热量积聚而引起空调能耗的增加。因此，双层玻璃幕墙是否能够真正达到降低建筑能耗，并改善室内热环境舒适度的目的，在设计阶段就需要通过计算机仿真模拟手段进行验证。该建筑1～28层的双层玻璃幕墙主要依靠烟囱效应进行通风，即采用自然通风模式；29层及 29层以上的双层玻璃幕墙采用机械通风模式。为进一步分析自然通风模式下的双层玻璃幕墙是否能够达到保温和通风的效果，证明其可行性，在设计过程中采用了CFD（计算流体动力学）方法，针对冬夏两季空气腔中的气流和温度场进行模拟分析。

窗盒式双层玻璃幕墙的空气循环单元宽度为1 050mm，高度为3 000mm，幕墙构造厚度（外层玻璃至型材末端）为400mm，内外玻璃面间距为300mm，帘片放下后空气层为190mm。进气口与出气口尺寸 均 为25mm 高×1 050mm 长。腔体材料为周边铝合金，外侧玻璃，内侧为局部玻璃、局部铝板背衬，并有保温隔断。假定环境风速2m/s，夏季日照强度按上海市8月正午晴天日照取值，环境温度35℃，室内温度24℃；冬季日照强度按上海市1月正午晴天日照取值，环境温度-5℃，室内温度26℃。使用的模拟软件为AutoDesk CFD 2017。

图10 气流分析图（夏季,帘片打开状态）

图11 温度场分析图（夏季，帘片打开工况）

图12 气流分析图（夏季,帘片放下状态）

图13 温度场分析图（夏季，帘片放下状态）

图10、11分别为夏季帘片打开时的气流分析图和温度场分析图。由图可知，空气腔内空气绝对流速基本在0.2m/s左右，到出气口处气流速度明显增加，达到约1m/s，没有出现阻碍的情况。空气腔内的热量从出气口排出，腔内无明显热量积聚，且腔内空气温度被控制在30°C以下，达到了夏季降温的目的。图12、13为夏季帘片放下状态时的气流分析图和温度场分析图，可以看出，在此情况下，帘片外侧为上升气流，帘片内测为下悬气流，气流更加有组织。空气腔内的空气在出气口处以约1m/s的速度排出。帘片也起到了一定的阻挡热辐射的作用。而到了冬季，在帘片收起时（图14），空气腔内空气的绝对速度控制在0.55m/s之内，且腔内气流基本为回旋对流的形式，有效地起到了保温的作用。

图14 气流分析图（冬季，帘片收起状态）

3 结语

以中国银联业务运营中心为例，讨论了双层玻璃幕墙在超高层建筑中降低建筑能耗、提高室内热环境舒适度的作用。中国银联业务运营中心采用了窗盒式双层透光玻璃幕墙，根据分析，该幕墙可在冬季起到蓄热作用，降低采暖能耗；夏季空腔内的气流不会积聚，热量也会随气流排出，从而降低夏季蓄热和空调能耗。双层幕墙虽造价较单层幕墙略高，但由于其可随外界环境条件调节的、优越的热工性能，适宜在冬冷夏热地区超高层建筑中应用。