双层玻璃幕墙隔热保温的具体途径研究

夏金红，王攀登，李培培，夏艳红，杨宏伟

（安徽麦吉幕墙设计有限公司，安徽 合肥230041）

1 研究背景

能源是人类社会得以生存和发展的基础，但在经济高度发达的今天，能源危机的阴影一直笼罩着人们。同时，自从20世纪五、六十年代以来，臭氧层破坏、温室效应、酸雨等系列全球性环境问题日益突出。人们已逐步认识到保护我们赖以生存的地球环境是关系到人类生死存亡的迫切任务。节约能源和保护环境已成为当前人类社会寻求可持续良性发展的主题之一。在发达国家，建筑物消耗了国家主要消费能源的40%～50%，而其中的2/3～3/4却是出于建筑师“自由创作”的“贡献”。如今，生态建筑的兴起正掀起了一轮基于生态理念的建筑节能研究。

中国的气候较世界其他同纬度地区差，夏季比同纬度其他地区更热，冬季比同纬度其他地区更冷，而中国夏热冬冷地区的气候更是极端。由于经济条件和国家能源政策的限制，长期以来，夏热冬冷地区的建筑设计无法适应地域气候特点，身陷“两难”的局面（夏季无法充分防热，冬季无法充分御冷）。当前建筑设计向可持续性发展的一个明显趋势是从以前的密集型技术装置到高效围护结构的转变。与三北地区和南方地区相比，适应气候变化的建筑表皮对夏热冬冷地区具有更加重要的意义。

建筑的表皮在当前愈来愈受到关注，但一般只是作为表面形式加以塑造，因而忽视了建筑表皮作为室外气候和室内小环境的过滤器和缓冲层，是影响室内热舒适度和建筑能耗的重要因素和关键部位。在极端气候共存的夏热冬冷地区，建筑表皮更加需要适应性、可操作性的概念。

提到双层皮玻璃幕墙，就会经常说其作为建筑表皮无论是在夏季还是在冬季都有很好的隔热保温性能。同温室相似，双层皮玻璃幕墙空腔间层的缓冲作用能够节省大量的能源。本文是通过夏热冬冷地区外围护表皮体系（区别于内支撑结构体系），即单、双层皮玻璃幕墙和双层皮玻璃幕墙之间的室内热环境实验比较，总结夏热冬冷地区双层皮玻璃幕墙的技术对御寒防热的效果[1]。

2 理论技术路线

双层皮玻璃幕墙是由内、外层玻璃，空腔间层及相关配件等技术手段共同组成的一个可动态适应气候环境的建筑外围护体系。其主要强调的是对气候的动态适应性，区别于“智能外围护结构”所侧重的“主动控制”的特征。

从技术层面来说，双层皮玻璃幕墙包括缓冲体系、抽风体系和呼吸体系，其中，呼吸体系（像皮肤一样对环境敏感应变和自我控制调节的新双层皮玻璃幕墙技术）与众不同之处在于其内外皮上均开口，根据外部气候变化和室内热环境变化进行自然通风，实现外墙呼吸的功能。自然通风既可以避免空腔层出现高温，又可进行夜间自然冷却降温，并允许使用者依据自己的需要进行通风，减少办公建筑综合症的发生。

“夏热”问题的主要矛盾是太阳辐射（由直射、散射及环境反射组成），其中阳光直射得热量远远大于漫射得热量。玻璃是一种几近完美的太阳能短波透射材料，但会过滤大部分太阳长波辐射，所以不可能把总辐射透射降低到50%以下而不影响光透射。且玻璃具有较低的热传导率（1.42 W/m·℃），室外较高的气温通过传导对室内热环境的影响相对较小。对于标准单层皮玻璃幕墙，由于玻璃的光透射性质，太阳可见辐射进入室内后，室内遮阳虽然反射了部分直射光，但是遮阳构件吸收及反射的热量形成热辐射，无法穿透玻璃，造成室内过热。而标准双层皮玻璃幕墙的层间遮阳构件吸收及反射形成的热辐射，被内层玻璃阻隔，通过空腔气流，带出室外（西向单层皮玻璃幕墙室内太阳总辐射峰值达62 W/m2，而双层皮玻璃幕墙仅有15 W/m2），实现室外气候和室内小环境的过滤器和缓冲层作用。在高温的夏季，持续烘烤的西向比其他方向更能体现双层皮玻璃幕墙通风空腔的缓冲效应带来的防热差异。其一，双层皮玻璃幕墙空腔与室外的持续高温差（峰值温度差高达5℃）有助于气流循环和热量交换；其二，双层皮玻璃幕墙对太阳直接辐射能的遮挡效率明显要高。总的来说，在保证双层皮玻璃幕墙实验房空腔间层较好的通风条件下，双层皮玻璃幕墙在各个朝向均有较好的防热优势，尤其是西向。对于玻璃幕墙建筑，在不使用特殊玻璃（降低K值），不使用主动设备的情况下，仅采用建筑构造的办法（双层皮玻璃幕墙）就能大大降低夏季室内温度以及玻璃内表面温度。这对夏热冬冷地区玻璃幕墙建筑的节能产生直接的影响。

3 双层玻璃幕墙结构改进对受热影响分析

双层玻璃幕墙又称呼吸式玻璃幕墙或热通道幕墙[2]，其分为三个部分，分别为外层幕墙、内层幕墙、中间层；一般外层幕墙采用单层或者夹层玻璃结构，中间层为空气层，一般有300～2 000 mm宽度，内层一般采用双层中空玻璃。玻璃幕墙性能最重要的一个评价指标——隔热。热量的传递有3种方式，分别为导热、对流换热、辐射换热；采用双层中空玻璃幕墙的结构，可以最大程度地减少外界输入的导热热量。中空结构可以增大对流换热量，但是，该结构辐射换热量并没有降低。因此，光从导热与对流的途径降低传热是不够的，必须同时从导热、对流与热辐射三个途径采取措施确保幕墙的隔热效果。

本文主要采用在基础的双层中控结构玻璃幕墙的中间层内加装遮阳帘与调整进出风口的大小两个途径来满足人们在夏季与冬季对玻璃幕墙隔热性能的要求。

3.1 夏季1（双层幕墙结构）

“夏热”问题的主要矛盾是太阳辐射（由直射、散射及环境反射组成）其中阳光直射得热量远远大于漫射得热量。对于标准单层皮玻璃幕墙，由于玻璃的光透射性质，太阳可见辐射进入室内后，室内遮阳虽然反射了部分直射光，但是遮阳构件吸收及反射的热量形成热辐射，无法穿透玻璃，造成室内过热。而标准双层皮玻璃幕墙的层间遮阳构件吸收及反射形成的热辐射，被内层玻璃阻隔，通过空腔气流，带出室外（单层皮玻璃幕墙室内太阳总辐射峰值达62 W/m2，而双层皮玻璃幕墙仅有15 W/m2），实现室外气候和室内小环境的过滤器和缓冲层作用。

普通双层玻璃结构幕墙传热过程如图1所示，室外的热量通过太阳辐射、对流传热与导热进入中间层，中间层是中空结构，里面存在对流换热，外界的通过辐射与对流传热中间层的热量被中间层内部的对流换热形式带出建筑物外墙，减少外界热量输入建筑物外墙，仍然有很大一部分热量通过辐射换热直接进入建筑物外墙，从而改变室内温度。

图1 普通双层玻璃结构幕墙传热过程示意图

3.2 夏季2（双层玻璃幕墙+遮阳帘结构）

通过在双层玻璃幕墙结构的中间层中增加遮阳帘，避免阳光直射建筑物外墙，可以减少外墙的辐射换热，结构图如图2所示。

从图2中可以看出，夏季时候，中间层增加遮阳帘后，阳光辐射热量直接传递在遮阳帘上，并未进入建筑物外墙中，在遮阳帘中的热量，被中间层内的空气对流带走，减少传递给建筑外墙的热量。通过增大中间层的空气流量，达到降温中间层的目的。增加遮阳帘的主要目的是大大减小了辐射换热，使建筑物外墙的温度受外界温度的影响大大降低[3]。

图2 夏季遮阳帘放下时幕墙传热示意图

3.3 夏季3（呼吸系统循环方式）

呼吸系统的循环方式主要分为内循环与外循环。内循环是指与室内通风相连，外循环是指与外界大气相连。

在夏季时候，主要是防热，将室内的热量释放到外界中，避免室内蓄热，所以要选择外循环。

3.4 冬季1（不使用遮阳帘）

冬季时候，外界温度低，室内需要保温，减少热量的损失，减小通风口通风面积，减少通风量，收起遮阳帘，如图3所示，让外界的阳光直射外墙上，从而吸收更多的输入热量，降低室内热量的损失。

图3 冬季遮阳帘收起时幕墙传热示意图

3.5 冬季2（循环方式）

冬季白天温度高，晚上温度低。较小的保温空腔有利于延长冬季夜间室内向室外的放热时间。结合这一实际情况，需要在冬季的白天进行蓄热，冬季晚上进行保温。在冬季的白天，打开内循环，有利于提高室内空气温度；在冬季夜间，无气循环则有利于室内温度的保温。

3.6 通风口的设置

一般而言，在夏季，玻璃和遮阳帘吸收热量，幕墙内部温度高于室温，开启外层玻璃的上下风口形成外循环气流，利用自然通风或机械通风带走其中热量，可以减少进入室内的热量，降低制冷负荷。冬季收起遮阳帘，冬季白天需要蓄热，打开内循环通风口，关闭外循环通风口，最大程度吸收热量；冬季的晚上将内外通风口全部关闭，空腔封闭以隔热，从而减少向室外的热损失。在过渡季节，为有效利用自然风，开启外侧玻璃上风口、内侧玻璃下风口，或者开启外侧玻璃下风口、内侧玻璃的上风口，从而形成斜对角气流。

通过《传热学》与《流体力学》的知识可知，在夏季时候，应该采用外循环模式，放下遮阳帘，减少热量向室内传递；在冬季时候，要关闭通道，收起遮阳帘，减少室内热量向外界传递；春秋季时候，室内外温度相差不大，主要打开斜对角气流模式，对室内进行通风换气。换热结构如图4所示。

图4 换热结构

4 高层建筑玻璃幕墙结构选择

采用遮阳帘结构比单纯的双层中空结构更具有保温性能，可以很好地降低辐射换热，避免太阳直射室内墙壁，造成室内升温。

通过改变通的风道运行模式，可以在一定程度上做到隔热保温，在炎热的夏季，主要时通过增大外循环通风量，将热量带离幕墙，起到对室内的保温；在寒冷的冬季，主要是关闭外循环，或者开启内循环，减少室内热量的散失，此外，玻璃幕墙使用的效果影响因素众多，包括辐射中涉及的外墙着色、遮阳材料，建筑物朝向等，都不在本文讨论范围内，然而这些因素也实实在在地影响着幕墙的整体使用效果，降低能源消耗。从传热原理+结构设计相结合的角度出发，会使玻璃幕墙的使用效果大大提升，加快设计理念的更新，提供一个更适合人类居住的环境。