浅谈通风双层玻璃幕墙的热过程与节能设计对策

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ， Ｘｉ＇ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｉ＇ａｎ ７１００６５， Ｃｈｉｎａ） Ａｂ ｓ ｔｒａ ｃｔ： Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ， ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｓ ａ ｐａｒｔ ｏｆ ｏｕｒ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｎ Ｃｈｉｎａ， ｓｏｃｉａｌ ａｗａｒｅｎｅｓｓ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｓ ａｌｓｏ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ． Ｅｎｅｒｇｙ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｅｎｖｅｌｏｐｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐａｒｔ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ， ａｎｄ ｇｌａｓｓ ｃｕｒｔａｉｎ ｗａｌｌｓ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ－ｓｋｉｎ ｆａｃａｄｅ ａｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ． Ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｇｌａｓｓ ｃｕｒｔａｉｎ ｗａｌｌｓ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ－ｓｋｉｎ ｆａｃａｄｅ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｅａｓｏｎ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｎ ｉｔｓ ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｓｏｍｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄｓ， ｓｏｍｅ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ－ｓｋｉｎ ｆａｃａｄｅ ｗｅｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ． Ｋｅ ｙ ｗ ｏ ｒｄ ｓ ： ｄｏｕｂｌｅ－ｓｋｉｎ ｆａｃａｄｅ； ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ； ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ； ｔｈｅｒｍａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ
０ 引言
通风双层玻璃幕墙又称为热通道幕墙、气循环幕 墙、呼吸幕墙、生态幕墙、绿色幕墙或者主动式幕墙等 （下文简称 ＤＳＦ），它由两层玻璃幕墙加上二者之间的 热通道组成［１］，在通道的上下两端设有风口，通道的高 度可以是一个或者多个层高［２］。２０ 世纪 ８０ 年代后期， 欧洲出现了双层玻璃幕墙，在过去的几十年当中，这 种幕墙主要应用在办公楼［３］，１９９４～１９９８ 年为德国双 层玻璃幕墙发展高峰期。１９９８ 年，我国在北京国家会 计学院建造了国内第一个双层幕墙。
从遮阳装置或者设备的布置的角度来看，ＤＳＦ 的 构造形式主要有：①内外侧都是玻璃，中间加设遮阳 装置，如百叶等，这是目前较为常用的一种，尤其结合 感光智能控制的遮阳百叶等设备；②遮阳设备设在双 层玻璃幕的内侧或者外侧。热通道内加设遮阳百叶通 风幕墙组成的透射体系：两侧是玻璃，中间是空气层 和遮阳百叶。忽略遮阳装置的影响，该体系可以视为 阳光照射到两侧均为空气的双层半透明薄层［１］［８］，射线 要通过两个玻璃界面透射到另一侧，阳光首先进入第 一个玻璃层，此时由于反射的作用（设层玻璃的总反 射率分别为 ｒ ），则只有（１－ ｒ ）的辐射能进入玻璃层；经 玻璃的吸收后（玻璃吸收率设为 α），有（１－ ｒ ）（１－α）的 辐射能可达玻璃另一侧层界面；由于反射作用，只有
反射率 Ｒ ＝ｒ ｛１＋（１－α）２（１－ｒ ）２／［１－ｒ ２（１－α）２］｝
透过率 Ｔ ＝（１－ｒ ）２（１－α）／［１－ｒ ２（１－α）２］
同样，双层玻璃的总透过率为：
Ｔｓ＝ｔ １ｔ ２ ／［１－ρ１ρ２］ 总的反射率为： ρ＝ρ１＋ ｔ １２ρ２／［１－ρ１ρ２］ 第一层玻璃的总吸收率为：
αｚ １＝α１＋｛１＋ ｔ １ρ２／［１－ρ１ρ２］｝ 第二层玻璃的总吸收率为：
αｚ ２＝ ｔ １α２／［１－ρ１ρ２］ 上述式子中，ｔ １、ｔ ２ 分别为两层玻璃透过率；ρ１、ρ２ 分别为两层玻璃的反射率；α１、α２分别为两层玻璃的 吸收率；这些都和玻璃本身的物理性质、介质温度、太
阳辐射入射角度等有关。
１．２ 关于热阻的模型［１］
１．２．１ 热通道内空气不定向流动
冬天，关闭幕墙上下的风口，ＤＳＦ 完全是一个两层
主要部分，而通风双层玻璃幕墙是提高现代建筑围护结构节能技术的重要策略。给出了双层玻璃幕墙在不同季节的热过程分析，重点
介绍了冬、夏季通风双层玻璃幕墙的传热机理和传热模型，在此基础之上指出了提高幕墙建筑节能效果的热工设计对策。
关键词： 通风双层玻璃幕墙； 热过程； 建筑节能； 热工设计
中图分类号： ＴＵ１１１．４＋１
涡流的情况，因此，理想条件下的情况是很难实现的。
１．２．２ 热通道内形成空气流
当热通道内形成空气流，那么我们只考察热通道内
的热阻，而把内外侧玻璃幕墙表面的换热热阻中的对流
换热部分纳入热通道的热阻中来，内外侧玻璃的热阻不
变（按照 ２．２．１ 中的式子不变化），此时热通道的热阻组成
为：热通道内的总热阻 Ｒ 和玻璃界面的对流换热热阻
Ｔ ｅｇ、Ｔ ｉｇ 为外侧和内侧玻璃的热力学温度； εｅｇ、εｉｇ为外侧玻璃幕内表面和内侧玻璃幕的外表 面发射率。
由于通道内的空气在自然状态下是均匀的，因此
内外侧幕墙在通道里的辐射换热阻是相等的，于是热
通道内的总热阻：
Ｒ ＝１／２ ｈ ｅｒ
而事实上，即使是密封性很好的双层玻璃幕墙，
热通道内的空气也不可避免地分布不均匀或者出现
１ 通风双层幕墙工作的热过程分析
收稿日期： ２００７－０５－２１；一次修回： ２００７－０６－１５；二次修回： ２００７－０８－０７
ＤＳＦ 的热过程的研究目前主要采取两种方法：一 种是实验的方法，一种是理论推导的方法。前者的研 究目的在于探讨传热系数，获得对流传热系数的经验 公式，并由此确定这种幕墙的传热性能或者是热阻， 为建筑围护结构的热工设计做好准备。 １．１ 透射体系研究
２００７ 年第 ８ 期（总第 ３５ 卷 第 １９８ 期） Ｎｏ．８ ｉｎ ２００７ （Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１９８， Ｖｏｌ．３５）
建筑节能
■ 墙体与设计 ＷＡＬＬ ＆ ＤＥＳＩＧＮ
浅谈通风双层玻璃幕墙的 热过程与节能设计对策
陈 涛， 宋海静 （西安建筑科技大学建筑学院，西安 ７１００６５）
摘要： 目前，建筑节能成为我国可持续发展战略的一部分，社会对建筑节能的意识也在逐渐增强。建筑围护结构的节能是建筑节能的
文献标志码： Ａ
文章编号： １６７３－７２３７（２００７）０８－００２０－０３
Ａｎ ａｌｙｓ ｉｓ ｏ ｎ Ｔｈ ｅｒｍ ａｌ Ｐｒｏ ｃｅｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｄｏ ｕ ｂ ｌｅ－ ｓ ｋｉｎ Ｆａｃａｄ ｅ ａｎ ｄ Ｓ ｏ ｍ ｅ Ｒｅｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅｓ ｔ ｏ Ｔｈ ｅｒｍ ａｌ Ｅｎ ｇ ｉｎ ｅｅｒｉｎ ｇ Ｄｅｓ ｉｇ ｎ ＣＨＥＮ Ｔａｏ， ＳＯＮＧ Ｈａｉ－ｊｉｎｇ
ＤＳＦ 的节能原理在于热通道在冬天和夏天分别 充当热阻和换热层的作用，有利于实现幕墙内表面合 适的温度，这样可以显著地减少建筑能耗。ＤＳＦ 的关 键是热通道内热流顺畅，这样才能够使室内拥有适宜 的热舒适环境。但是，由于 ＤＳＦ 中热通道没有采取有 效的通风措施或者遮阳处理，可能会使其保温性能不 好或者空腔内出现过热等不利情况［４］。
所谓的 ＬＯＷ－Ｅ 玻璃，即低辐射玻璃，可提高对太阳能
的利用率，又减少了玻璃的反射对周围环境的影响。
（４）内遮阳装置遮阳片可以对太阳高度角的变化
进行旋转，减小其对太阳辐射的影响，以使室内获得
更多的太阳辐射。
实际上，由于我国太阳辐射资源丰富，通风双层玻
璃幕墙在冬天可使建筑上形成一个大的温室，由于温
室效应，冬天可以很好地利用太阳能，从而减少冬天的
系数。内侧玻璃幕墙的总热阻计算方法与外侧幕墙相
同，内侧幕墙热阻设为 Ｒｉ 。中间热通道的热阻比较复 杂，只考虑辐射换热，那么辐射换热系数可以由下式
求出： Ｈ ｅｒ ＝σ（Ｔ ｅｇ２＋Ｔ ｉｇ２）（Ｔ ｅｇ＋Ｔ ｉｇ）／（１／εｅｇ＋ １／εｉｇ－１） 式中：
σ为斯蒂芬 － 波尔斯曼常数，σ＝５．６７×ｌ０－８ Ｗ／（ｍ２·Ｋ４）；
玻璃
玻璃
传导
室内
传导
空气 空气 对流 辐射
室外
对流，辐射，
辐射 （对流）
图 ２ ＤＳＦ 传热模型
交换只有辐射热交换，那么，外侧玻璃与室外环境［１］的
传热热阻以下式计算：Ｒｅ＝１／Ｕｅ＝１／ｈｅｒ＋１／ｈｅ＋Ｒｅｇ
式中，Ｕｅ 为外侧幕墙的传热系数，ｈｅｒ 、ｈｅ 分别为外 侧玻璃内表面的辐射换热系数和外表面的对流换热
夏季，由于太阳辐射的影响，热通道内空气温度 升高，由于向上的浮力作用，热通道内形成自下而上 的气流，由于空气的流动自上面的排气口带走了部分 热量，从而使幕墙自然降温（Ｎａｔｕｒａｌ Ｃｏｏｌｉｎｇ），降温幅 度很大程度上取决于通道内的热流速度。由上文分析 得知热流速度大，则热通道的内的辐射和对流换热系 数就会显著增大（见 ２．２．２）。因此，在热通道内设导流 设备以及鼓风或者是抽风设备增大通道的气流速度 是十分有效的措施，有研究发现［３］：选择适当的玻璃 幕墙性能组成可降低热负荷，同时适当的利用热通道 内气流能改善总的热平衡：有人认为当通道内气流速 度达到 ６ ｍ／ｓ 时，夏季进入建筑的热负荷可大大降低； 而当气流速度是 １．５ ｍ／ｓ 时，此时进入建筑的热负荷 只相当于自由对流的情况。但是，如何使热通道内的 热流顺利从开口排出，带走热量，不仅与双层幕墙的 间距 Ｄ 有关，而且也与幕墙的高度，当地的气候等因 素有关。研究通道内的热流是很复杂的，目前采用的 计算机软件模拟取得了一些公认的成果，比如采用 ＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ 计算流体力学）等 软件模拟传热过程等。 ２．２ 案例介绍
２０
（１－ ｒ ）２（１－α）经玻璃吸收后可以透过该玻璃层，而反射 部分辐射能（１－ ｒ ）ｒ （１－α）要反射回玻璃第一层界面， 经过反射、吸收、透射等反复进行下去（见图 １）。
玻璃
玻璃
Ｉ 空气 空气
Ｔ
Ｒ
图 １ 双层玻璃幕墙透射体系模型
于是可以得到单层玻璃的吸收率
αｚ ＝α（１－ｒ ）［（１＋ｒ （１－α）＋ｒ ２（１－α）２＋…］ ＝ α（１－ｅｒ。即： Ｒ ＝ １／２ ｈｅｒ＋ ｈ Ｃ 对流换热系数可依据有关公式计算：
ｈ
Ｃ＝６．１２ｕ
０．７８ ｆ
ｕ ｆ＞ ５ ｍ／ｓ
ｈ Ｃ＝４．８＋３．４ｕ ｆ
ｕ ｆ≤５ ｍ／ｓ
式中：ｕ ｆ热通道中空气流速，单位是 ｍ／ｓ。
２ 提高节能效果的热工对策
２．１ 基于气候的热工设计对策
２１
采暖能耗。到了夏天幕墙的温室效应则会大大增加建筑 的制冷负荷，因此，无论在我国的寒冷地区还是南方的 炎热地区，这种幕墙最大的问题都是遮阳和隔热问题。 ２．１．２ 炎热地区的热工设计对策
炎热地区，对于 ＤＳＦ 而言，最重要的是夏季的遮 阳和隔热。撒世忠等的研究论文［１］中给出了遮阳百叶设 在热通道后可以增加幕墙的遮阳和隔热性能，如内层 幕墙采用中空玻璃时，太阳辐射的透射率为 ０．１７，大大 减小了室内太阳辐射量。同时，在通风幕墙中使用传热 系数为 ２．０５ Ｗ／（ｍ２·Ｋ）的中空玻璃时，无遮阳百叶的 通风幕墙透明部分的传热系数为 １．２９ Ｗ／ （ｍ２·Ｋ），而 有遮阳百叶的通风幕墙的透明部分的传热系数为 １．１７ Ｗ／（ｍ·２ Ｋ），节能效果显著。清华大学超低能耗楼［５］采用 的通风双层玻璃幕墙，内外玻璃幕墙之间设置了遮阳 百叶和反光板。各层内遮阳百叶下部固定，向上开启， 反光板可调角度，能在一定程度上把自然光反射到室 内，双层幕墙上都有开启扇，可合理控制过渡季节的 自然通风。一般认为，外遮阳的效果最好，可遮挡高达 ９０％的太阳总辐射。
玻璃中间是空气夹层的结构体系 （见图 ２），ＤＳＦ 共三
层，４ 个界面，则热阻组成为：外侧玻璃外表面的换热
热阻（玻璃与室外环境的对流换热系数设 ｈｅ），外侧玻 璃本身的热阻 Ｒｅｇ，热通道内综合热阻 Ｒ，内侧玻璃本 身的热阻 Ｒｉｇ，内侧玻璃与室内环境的表面换热阻（对 流换热系数为 ｈｉ）。热通道内假设为理想状态：即热
２．１．１ 严寒和寒冷地区的热工设计对策
对于严寒和寒冷地区，由于要充分考虑冬季建筑
的保温和太阳能利用，所以要特别重视幕墙的保温性
能。提高幕墙保温性能的措施如下：
（１）提高幕墙的密封性能，减少冷风渗透。
（２）内侧幕墙采用双层甚至多层中空玻璃，增加内
层玻璃幕的气密性。
（３）提高幕墙玻璃本身的热工性能，外层玻璃采用