关于双层玻璃幕墙节能辅助设计方法探讨

与传统玻璃幕墙相比，双层玻璃幕墙在一定程度上可改善建筑的热工性能然而，其优势能否发挥，还取决于建筑和幕墙的设计是否合理.目前世界上时双层玻璃幕墙节能设计的研究进展仍以基础研究为主，相对于直接指导工程设计仍有距离该文在综述国内外理论和实验研究现状的基拙上，根据国内目前该类建筑设计的合作方式和流程，提出根据方案设计、初步设计和施工图设计三个阶段的不同任务采取相应的辅助设计方法，强调应加强时以往设计经验的总结，以指导建筑师在方案设计阶段正确把握双层玻璃幕墙和建筑设计的结合，实现有效节能
当今玻璃幕墙在现代建筑，特别是高层办公建筑中的风靡程度有增无减，它几乎是世界各大城市办公楼立面的一致选择。主要原因之一是人们的审美倾向仍然受现代主义风格的影响，而玻璃幕墙不仅外观简洁、通透、富有现代感，甚至可以象征企业实力和形象.因而受到众多业主和建筑师的青睐。然而，人们为了这种独特的外观也付出了沉重的代价，由于传统玻璃幕墙的保温、隔热性能均远不及传统墙体，又缺乏合理减少夏季太阳过热的措施，大大增加了该类建筑的空调和采暖能耗。最近我国推出公共建筑设计节能标准，对玻璃幕墙提出了更严格的热工要求。
与传统玻璃幕墙相比，双层玻璃幕（Double Skin Falade，以后简称DsF)独特的夹层设计，不仅为提高幕墙的保温隔热性能上提供了更多可能，更重要的是，为遮阳构件提供了一个栖身之地，使之既能有效遮阳，又不破坏建筑外观。此外，它还可以通过强化通风降温来降低建筑能耗，因而倍受建筑师的推崇。然而，采用DSF不仅会增加初投资，牺牲可观的建筑面积，同时其维修费用也高出一般幕墙。而且，不能简单地认为DSF一定具有更好的保温、隔热、通风等热工性能，目前“大多数类型的DSF都不能同时减少采暖和制冷负荷，只有根据具体情况把不同类型结合起来或改变系统设置，才可能比传统的隔热玻璃加外遮阳方案有实质性进步””’。例如，最突出的问题是如何合理地设计夹层的尺寸，因为其空间过小将直接影响DSF夏季和过渡季的通风降温效果过大则降低了空间使用效率。而如果完全依靠机械通风，虽然可以减小夹层宽度，但也存在着如何在通风降温效果和风机能耗之间作优化的问题此外，夹层自然通风还受室外风速和风向的影响较大，目前还没有令人满意的整套方法可以指导选择设计条件，预测运行效果，并指导节点构造设计。在世界各国的实践当中也不乏有许多不太成功的例子。可见，DSF的选用、设计的决策过程受到审美、热舒适和节能二方面因素的影响(图l)，不是简单的“用了就好”。
2国外相关研究现状
DSF的节能研究在国外，特别是欧洲已经开展了有二十余年，主要集中在只个方面传热过程研究、和建筑运行模式结合的研究以及全生命周期分析.其中前两个方面取得了较多研究成果。作为指导工程决策最有力的依据，全生命周期分析是整个研究的最终目标，而和建筑运行模式结合的研究正是把微观的传热研究成果与宏观的联合了幕墙系统、建筑及空调系统的大模型连接起来的纽带，对实现建筑的全年能耗模拟至关重要。
传热过程研究主要包括理论和实验两方面的研究。其中理论研究又分为节点控制容积方法和计算流体动力学模拟法，实验研究的目的则在于探讨传热系数或者对流换热系数的经验公式，。这些研究结果可以辅助建立数值模型，例如Grabe研究发现，夹层中的自然流动阻力系数不能采用手册中给出的机械流动下的阻力系数玻璃表面对流换热系数和整个窗户的传热系数均随着内外层玻璃温差呈线性变化，但是前者变化显著，在温和气候地区后者的变化可以忽略。
和建筑运行模式结合的研究包括在特定建筑布局条件下的自然通过改果研究和结合空调系统的研究。计算方法主要有利用商业能耗模拟软件和根据网络法计算原理二次开发两种。荷兰学者Paassen的研究结果表明，简单的夜间机械通风能降低40%的装机容量和能耗，如果考虑采用可控窗户以及天气预测系统，节能潜力达到70%以比利时的Gratia模拟发现，只有当幕墙间距小于40cm才会存在明显的压力损失，在大多数幕墙中，主要压力损失出现在空气出口;对于南面幕墙，自然通风开口大小对夹层内温度影响很大，但是在前面则影响很小.在夜间利用穿堂风非常可行，但是在白天要非常慎重，防止热空气进人室内。采用拔风烟囱则可以保证即使没有风压作用，顶层建筑也能达到通风效果，但是需要调节开口大小以平衡各层通风量。李保峰在其博士论文中对中国冬冷夏热气候条件下DsF的热工性能做了大量实验研究，提出外循环式更适宜这种气候，而夹层宽度以400mm为宜，夏季通风应以风压为主而不是热压，遮阳百叶以及内外幕墙比较理想的材料分别是穿孔的铝合金和高透玻璃。
同时，一些建筑的实测结果为设计者提供了宝贵的经验。Pasquav在德国西门子大楼的测试结果表明，如果允许出现短暂高温，整个大楼全年可以采用自然通风，如果不设吊顶，夜间通风的效果可以大大提高。大楼采用地源热泵系统供冷，可满足全年要求。作者同时指出DSF并不是在任何地方和任何建筑都是节能的，一些模拟假设的边界条件需要仔细考虑，例如幕墙周边的温度往往要比气象观测温度高几度;对于每层隔断的DSF，幕墙中的换气量更取决于风速和风向，而不是烟囱效应在设计中应该将双层幕墙空间与通风口隔断以防止夏季热风倒灌，或者设计小面积的DSF而不是整面，或者像德国的Dehi，中心那样在炎热季节完全打开外表幕墙，但是这种设计的造价较高，同时导致冬季保温性能降低。
从全生命周期分析特别是全年建筑能耗分析的角度考察DSF的研究还很少，主要研究指标包括全生命周期经济性和全生命周期温室气体排放量。比较具有代表性的是土耳其学者Cetiner对伊斯坦布尔温和气候下的分析，结果表明双层幕墙最高比单层幕墙最节能方案节能23%，而单层幕墙最便宜的比双层幕墙最便宜的便宜25%。在双幕墙系统中，最省能方案可以降低33.9%的能耗，最贵的方案在全生命周期内节省7.7%的资金。
综合以上研究现状来看，现有的研究成果中已经有部分结论可以用于指导设计，但是还无法满足实际的需要。由于DSF传热过程复杂、一天当中和全年当中尺度不一、准确的室外边界条件不易获得等原因，目前还没有一种准确、可靠的DSF建筑全年能耗模拟方法。同时，现有的计算方法操作复杂，对工程师要求很高，在工程应用中不适合用来指导方案设计阶段的工作，而适合用在深化设计阶段。
3与建筑设计过程的结合
目前，关于DSF节能方面的研究主要集中在欧美的大学、科研院所和少数实力雄厚的工程设计公司。从事这方面的科研人员都具有深厚热工知识背景，而研究的思路基本上都是从对DSF传热过程的分析出发，以探索合理的数学模型和计算机模拟方法为目标，并且已经取得了一些成果，比如已经有能耗模拟软件、CFD(ComututlonalRuldlFluid Dynamics计算流体力学)模拟软件等几种公认可以辅助能耗研究的方法。然而，这些方法普遍比较复杂，不仅不可能被建筑师掌握，就连一般学热工出身的工程师也需要经过特殊的培训才能掌握。也就是说，DSF的节能研究还是属于前沿领域，将其应用于实际工程，特别是指导建筑师做设计还有较长的路要走。
然而，工程实践并不会因为科研没有充分发展而停止前进步伐。事实上，近几年来，北京、上海等国内特大城市中也有一些豪华写字楼、公寓陆续采用了DSF。然而这些项目的实际运行效果和所宣传的普遍存在不同程度的差距，一些楼盘采用DSF并不是完全出于节能效果和经济性考虑，而是包含房地产炒作的目的。毕竟DSF有着时尚的外观和先进的理念，预计今后一段时间内国内还将大量涌现出这类建筑。工程实践迫切需要经验和理论研究的指导，但目前为止，很多关于DSF节能效果的基本问题还没有令人比较满意的答案，比如:①DSF对北京、上海、深圳的气候都适用么?节能效果是否明显?②DSF是否同时适用于不同朝向的立面?其构造相同么?③DSF最适合什么类型的建筑?住宅值得使用吗?……这些问题看似简单、基本，实则非常尖锐，因为对于任何一个打算采用DSF的项目而言，工作伊始就要回答这些问题。虽然国外的大量实践积累了一些经验，但是DSF的实际运行表现因不同城市的气候条件，乃至单栋建筑周边的情况都有很大差异。因此，想把它的优点充分发挥出来，创造舒适的室内环境，避免夏季夹层内过热以及真正做到节能，并不是件容易的事。只有在设计中结合具体建筑的情况合理选型，并且充分做好正确的计算、模拟甚至实验的前提下才能实现。因此，国内各大城市的建筑在采用DSF的决策中应坚持谨慎的态度，充分重视预先的计算和实验工作。
而考察目前国内幕墙设计中的合作方式和流程，基本上都是在建筑体形、布局方案都已经确定之后，由建筑师做出基本的立面划分方案，然后交给幕墙厂家来完成施工图设计，其间主要的考虑因素是结构安装和防止冷桥。最后暖通设备工程师再根据厂家提供的幕墙参数计算空调负荷，所采用的方法也基本上是在传统墙体房间负荷计算的基础上做一些修改，由于没有经验常常设定很高的安全系数，导致大量能源浪费。在这样的设计过程中，如果建筑师对DSF没有比较深人的了解，缺乏建筑节能整体设计策略，就不可能真正发挥出DSF的优势。相反，国内外一些成功的案例，比如法兰克福商业银行、位于波恩的DeutschePost以及国内刚建成的清华大学超低能耗楼，正是从建筑方案设计阶段开始就把围护结构设计有机地考虑进去(图2)，逐步深人发展，最终把DSF的节能和生态优势充分发挥出来。
可见，为了避免损失，国内应尽快探索能正确指导DSF实践的理论和经验。但必须注意的是，我们不能一味沿着欧洲的研究思路.一切从传热机理出发。这方面的研究固然非常重要，然而国内有能力开展这类计算、实验研究的科研机构和企业并不多，而且目前这些方法费时费力，尚不能满足当前方案设计阶段的需要。所以，我们必须同时探索能够更为直接地指导建筑设计的方法。考虑到一般建筑师的工作和思考方式，应该为他们提供一些比理论计算研究更为直观的设计依据，诸如一些方便查询的手册。其中不仅应该比较系统地介绍DSF节能设计的基础知识，还应总结归纳已有的设计经验和科研成果，以图表的形式直观表达，使建筑师从一开始就可以根据项目所处地理位置、气候条件、建筑规模和用途、建筑平面布局和使用情况等因素来判断DSF的适用程度和合理的方案。此外，对以往相关作品的方案发展过程、DSF和建筑整体生态策略的配合，以及及得失之处的分析点评也是启发和指导建筑师构思的最有效的方法之一。做这件工作不仅要收集很多案例资料，做一些基本的分类和总结，还需要充分考虑到现有理论和实验研究取得的成果，用正确的理论来分析经验事实才能得到可信结论。
笔者认为，针对DSF设计，建筑设计过程中的三个阶段(方案设计、初步设计和施工图设计)应该各自有不同的任务和相应的辅助设计手段(图3)。在方案设计阶段，由于已确定的建筑信息非常有限，应主要依据其他工程经验和理论研究的基本结论，再结合具体的气候和周边环境做出初步判断，结合建筑室内空间组织整体考虑，同时利用粗糙的模型开展模拟计算以辅助淘汰和选择方案;在初步设计阶段，建筑的基本尺寸、结构和空调形式有待确定，可以对既有的几个方案与HVAc(Heatin VentilationandAirConditioning暖通及空调)系统组合，进行全生命周期经济分析和全年能耗分析，选择最佳组合方案，方法主要是CFD和能耗模拟软件，对于重要建筑还应该进行风洞实验和幕墙足尺实验;最后在施工图设计阶段，主要任务是深人优化选定的方案，推敲尺寸设计，完成空调系统容量设计和自动控制方案，可依靠CFD模拟计算优化DSF尺寸和出人口设计，以能耗模拟软件辅助空调系统设计。这样可以使得DSF和建筑有机结合，建筑师与工程师有效合作，整个决策和设计过程有章可循。

结语
我国对建筑节能的重视迫切要求能够有效辅助双层玻璃幕墙设计的方法，而国外目前取得的研究成果操作起来对工程师的要求较高，且费时费力，适合用于深人发展方案的后期阶段。而初期的结合建筑设计的方案比较需要更适合建筑师掌握的、能更直接地指导工程实践的方法。因此，在开展热工理论、实验研究的同时，应尽快开展对已有工程经验的分析和总结，并针对建设项目在不同设计阶段的特点和明确任务，提出可行的、真正使热工研究成果服务于建筑设计的成果，从而保证DSF的优势更有效地发挥出来。