单元式双层玻璃幕墙设计分析

单元式双层玻璃幕墙设计分析

尹宗平

深圳市三鑫科技发展有限公司广东.深圳518000

摘要：单元式双层玻璃幕墙作为建筑外围装饰，具有高档、集约化等特征，提高了幕墙的保温、隔热、隔声功能。本文根据工程案例，对双层玻璃幕墙设计进行分析，供同行借鉴参考。

关键词：单元式双层玻璃幕墙；幕墙方案；热工性能；设计

一、单元式双层玻璃幕墙特征

单元式双层玻璃幕墙作为节能环保幕墙，其根据热通道幕墙的空气流循环方式，又可分为封闭式内循环体系和敞开式外循环体系两种类型。封闭式内循环体系一般采用单片玻璃或可开启窗，外层幕墙则采用中空玻璃或者中空Low-E玻璃,型材为隔热（或断热）型材。外层完全封闭，内层开启扇或通风口，两层幕墙之间的通风换气层一般为100～200mm，达到节能效果。敞开式外循环呼吸幕墙的内层幕墙一般采用中空玻璃或者Low-E玻璃，为隔热（或断热）型材，外层幕墙采用由单片玻璃制作的敞开式幕墙结构。

二、单元式双层玻璃幕墙工程

1.工程概况

（1）工程基本情况

某拟建大厦工程，地上36层，地下2层，总建筑面积57938m2，建筑总高度149.75机场大厦主楼为单元式双层玻璃幕墙，如图1所示。

图1大楼立面图

（2）工地气候情况

1）气候

①大气压：年平均10115Pa，夏季平均10005Pa；冬季平均10210Pa。

②气温：最热月平均温度28.5℃，最冷月平均温度3.7℃，年平均温度16.2℃，年较差24.8℃，日较差7.9℃，日平均温度≤5℃的天数（d）51。

③相对湿度：最热月80%，最冷月77%。

④风速

全年平均2.2m/s，夏季平均2.2m/s，冬季平均2.3m/s。

2）常年气候与四季平均太阳辐射强度情况如表1、表2示。

表1常年基本气候情况表

1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月平均温度（℃）4.35.69.515.820.724.328.427.923.418.312.46.8平均最高温度（℃）7.99.513.520.525.528.532.032.427.522.716．811.1平均最低温度（℃）1.42.76.312.017.021.124.824.620.415.08.93.5平均降水量（毫米）73.284.2138.2126.2146.6231.1159.4155.8145.287.060.147.1降水天数（日）12.412.316.315.214.615.213.013.612.610.08.68.1平均风速（米/秒）2.32.32.42.42.32.32.52.52.32.22.12.2气象站位置：北纬30.3度，东经120.2度，海拨42米

表2四季平均太阳辐射强度表

春分夏至秋分冬至东向703.7711.1591330.5西向730.7750.1591567.1南向730.7932.1591567.1北向730.7483.6591288.3

2.工程设计

（1）目的要求

双层幕墙主要是为了实现隔热、节约能耗阻断噪音，能够有效的防止灰尘进入室内，为人们提供一个更加舒适的环境。同时具有传统幕墙各项物理性能，如抗风压性能、气密性、水密性、平面内变形性能和耐冲击性能等功能。

本幕墙工程设计的主要要求。工程使用材料具有前瞻性，在满足整体装饰效果和使用功能的前提下，设计具有良好的耐久性。在满足整体设计要求的情况下，具有良好的维修拆换性。

（2）幕墙方案

1）幕墙形式

本工程大楼主楼玻璃幕墙规律性强，且面积特别大。主楼玻璃幕墙设计采用单元式双层幕墙结构形式，力图做的干净整齐的立面效果，具有先进的幕墙结构形式、良好的节能效果和充分的换气功能。

2）幕墙构造

本工程的单元式双层幕墙采用的是强制性内循环双层幕墙系统，水平方向以柱间为单元。竖直方向以一层为一个单元，每个单元单独组织进风与排风。外层幕墙封闭，内层幕墙与室内设有进风口和出风口。出风口排出的气体被有组织地排出室外，使得室外新鲜空气通过空调系统进入室内，与室内空气混合后进入双层幕墙的空气腔，再由排风系统排出室外。

3）主要技术参数

①双层的热通道宽B=216mm。

②进风口尺寸b=20mm，长度为一单元分格。

③出风口尺寸φd=120mm。

④内层开启形式为向内上悬。

⑤遮阳帘规格为50mm宽电动铝合金百叶片。

⑥遮阳帘控制形式为采用智能控制楼宇遮阳体系。

⑦遮阳帘与外层玻璃距离为80mm。

⑧外层玻璃幕墙规格为8Low-e+12A+8钢化中空玻璃。

⑨内层玻璃幕墙规格为6+1.14PVB+6双钢化夹胶玻璃和8mm钢化玻璃。

⑩外层幕墙采用断热型材，竖向线条宽120mm，突出390mm。采用石材为装饰线条，内外幕墙使用同一跟单元框架。

三、幕墙热工性能计算及分析

1.幕墙模拟分析条件

（1）Low-E中空玻璃外表面与室外空气换热，取第三类边界条件。

夏季，室外空气温度37℃，外表面换热系数18.6W/m2·℃；冬季，室外空气温度8℃，外表面换热系数23W/m2·℃。

（2）钢化玻璃内表面与室内空气换热，取第三类边界条件。

夏季，室内空气温度26℃；冬季，室内空气温度18℃；外表面换热系数8.7W/m2·℃。

（3）排气口开启时，负压为-5Pa。

（4）百叶片处于水平位置时，排风口是否开启以及极端气温条件下双层幕墙的综合传热系数。

2.模拟计算结果

（1）幕墙通风条件模拟

在所设定条件下，太阳直射辐射强度和百叶的遮阳效果是影响内呼吸幕墙内侧玻璃室内侧表面温度的重要因素。在夏季，百叶收起时，太阳辐射热量可直接到达幕墙内侧玻璃。进入室内的部分较大，内侧玻璃室内侧表面温度较高，夏季南向最高可达29.181℃。百叶水平和百叶45°时，遮阳系数虽然相同。但45°百叶对空气间层内的气流的阻碍作用较强，气流带走的热量减少，因而综合传热系数较大。当百叶90°时，百叶成为太阳直射辐射进入室内的屏障，阻挡了进入室内的全部太阳直射辐射。内侧玻璃室内侧表面温度最低，综合传热系数最小。

在冬季，太阳辐射成为内呼吸幕墙热过程的有利因素。当百叶收起时，太阳直射辐射可以进入室内，内侧玻璃室内侧表面温度最高可达18.714℃。百叶90°时，太阳直射辐射由铝合金百叶阻挡吸收。室内侧表面温度较低，围护结构的热损失较大，如图2。

图2不同百叶形式综合传热系数比较

（2）幕墙无通风条件模拟

考虑到内呼吸幕墙的特点，为考察气流携带热量对综合传热系数的影响，对排气口关闭状态下幕墙的热过程进行了模拟。

当排气口关闭时，双层内呼吸幕墙的综合传热系数大大提高。对于夏季水平百叶，相对于排气口正常开启状态，排气口关闭状态的综合传热系数提高了46%～118%。对于冬季百叶收起的状况，综合传热系数由负值提升为正值，即热流方向由排风口开启状态下幕墙玻璃向室内传热转变为排风口关闭状态下的室内空气向幕墙玻璃传热。这是因为排风口关闭时，空气间层内空气温度由太阳辐射加热。

缺少了室内热空气流的热量补充，使得此时的传热系数变大，冬季的热损失增加，如图3。

3排气口开启/关闭综合传热系数

（3）极端气象条件模拟

根据城市政府网站的统计资料，市区极端最高气温曾达42.1℃。据此，对地区极端气象条件下的内呼吸双层玻璃幕墙进行热过程模拟，分析此条件下的综合传热系数。模拟过程中，根据内呼吸幕墙实际使用情况，夏季太阳辐射照度根据《民用建筑热工设计规范》（GB50176-93）进行取值，分析情况选取百叶水平和百叶垂直两种情况进行；冬季取无太阳辐射影响的情况进行模拟。模拟结果见表3。

表3百叶收起计算结果（极端气象条件）

夏季垂直百叶夏季水平百叶东，西，北向南向东，西向北向南向外表面平均温度（℃）45.35078.88744.71144.67847.802内表面平均温度（℃）27.09328.47728.56528.55929．747综合传统系数（W/m²·℃）0.5911．3381.3861.3832.025幕墙内平均风速（m/s）0.4320.3780.1810.1990.080

可以看到，太阳辐射照度较大的南向，综合传热系数最大，内表面温度较高。冬季无太阳辐射的最不利情况下，内侧玻璃室内侧表面温度低于室内空气温度，此时的热量由室内空气传向室外。

四、结束语

综上所述，在建筑保温、隔热以及隔声性上确实有非常大的作用。但在工程项目的综合节能作用上，还有很多其他因素在影响。同时，良好的保温、隔热，在工程上并不能就意味着节能。事实上，对于双层幕墙，理论上可以利用温差、烟囱效应进行通风换气。但实际上，它受工程的区域气候情况、建筑的朝向、外环境温差、风力大小等等因素影响很大，往往很难达到理想的效果，一般都需要依靠强制抽风系统来解决。由于双层幕墙结构的封闭性，通风换气只能通过中央空调、新风系统经过管道输送来实现。而通风管道长时间的使用往往带有异味，从而使室内空间的空气无法达到自然通风的清新、卫生，在一定程度上影响了项目的整体品质。