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專(zhuān)家解讀：雙層幕墻構造與性能1.前言
雙層幕墻以其性能優(yōu)越、環(huán)境舒適早幾年曾在行業(yè)內有一應用小高潮。近幾年，雙層幕墻的應用案例越來(lái)越少，原因是對于雙層幕墻在構造、保溫性能和防火性能方面存在不同的看法和認知，有些看法和認知甚至是對立的，如有人認為雙層幕墻是節能的，有人認為雙層幕墻不節能，有人認為雙層幕墻熱循環(huán)處理好了節能，處理不好不節能。本文就雙層幕墻的構造、性能和評價(jià)方法作較為深入的剖析。
2.構造
顧名思義，雙層幕墻應該有兩層幕墻，且兩層都應該是幕墻結構，因此對于有些既有建筑的改造，僅在原傳統建筑外墻再掛一層玻璃幕墻不能稱(chēng)其為雙層幕墻。再例如原本是普通玻璃幕墻，僅在室內側樓板上增加一層玻璃，也不能稱(chēng)其為雙層幕墻。盡管這些維護結構有些具有雙層幕墻的性能，可以稱(chēng)其為雙層外維護結構，但不能稱(chēng)其為雙層幕墻，就像我們不能稱(chēng)雙層窗為雙層幕墻一樣。只有內外兩層均為幕墻的構造才能稱(chēng)其為雙層幕墻。外層幕墻通常采用點(diǎn)支式玻璃幕墻、明框玻璃幕墻或隱框玻璃幕墻，內層幕墻通常采用明框玻璃幕墻、隱框玻璃幕墻，為增加幕墻的通透性，也有內外層幕墻都采用點(diǎn)支式玻璃幕墻結構的。在內外層幕墻之間，有一個(gè)寬度通常為幾百毫米的通道，在通道的上下部位分別有出氣口和進(jìn)氣口，空氣可從下部的進(jìn)氣口進(jìn)入通道，從上部的出氣口排出通道，形成空氣在通道內自下而上的流動(dòng)，同時(shí)將通道內的熱量帶出通道，所以雙層幕墻也稱(chēng)為熱通道幕墻，或呼吸式幕墻，見(jiàn)圖1。
圖1 雙層幕墻通道
2.1 內循環(huán)式
外層幕墻封閉，內層幕墻與室內有通道連通，使得雙層幕墻通道內的空氣可與室內空氣進(jìn)行循環(huán)。外層幕墻玻璃通常采用中空玻璃，內層幕墻玻璃通常采用單片玻璃，見(jiàn)圖2。
圖2 內循環(huán)示意圖
2.2 外循環(huán)式
內層幕墻封閉，外層幕墻與室外有通道連通，使得雙層幕墻通道內的空氣可與室外空氣進(jìn)行循環(huán)。內層幕墻玻璃通常采用中空玻璃，外層幕墻玻璃通常采用單片玻璃。外循環(huán)式雙層幕墻通�？煞譃檎w式、廊道式、通道式和箱體式。
1.整體式：空氣從底部進(jìn)入 ，空氣從頂部排出，空氣在通道中沒(méi)有分隔，氣流方向為從底部到頂部，見(jiàn)圖3。
圖3 整體式
2. 廊道式：每層設置通風(fēng)道，層間水平有分隔，無(wú)垂直換氣通道，見(jiàn)圖4。
圖4 廊道式3. 通道式：空氣從開(kāi)啟窗進(jìn)入，空氣從風(fēng)道中排出，層間共用一個(gè)通風(fēng)道，見(jiàn)圖5。
圖5通道式
4.箱體式：每個(gè)箱體設置開(kāi)啟窗 ,水平及垂直均有分隔,每個(gè)箱體都能獨立完成換氣功能，見(jiàn)圖6。
圖6箱體式
3.熱工性能
雙層幕墻最大的優(yōu)點(diǎn)就表現在熱工性能上，分歧最大的也在熱工性能上。雙層幕墻有明顯的溫室效應，顧名思義，溫室效應即是雙層幕墻通道能形成熱屏蔽，冬季能阻止室內的熱量流向室外，夏季能阻止室外的熱量流向室內，使得室內處于較恒定的熱環(huán)境中。雙層幕墻的溫室效應共有三種表現形式：其一是在炎熱的夏季，雙層幕墻中通道里的進(jìn)氣口和出氣口全部打開(kāi)，由于煙窗效應，空氣將在通道中自下而上的運行，在空氣運行過(guò)程中，將通道內的熱量帶出通道，使得內層幕墻處于較低的溫度環(huán)境中，阻止了熱量由室外流向室內，這是雙層通道幕墻溫室效應的表現形式之一，見(jiàn)圖7。但是這種溫室效應是動(dòng)態(tài)的、隨機的，只能定性描述，目前還無(wú)法定量計算，即使采用計算軟件模擬計算，其結果的準確性也不好評價(jià)。
圖7 溫室效應表現形式之一其二是在冬季，雙層幕墻通道里的進(jìn)氣口和出氣口全部關(guān)閉，通道中的空氣靜止，在陽(yáng)光的照射下，通道中的空氣將有較大的溫升，使得內層幕墻處于較高的溫度環(huán)境中，阻止了熱量由室內流向室外，這是雙層通道幕墻溫室效應的表現形式之二，見(jiàn)圖8。但是這種溫室效應是動(dòng)態(tài)的、隨機的，只能定性描述，目前還無(wú)法定量計算，即使采用計算軟件模擬計算，其結果的準確性也不好評價(jià)。
圖8 溫室效應表現形式之二
在夏季，如果雙層幕墻內的空氣不能及時(shí)的將通道內的熱量帶走，通道內的溫度就會(huì )逐漸升高，通常會(huì )達到50—60度,甚至更高，這也是認為雙層幕墻不節能看法形成的基礎。但認為雙層幕墻節能的看法剛好相反，認為即使雙層幕墻通道內空氣不循環(huán)，雙層幕墻也是節能的，而且通道內溫度越高，節能效果越好，因為它把原本應該進(jìn)入室內的太陽(yáng)輻射熱留在了通道內，并將其中的一部分傳到室外，其結果是進(jìn)入室內的太陽(yáng)輻射熱減少。同時(shí)，由于雙層幕墻通道內溫度較高，甚至會(huì )超過(guò)室外空氣溫度，在此情況下，原本環(huán)境熱量應該由室外傳向室內，現在變?yōu)橥ǖ纼鹊臒崃坑赏ǖ纻飨蚴彝�，環(huán)境熱量不能進(jìn)入室內，即雙層幕墻的通道形成了熱位壘，室外熱量無(wú)法穿越。
其三是雙層幕墻的傳熱系數比單層幕墻的傳熱系數降低很多，阻止了室內外環(huán)境熱量的交換，這是雙層幕墻溫室效應的表現形式之三。雙層幕墻的傳熱系數是可以定量計算的，首先按《建筑玻璃應用技術(shù)規程》JGJ113可分別計算出兩層幕墻玻璃的熱阻，但應注意，在計算內層幕墻玻璃的熱阻時(shí)，其室外表面換熱系數應取室內表面換熱系數�？諝鈱拥臒嶙杩砂础睹裼媒ㄖ䶮峁ぴO計規范》GB50176取值，需要說(shuō)明的是，當空氣層間距大于60mm時(shí)，空氣層的熱阻不變，這是因為隨著(zhù)空氣層間距的加大，空氣層的熱傳導將導致空氣層熱阻的增加，但空氣層對流也隨之加劇，導致空氣層熱阻的降低，兩種作用互抵，空氣層的熱阻保持不變。雙層幕墻的熱阻按下式計算：
雙層幕墻的傳熱系數為1/R。例如雙層通道幕墻的外層為19mm單層玻璃，空氣層為500mm，內層幕墻為(8mm+12mmA+8mm)中空玻璃，雙層幕墻的傳熱系數為1.2W/㎡K。而僅由內層幕墻構成的單層幕墻的傳熱系數為2.8 W/㎡K，雙層幕墻的節能效果明顯可見(jiàn)。
在溫暖的春季和秋季，室內既不必采暖，也不必制冷，因此不涉及耗能問(wèn)題，也就談不上節能問(wèn)題，耗能和節能是針對寒冷的冬季和炎熱的夏季的。雙層幕墻由于其傳熱系數比單層幕墻的傳熱系數低，空氣滲透性能比單層幕墻優(yōu)良，因此雙層幕墻比單層幕墻節能。
設室內外溫差為△T ,由(8mm+12mmA+8mm)中空玻璃組成的單層幕墻的傳熱系數U0=2.8W/(㎡K), 由外層為19mm單層玻璃，空氣層為500mm，內層幕墻為(8mm+12mmA+8mm)中空玻璃組成的雙層幕墻的傳熱系數U1=1.2W/(㎡K)。由于空氣滲透造成單層幕墻單位面積的能量損失為Q1，雙層幕墻單位面積的能量損失為Q2。由于雙層幕墻的空氣滲透性能比單層幕墻優(yōu)良，所以Q1>Q2。雙層幕墻比單層幕墻的節能率為：
雙層幕墻的傳熱系數為1/R。例如雙層通道幕墻的外層為19mm單層玻璃，空氣層為500mm，內層幕墻為(8mm+12mmA+8mm)中空玻璃，雙層幕墻的傳熱系數為1.2W/㎡K。而僅由內層幕墻構成的單層幕墻的傳熱系數為2.8 W/㎡K，雙層幕墻的節能效果明顯可見(jiàn)。
在溫暖的春季和秋季，室內既不必采暖，也不必制冷，因此不涉及耗能問(wèn)題，也就談不上節能問(wèn)題，耗能和節能是針對寒冷的冬季和炎熱的夏季的。雙層幕墻由于其傳熱系數比單層幕墻的傳熱系數低，空氣滲透性能比單層幕墻優(yōu)良，因此雙層幕墻比單層幕墻節能。
設室內外溫差為△T ,由(8mm+12mmA+8mm)中空玻璃組成的單層幕墻的傳熱系數U0=2.8W/(㎡K), 由外層為19mm單層玻璃，空氣層為500mm，內層幕墻為(8mm+12mmA+8mm)中空玻璃組成的雙層幕墻的傳熱系數U1=1.2W/(㎡K)。由于空氣滲透造成單層幕墻單位面積的能量損失為Q1，雙層幕墻單位面積的能量損失為Q2。由于雙層幕墻的空氣滲透性能比單層幕墻優(yōu)良，所以Q1>Q2。雙層幕墻比單層幕墻的節能率為：
這里的節能率僅考慮了環(huán)境溫差和空氣滲透的影響。還要考慮太陽(yáng)輻射的作用。在夏季，雙層幕墻的遮陽(yáng)系數比單層幕墻的遮陽(yáng)系數小，降低了夏季環(huán)境制冷的能耗，也就是說(shuō)在夏季，雙層幕墻的節能率大于57%。在冬季，設陽(yáng)光的輻射強度為Ⅰ，單層幕墻的遮陽(yáng)系數Sc1=0.72,雙層幕墻的遮陽(yáng)系數Sc2=0.57。由于雙層幕墻減少陽(yáng)光進(jìn)入室內，增加了室內的采暖負荷。增加的能量損失率為：
所以這種雙層幕墻比單層幕墻節能率為36%～57%，效果極為明顯。需要說(shuō)明的是，由于雙層幕墻設計時(shí)往往在通道中設置遮陽(yáng)系統，使得雙層幕墻的遮陽(yáng)效果更好，因此雙層幕墻的節能效果夏季更好。但遮陽(yáng)系數是雙刃劍，特別是玻璃和固定遮陽(yáng)系統的遮陽(yáng)效果是不可調整的，遮陽(yáng)效應夏季是正作用，冬季是副作用，因此從節能效果考慮，玻璃幕墻的傳熱系數越低越節能，但遮陽(yáng)系數并不是越低越節能，因為隨著(zhù)遮陽(yáng)系數的降低，一定伴隨著(zhù)玻璃幕墻可見(jiàn)光透過(guò)率的降低，增加室內的照明能耗;同時(shí)隨著(zhù)遮陽(yáng)系數的降低，也會(huì )增加冬季的采暖能耗，因此遮陽(yáng)系數適度最節能。
4.隔聲性能
計權隔聲量是可以測量的，平均隔聲量是可以計算的，即幕墻的隔聲性能可完全定量分析。幕墻的平均隔聲量按下式計算：
對于由(8mm+12mmA+8mm)中空玻璃組成的單層幕墻，其平均隔聲量為38dB。對于由外層為19mm單玻，空氣層為500mm，內層幕墻為(8mm+12mmA+8mm)中空玻璃組成的雙層幕墻，其平均隔聲量為47dB，雙層幕墻的隔聲性能明顯優(yōu)于單層幕墻。雙層幕墻隔聲性能優(yōu)異的原因有兩個(gè)：其一是按質(zhì)量定律，多一層幕墻玻璃將增加幕墻面密度，因此隔聲量增加。其二是增加空氣層的厚度將增加空氣對聲波振動(dòng)的衰減作用，隔聲量增加。
5.煙窗效應
雙層幕墻在陽(yáng)光照射下，通道內的空氣將有溫升�？諝庠谕ǖ纼鹊臅r(shí)間越長(cháng)，溫升越大。因此，在通道內的空氣將存在溫度梯度，即△T≠0。上部溫度高，下部溫度低;上部空氣比重小，下部空氣比重大;上部空氣壓力小，下部空氣壓力大。在上下空氣壓差的作用下，通道內的空氣將上升，這就是雙層幕墻的煙囪效應。
5.1 煙囪效應的自拔力
通道內空氣上下部壓差稱(chēng)為空氣的自拔力。根據大連地區相似工程實(shí)測結果，通道內空氣上下部溫差超過(guò)5℃。如通道下部進(jìn)氣口的溫度取20℃，通道上部出風(fēng)口的溫度將達25℃。通道下部進(jìn)氣口處空氣的比重W下=12.045N/m³，通道上部出風(fēng)口處空氣的比重W上為：
考慮通道內空氣有阻力，出風(fēng)口的風(fēng)速比2.5m/s要小很多。事實(shí)上，進(jìn)氣口和出氣口都有迎面風(fēng)速的影響，因此通道內的氣流速度是非常紊亂的。
6.環(huán)境舒適性
由于雙層幕墻外循環(huán)系統可以通過(guò)通道為室內更換新鮮空氣，通道的存在為改善更換空氣的質(zhì)量提供了條件。例如影響北方空氣質(zhì)量的污染物主要是可吸入顆粒物，可在通道的進(jìn)氣口安置靜電濾塵網(wǎng)或過(guò)濾P㎡.5的裝置，也可在通道進(jìn)氣口的下方對空氣進(jìn)行噴霧，既使得進(jìn)入室內的空氣清新，同時(shí)又改善了室內的濕度，提高了居室的舒適度，見(jiàn)圖9。
圖9 通道為室內更換新鮮空氣
由于雙層幕墻的傳熱系數比單層幕墻的傳熱系數低很多，因此在相同條件下，雙層幕墻室內側的表面溫度夏季會(huì )比單層幕墻的低，冬季會(huì )比單層幕墻的高，人站在幕墻邊溫度的舒適感會(huì )好很多。
我們居住的城市環(huán)境噪音日益增加，嚴重地影響室內人們的工作和生活，因此人們盡量增加建筑外維護結構的隔聲量，以獲得一安靜的環(huán)境。雙層幕墻的隔聲量比單層幕墻高很多，因此隔聲性能優(yōu)異也是雙層幕墻環(huán)境舒適性的表象之一。
7.正確使用雙層幕墻
雙層幕墻從設計構思、內容組成和工作過(guò)程各方面看，都是一個(gè)各專(zhuān)業(yè)協(xié)調合作的多功能系統，它與單層玻璃幕墻有很大差別，不僅有玻璃支撐結構，還包括建筑內部環(huán)境控制和建筑服務(wù)系統，通過(guò)雙層幕墻可以控制室內光線(xiàn)，提供通風(fēng)。因此相對單層幕墻來(lái)說(shuō)對日常使用和維護提出了更高的要求。
雙層幕墻的使用原則是根據雙層幕墻的原理充分發(fā)揮其先進(jìn)性能。如在夏季和室外氣溫高于室內溫度時(shí)，應考慮將進(jìn)風(fēng)口百葉打開(kāi)，同時(shí)打開(kāi)頂部通風(fēng)口的開(kāi)啟扇，進(jìn)風(fēng)口百葉和頂部通風(fēng)口的開(kāi)啟扇的角度應根據實(shí)際情況確定。在冬季或室內溫度高于室外溫度時(shí)，關(guān)閉進(jìn)風(fēng)口百葉和頂部通風(fēng)口的開(kāi)啟扇。遮陽(yáng)百葉的角度可根據陽(yáng)光強度和室內采光的需要調整。進(jìn)風(fēng)口噴水池在溫度較高的季節應當保持有水狀態(tài)，注意注水并保持清潔。在冬季結冰天氣來(lái)臨之前，應將水池中的水排出，防止水池凍壞。應保持幕墻各部分完好，定期清潔、維護進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、百葉系統、幕墻系統。
8.結束語(yǔ)
雙層幕墻性能優(yōu)異，特別是他的節能性能是毋庸置疑的，即無(wú)論是何種氣候分區，也無(wú)論是冬季還是夏季，無(wú)論通道內空氣是否流通，雙層幕墻都是節能的，就像雙層窗比單層窗節能是一個(gè)機理。雙層幕墻的熱環(huán)境舒適性、聲學(xué)舒適性和通風(fēng)舒適性也是非常明顯的，加之其它優(yōu)異性能，雙層幕墻應該是高檔幕墻的首選，具有廣大的發(fā)展空間。
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