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摘要：随着建筑幕墙行业的发展，双层玻璃幕墙在城市建筑中的应用越来越广，双层玻璃幕墙作为建筑的常用结构，虽有缺点，但依然不能阻止人们发挥其强大的保温节能，隔热隔噪音的功能。本文从目前玻璃幕墙存在的问题入手，利用“温室效应”和“烟囱效应”的原理对传统玻璃幕墙进行改进，设计成多介质双层玻璃幕墙，并对多介质双层玻璃幕墙的节能效果进行深入分析，指出了多介质双层玻璃幕墙系统目前在国内的应用价值，为中国公共建筑建设提供了经济环保的发展方向。
关键词：玻璃幕墙；设计；多介质；节能
当今，双层玻璃幕墙作为一种新型幕墙结构已经在很多建筑中得到应用。它主要是针对普通玻璃幕墙高耗能、低隔音和室内空气质量差等缺点设计的，采用双层体系做围护结构，通过提供自然的通风和采光来提高室内的舒适度，降低能量消耗，从而大大的改善建筑整体的保温、隔热和隔音效果。响应我国“节能减排”政策，并基于目前新兴的玻璃幕墙节能技术，本文利用“温室效应”和“烟囱效应”的原理对传统玻璃幕墙进行改进，应用智能控制的百叶窗，设计成多介质双层玻璃幕墙，以节约冬天供暖和夏天散热所需的能耗，谋求资源的最大利用率，减少光污染和声污染对人们工作生活的影响，为中国公共建筑建设提供经济环保的发展方向。
1、双层玻璃幕墙结构设计
1.1 总体结构介绍
从总体来看，多介质双层玻璃幕墙分为三大部分，即夹层介质循环型玻璃内墙、单层玻璃钢外墙以及由内外幕墙形成的通风夹层。其中外层幕墙使用单层钢化玻璃，采用开放式设计，主要作用是保温、隔热、降低噪声，同时可以承受部分压力。
玻璃幕墙整体结构和三维效果如图1所示，内幕墙相对封闭，采用夹层介质循环型玻璃幕墙；外幕墙采用单层钢化玻璃；内外幕墙之间形成一个相对封闭的空间——通风夹层；通风夹层中悬挂有可收放的遮阳百叶窗。
如图1（a）所示，通风夹层结构上设有进风口和排风口，通过烟囱效应引导室外空气进入通风夹层，将夹层中的热量以及室内废气从上部排风口排出。通过设置通风夹层，夹层内的空气始终处于流动状态，热量在其间流动，形成热量缓冲层，从而可以使室内获得自然通风，优化建筑通风质量，调节室内温度，有效减少太阳辐射热对建筑本身的影响，节省空调能耗。同时通过根据太阳辐射角度对通风夹层中的百叶窗进行调节也可有效改善太阳辐射的影响。
图 1 玻璃幕墙整体结构和三维效果图
1.2 通风夹层
内外两层幕墙之间的通风夹层的距离一般为50～60cm。由于本次设计加入了遮阳百叶窗，故将通风层设计为70cm，从而形成一个两侧各有30cm左右的双通风夹层，通风夹层采用厢式设计，即以每一楼层为一个设计单元，每一单元的顶部和底部都分别设有排气口和进气口，室外新鲜空气从底部进气口进入，气流从上方排气口排出，获得自然通风。其优点是能够保证每一通风单元内气流速度柔和、稳定，同时每一楼层单元的通风以及维护互不影响，易于在幕墙层间水平行走，以便清洁。
通风夹层及其工作原理如图1（a）所示，夏季时，打开换气层的进、排风口，在阳光的照射下利用烟囱效应带走通风夹层内的热量，降低内层玻璃表面的温度，节省空调能耗。同时，在夏季阳光暴晒的情况下，通过调节百叶窗可减少太阳辐射，避免室内过亮。
冬季时，关闭通风层两端的进、排风口，换气层中的空气在阳光的照射下温度升高，形成一个温室，有效地提高了内层玻璃的温度，减少室内对外散热，从而减少建筑物的采暖费用。
1.3 夹层介质循环型节能内墙
1.3.1 单块夹层介质循环型节能内墙结构
夹层介质循环型节能内墙结构如图2所示，内墙采用双层玻璃结构，并将流水和空气作为夹层介质，通过采用合适的密封剂进行有效的密封。.png)
图2 双层玻璃分布示意图
在夏天，夹层中循环水介质，由于水的比热高、传热系数较大，能够有效降低室内温度，同时，水较之玻璃能够有效吸收太阳光，将反射率降到最低，大大降低光污染，夹层中的“水幕墙”增加了幕墙厚度，隔音效果也得到增强。
冬天时，为避免结冰，夹层中改为通入空气或CO2，形成小范围的温室效应，可有效保持室内的温度。
1.3.2 整体楼层夹层介质循环型节能内墙结构
整体楼层夹层介质循环型节能内墙和整体楼层夹层介质循环型节能排水进水系统如图3所示。夏天，进水系统将水送入管路中。首先将水阀3，3’打开，使流水充满三楼的玻璃的夹层空间；然后将水阀2，2’打开，使流水充满二楼的玻璃的夹层空间；最后将水阀1，1’打开，使流水充满一楼的玻璃的夹层空间。此时水介质就在整个楼宇的内墙的夹层中循环起来，最后介质水通过排水系统排出。
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图3 整体楼层夹层介质循环型节能内墙设计三视图和节能排水进水系统示意图
1.4 百叶窗智能控制系统
外层玻璃和中间层玻璃之间设计的百叶窗，其可以最大限度减少阳光直接照射，从而避免室内过热，阻挡阳光直射，防止炫光。同时为了达到智能化和人性化标准，尽可能的减少人力资源和人为操作，将百叶窗的控制改为电脑的自动调节，在外层幕墙中间放置光敏电阻，选取stm32单片机作为控制系统，由光敏电阻不断地向单片机反馈光强信息，单片机根据建筑所在位置已经设定好的所需光强，实现自动调节舵机旋转，从而控制百叶窗的角度。同时为了满足个人对不同时刻的光强要求不同，在程序中添加人工调节系统。在此过程中，由AD转换模块、百叶窗舵机控制模块、百叶窗自动控制角度模块和百叶窗人为控制角度模块共同完成。
2、节能效果分析
假设在通风口关闭时热量的传播过程只有传导，没有对流。即假定窗户的密封性能很好，进排气风口关闭后两层玻璃之间的空气是不流动的；在通风孔打开时空气层的热量传播只有热对流，对流热交换系数为常数，水介质层只有热传导，没有对流，热传导系数为常数；沿传导方向，单位时间通过单位面积的热量是常数；玻璃材料均匀，热传导系数是常数；不考虑玻璃外边框的吸热和传热；不考虑太阳热辐射。
2.1 传热系数计算
2.1.1 冬季多介质双层玻璃幕墙平均传热系数
建筑玻璃传热系数的计算是以下列公式为计算基础：
2.2 模型节能效果对比
多介质双层玻璃幕墙和传统玻璃幕墙在冬夏两季的平均传热系数如表1所示，对比可见冬季双介质璃幕墙比传统的玻璃幕墙节约10%-70%的取暖能量，夏季双介质玻璃幕墙比传统的玻璃幕墙节约30%-80%的空调能量。同时，夏季在密封玻璃夹层中充入水介质代替气体介质可以有效减少外界热量向室内的传导。因此可以有效减少外界传热，降低房间温度，减少空调耗能，达到节能的目的。
表1 冬夏两季幕墙传热系数
幕墙种类 冬季平均传热系数 相对节约能量 夏季平均传热系数 相对节约能量 多介质双层玻璃幕墙 1.61 — 0.85 — 传统呼吸式玻璃幕墙 1.79 10% 1.22 30.3% 单层玻璃幕墙 5.49 71% 5.49 84.5% 6+12A+6LOW—E中空玻璃 2.30 30% 2.30 63%
2.3 FLUENT 流场模拟
为了能够更为准确的得到多介质双层玻璃幕墙的理论依据，利用FLUENT软件对流场进行模拟，选用DO辐射模型进行条件假设，经过约7万步迭代运算处理，得出结果。
模拟结果如图4示。
图4 残差监控图和
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温度分布图
从fluent 模拟结果可以看出，热通道温度内部自下而上逐渐上升，百叶窗内侧温度低于外侧，气流进风口和排风口速度高于通道内部，且气流速度方向总体上从下部指向上部，从而说明空气从进风口进入并从上部排风口流出，且从排风口流出空气的温度高于内部，说明气流带走因为太阳辐射而产生的热量；百叶窗内侧温度低于外侧，说明百叶窗有遮阳降温的效果。模拟结果为双层玻璃幕墙的可行性在原理上给出了证明。
3、结束语
我国玻璃幕墙的能源消耗在总的建筑能源消耗中占很大比例，而本文运用“温室效应”和“烟囱效应”设计的多介质双层玻璃幕墙比传统的幕墙节约了冬天供暖和夏天散热所需的能源，从根本上解决了传统玻璃幕墙的能源消耗问题，并且减少了光污染和声污染对人们工作生活的影响，为中国公共建筑建设提供经济环保的发展方向。
参考文献：
[1]涂逢祥.建筑节能-中国节能战略之重[J].建设科技，2008（5）.
[2]王丽娜.基于价值工程的绿色建筑投资决策研究[J].价值工程，2011（1）.
[3]宋秋芝，刘志海援我国玻璃幕墙发展现状及趋势[J].玻璃，2009（2）.
[4]王兵辉.建筑玻璃幕墙的节能设计研究[J].科学技术，2012(12).
[5]许学.浅析幕墙设计中存在的问题及对策[J].中国新技术新产品，2015（7）.
[6]唐勇.建筑幕墙设计中存在的问题及对策[J].中国新技术新产品，2014（1）.
论文作者:陈斌
论文发表刊物:《基层建设》2016年17期
论文发表时间:2017/10/10
标签：夹层论文; 介质论文; 玻璃幕墙论文; 幕墙论文; 百叶窗论文; 节能论文; 玻璃论文; 《基层建设》2016年17期论文;