雙層熱通道幕墻體系總體設(shè)計(jì)概述

        1．定義：

       雙層熱通道幕墻是由單層玻璃幕墻演變成具有雙層玻璃的幕墻。特別是二層之間存在熱量循環(huán)交換空間，形成冷熱空氣流動通道。也是由反射鍍膜玻璃組成幕墻，轉(zhuǎn)換成現(xiàn)代化通透性的新式二層玻璃幕墻的產(chǎn)物。

        2．熱通道幕墻的由來，是反射玻璃幕墻對太陽光的反射以及光波反射而帶來的一些有害光污染，對人們生活和健康產(chǎn)生不利影響，特別是鍍膜高反射玻璃透光率越低，使室內(nèi)顯得越暗，遇到陰天，建筑物內(nèi)部的照明由電燈來提供，給人們帶來極大不方便，同時浪費(fèi)了大量電能，人們感到極不舒適。在這種背景影響下，首先產(chǎn)生了新的幕墻體系——大清白玻璃全玻幕墻，開始這種玻璃幕墻大部分使用在大門廳，以后發(fā)展到全部都使用通透的全玻璃幕墻系統(tǒng)。但是這種幕墻有一個極大的缺點(diǎn)——太陽強(qiáng)紫外線幅射和太陽熱幅射透過大清玻璃進(jìn)入室內(nèi)，使室內(nèi)溫度大大升高。破壞了人們生活的舒適性。一般熱工性能K=5左右不節(jié)能。在90年代，首先在西歐出現(xiàn)了即有通透性，又能防止太陽強(qiáng)幅射，并能使整個窗體具有較高的節(jié)能效果的幕墻——雙層熱通道玻璃幕墻。

      我國出現(xiàn)這種先進(jìn)的節(jié)能雙通道幕墻是在2000年以后的事情。首先在國外設(shè)計(jì)的指導(dǎo)下，最早出現(xiàn)在上海“久來”大廈，而北京第一個大面積雙通道幕墻——“旺座”呼吸式雙熱通道幕墻是2001年10月開始制造。前者是內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，后者是外循環(huán)式結(jié)構(gòu)的典型代表。

        不管是內(nèi)式循環(huán)還是外循環(huán)通道幕墻，都具備防塵、防蟲、換氣通風(fēng)、節(jié)能、光線可控、隔音與抗震、防火也十分安全。這項(xiàng)技術(shù)由西歐傳入我國后，我們設(shè)計(jì)、生產(chǎn)這種高科技幕墻時，必須要從國情出發(fā)，具體設(shè)計(jì)，不能全部照搬。因?yàn)槲鳉W各國冬季溫度高，基本無沙塵天氣，要合理認(rèn)真考慮中國的國情，滿足我國要求的性能和價格。

        這種幕墻在原理上、結(jié)構(gòu)上都比常規(guī)幕墻變化很大，尤其它的設(shè)計(jì)完全不同于常規(guī)幕墻的方法和結(jié)構(gòu)計(jì)算，大部分安全參數(shù)和性能，在國外都要做一系列的試驗(yàn)才能確定。而中國目前沒有雙層幕墻標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范來約束它，因此到國外做試驗(yàn)是必要的，但試驗(yàn)費(fèi)很昂貴。從結(jié)構(gòu)形式和理論依據(jù)證明，能夠滿足我國各個地區(qū)工程項(xiàng)目的各項(xiàng)要求的新技術(shù)。并使幕墻體系向光電幕墻、智能幕墻方向發(fā)展。這種幕墻在結(jié)構(gòu)上都比常規(guī)幕墻變化大。尤其完全不同于其它常規(guī)試驗(yàn)方法，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算上也出現(xiàn)了新的課題。

        （一）雙熱通道幕墻最小單元高度是一個層高，它分獨(dú)立箱體單元或全通道式等形式，但目前設(shè)計(jì)最多的是獨(dú)立箱體單元式。本文主要以這種形式的呼吸式幕墻為例來說明它深化設(shè)計(jì)中的一些要求。

        （二）熱功性能計(jì)算及舒適性要求

1. 冬、夏兩季“呼吸式”玻璃幕墻的熱量交換或夏季煙囪效應(yīng)（熱浮力效應(yīng)）帶走熱量計(jì)算，或冬季向室內(nèi)輸送熱量計(jì)算，估算它們的效果比例值。

2. 按GB50176和GB50189-2005節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)分別計(jì)算外層、內(nèi)層的K值，K（W/m2-℃），計(jì)算出綜合性的KΣ值。

3. 用熱工計(jì)算方法對于冬、夏季計(jì)算雙通道內(nèi)外熱量交換總值：

η=Q0/QΣ

QΣ=Q1+Q2+Q3+Q4

Q0——由熱浮力效應(yīng)帶走熱量；

Q1——太陽能輻射進(jìn)入內(nèi)腔熱量（通過單玻）；

Q2——外框及通風(fēng)口傳遞熱量；

Q3——室內(nèi)傳遞到內(nèi)腔熱量；

Q4——因縫隙通氣熱量。

4.確定進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口百頁不同角度的面積和進(jìn)出口面積比，要求百頁一定可自動控制或電控，保證光線可調(diào)控。

5.要求設(shè)計(jì)此參數(shù)時滿足夏天或冬天陽光輻射入室內(nèi)，節(jié)能熱量率25-30%，保證煙囪效應(yīng)。計(jì)算條件是：外面風(fēng)速3-5M/S，溫度28℃-42℃（熱通道內(nèi)溫度60-75℃），冬季進(jìn)口-10℃，風(fēng)速3-5m/s（通道內(nèi)溫度為30℃）。若計(jì)算有困難，必須在大面積安裝前進(jìn)行熱試驗(yàn)，滿足節(jié)能率不低于30-35%的承諾。

6.雙層熱通道玻璃幕墻要求在春季、秋季、夜間能在自動自然通新風(fēng)的功能，并要求進(jìn)入清潔和進(jìn)新風(fēng)開啟方式不同。

7. 要求對外界惡劣氣候條件（如沙塵暴）時，出口、進(jìn)口必須能電動控制，自動關(guān)閉，并抗8級大風(fēng)沖擊，不能發(fā)生共振或空氣哨聲。百頁全關(guān)閉時，氣密性不低于Ⅳ級。

8. 對外層玻璃在相對濕度60%以內(nèi)，防結(jié)露及防霜的具體辦法（是否考慮采用隔熱駁接頭？）以及冷凝水的收集及排出方式，或采取風(fēng)吹式或防結(jié)露辦法。

9. 在方案設(shè)計(jì)時，滿足采用自然通風(fēng)功能，及時考慮將進(jìn)入室內(nèi)的空氣中的沙塵及污染減小到最低程度，達(dá)到衛(wèi)生、舒適和節(jié)能的目的。在加防塵網(wǎng)時，使空氣阻滯度盡可能達(dá)到最小。

10.本工程防噪音及防空氣哨聲的指標(biāo)較嚴(yán)格，在設(shè)計(jì)中滿足噪音進(jìn)入室內(nèi)損失不低于外層△B1=22dB，內(nèi)層玻璃不低于△B2=30-32dB，合成△B不低于45dB。

      （三）外循環(huán)雙層幕墻對保證安全性提出以下要求：

      1.對外層點(diǎn)式駁接的設(shè)計(jì)壽命不低于30年，要求玻璃在出現(xiàn)7-8烈度地震力作用下不準(zhǔn)脫落。因此，設(shè)計(jì)時玻璃必須是鋼化，必要時雙層鋼化夾膠玻璃也可考慮，外層可以使用框格結(jié)構(gòu)，可降造價10%（材料費(fèi)）。

      2.對駁接玻璃四個孔，必須嚴(yán)格計(jì)算孔的10mm周邊擠壓應(yīng)力，以及孔內(nèi)側(cè)受重量及空氣動力下洗合力作用的玻璃厚度約60°角內(nèi)的玻璃截面積受擠壓應(yīng)力，要求二種應(yīng)力不得超過（15-20Mpa），設(shè)計(jì)安全剩余系數(shù)不小于2.5-3。

      3.對駁接頭要求必須是球鉸轉(zhuǎn)動補(bǔ)償，并在之間加減震防沖擊吸收能量材料保證耐用20-30年的隔熱型材料，采用沉頭式連接。

      4. 抗震計(jì)算本工程重點(diǎn)要求按8度設(shè)防（北京地區(qū)），具體指標(biāo)是對水平抗震計(jì)算為重，震動慣性水平方向加速度為0.15g，垂直為0.24g，按此數(shù)據(jù)計(jì)算后確定最佳玻璃對縫寬度（同時考慮到沉降及房間位移）。

      5. 防火要求：

1）總要求防火指標(biāo)不低于2小時，不準(zhǔn)有層間和左右間的火勢蔓延通道。內(nèi)層玻璃要求在250-320℃時，能堅(jiān)持20-24分鐘不自爆，因此建議考慮采用防火玻璃的可能性（銫鉀玻璃）。

2）要求通道內(nèi)有防火自動排煙或手動應(yīng)急打開排煙口及設(shè)計(jì)煙感排煙系統(tǒng)。

3）設(shè)計(jì)通道寬度不能低于500mm，一旦火災(zāi)發(fā)生，向門的方向無法逃離時，暫時進(jìn)入通道內(nèi)與火源和毒煙氣體隔開，并開啟通風(fēng)排氣孔進(jìn)行人員自救，要求保證30-40分鐘內(nèi)層玻璃不自爆（可做模擬試驗(yàn)，保證上述時間要求）。

4）必要時考慮在通道內(nèi)設(shè)置拉力250kg的系鎦環(huán)和不小于到地面營救防火繩，必要時也可以打破玻璃自救逃生（可在隔板下設(shè)置防火斧打壞玻璃用）。

5）點(diǎn)式玻璃耐硬沖擊、軟沖擊滿足規(guī)范JGJ-102-2003規(guī)范F2級要求。

6）全部幕墻左右側(cè)及上下都有等電位防雷、防靜電接地，其接地電阻不大于2.5歐姆。

7）每層之間左右屋之間的通透玻璃為防盜型通道，有隱框遮檔玻璃構(gòu)成。

      （四）材料設(shè)備要求

      1.電控電機(jī)及伺服機(jī)構(gòu)可以由德國進(jìn)口（或由國進(jìn)配套）；

      2.可控百頁簾由法國或德國進(jìn)口（或國產(chǎn)配套）；

      3.玻璃建議用上海皮爾金頓或南玻產(chǎn)品，但必須達(dá)到德國DIN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；

      4.鋁型材在滿足GB5237-2004標(biāo)準(zhǔn)前提下，選用中國最好的型材廠提供；

      5.駁接不銹鋼件建議由香港堅(jiān)朗提供；

      6.所有材料都必須做機(jī)械或化學(xué)成份方面試驗(yàn)與復(fù)檢，合格后方可使用。

      1.做1：1的箱體二通道、幕墻二層玻璃LH 性試驗(yàn)（風(fēng)壓變形、防空氣、防雨水滲透和熱工性能試驗(yàn)）；

      2.對單元箱體做熱工性能測試；

      3.對進(jìn)氣、排氣流動特性（在不同溫度、不同外面風(fēng)速），進(jìn)行動態(tài)試驗(yàn)；

      4.做模擬防火自救逃生試驗(yàn)；

      5.全面測定節(jié)能參數(shù)試驗(yàn)；

      6.對點(diǎn)式駁接系統(tǒng)和玻璃做安全性受力、破壞試驗(yàn)。

      7.做自然通風(fēng)及防沙塵效果試驗(yàn)；

      8.做電控百頁系統(tǒng)耐力和疲勞試驗(yàn)。

      1.雙層熱通道幕墻工程要求必須具有準(zhǔn)確對接安裝要求，不準(zhǔn)強(qiáng)迫安裝。因此采用模線樣板——安裝焦點(diǎn)量規(guī)（正、反量規(guī)），協(xié)調(diào)互換性對接要求。

      2.必須在進(jìn)口幕墻加工中心進(jìn)行高精度加工與裝配。

      3.對玻璃加工要嚴(yán)格要求，對倒角處進(jìn)行放大鏡檢查裂紋，防止自爆，對加工孔的質(zhì)量也用同樣方法進(jìn)行檢查，盡可能對鋼化玻璃做引爆處理。

      4.對在建筑物上的預(yù)埋件及掛點(diǎn)用箱體掛點(diǎn)反量規(guī)進(jìn)行協(xié)調(diào)安裝。

      （七）通道玻璃幕墻在建筑物上，由于高度、位置不同，因此要求設(shè)計(jì)計(jì)算時，可以按等強(qiáng)度等剛度原理設(shè)計(jì)，對節(jié)能效果也通過流動特性或風(fēng)壓風(fēng)速不同，在性能變化大的二通道幕墻對進(jìn)口、出口以及部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。

      雙層玻璃幕墻主要分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)體系，有其共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，共同特點(diǎn)都是在雙層玻璃之間形成溫室空間，并將其溫室的夏季的過熱空氣排除室外，冬季把太陽熱能有控制排入室內(nèi)，使冬夏兩季節(jié)約大量能源。在夏季為防紫外線和強(qiáng)熱輻射要遮陽簾是必要的，因此都必須使用遮陽系統(tǒng)。內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)體系有如下特點(diǎn)：

      （一） 內(nèi)循環(huán)雙層玻璃幕墻結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)

      1．其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可采用框架斷熱或單元斷熱形式。

      2． 一般外層玻璃選用中空鋼化或夾膠，內(nèi)層玻璃選擇單片鋼化。

      3．采用主動式空氣流動措施，電控管道系統(tǒng)，在夏季白天時，將雙層封閉熱通道大部分熱空氣排除室外。冬季將溫室效應(yīng)蓄熱通過打開內(nèi)側(cè)開啟扇窗或開啟門把熱空氣排向室內(nèi)，達(dá)到節(jié)能效果。

      4．其內(nèi)外層之間的空腔厚度設(shè)計(jì)為：一般150-200mm之內(nèi)

      5．需要增設(shè)自然空氣進(jìn)入室內(nèi)的窗扇通道。

      6．便于清洗雙層玻璃之間的灰塵。

      7．使用建筑物內(nèi)側(cè)空間較少，因此成本可以降低。

      8．使用電力驅(qū)動抽風(fēng)，外循環(huán)結(jié)構(gòu)使用電動裝置，輸出電動率約85W間歇使用。

      9. 內(nèi)側(cè)與常閉式開啟門或窗。

      （二） 外循環(huán)雙層玻璃幕墻結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)

      1．其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可采用外層框架、單元或點(diǎn)式駁接等幾種結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)層框架斷熱或單元中空玻璃斷熱形式。

      2． 一般外層玻璃選用單片或夾層鋼化，內(nèi)層玻璃選擇中空或加LOW-E鋼化玻璃。

      3．采用自然的“煙筒” 效應(yīng)通風(fēng)，所有雙通道箱體是獨(dú)立密閉的。夏季的白天的熱空氣由于熱浮力作用下排除室外，注意不同樓層的“煙筒”效應(yīng)不同。

      4．其內(nèi)外層之間的空腔厚度設(shè)計(jì)較厚，便于內(nèi)外層之間的空腔人員進(jìn)入清洗工作（500mm）。

      5．不需要增設(shè)專用設(shè)備自然空氣進(jìn)入通道和屋內(nèi)，外層幕墻設(shè)計(jì)有進(jìn)出風(fēng)口，內(nèi)層幕墻設(shè)計(jì)有開啟門或窗，需要注意的是進(jìn)出風(fēng)口應(yīng)防止沙塵的進(jìn)入，通道下部設(shè)置外空氣進(jìn)入腔體的進(jìn)風(fēng)口和上部熱空交換后的排風(fēng)口。

      6．雙層玻璃之間的灰塵應(yīng)考慮方便清洗。

      7．使用材料較多，因此成本較高。

      （三） 外循環(huán)雙層熱通道設(shè)計(jì)中的幾個問題

      1．通道參數(shù)設(shè)計(jì)

      雙層幕墻之間“通道”高度、“通道”寬度等六個主要參數(shù)是雙層幕墻的最重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，決定性能和節(jié)能效率，進(jìn)出風(fēng)口面積比應(yīng)控制在一定比例之間，溫度與溫差變化、外界風(fēng)矢、進(jìn)出風(fēng)口壓力受外界自然環(huán)境的影響，“通道”高度與“通道”寬度應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)后取得合理的進(jìn)出口空氣流動數(shù)據(jù)，以便應(yīng)用到設(shè)計(jì)，“通道”寬度也要考慮一個正常人能夠進(jìn)入或便于人為清潔玻璃面。構(gòu)造型式可做單元體式或主體箱體結(jié)構(gòu)。

      2．防塵與清洗設(shè)計(jì)

      結(jié)構(gòu)的防塵是相對防塵，外循環(huán)式結(jié)構(gòu)在歐洲的地區(qū)應(yīng)用較為廣泛，由于我國北方大部分地區(qū)春秋季節(jié)風(fēng)沙天氣較多，尤其可吸入顆粒物和昆蟲非常嚴(yán)重，歐洲的外循環(huán)體系結(jié)構(gòu)從防塵與清洗等方向不能完全滿足我國北方地區(qū)要求。因此外循環(huán)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)充分考慮防塵與清洗形式符合我國實(shí)際情況，進(jìn)、出風(fēng)口可用一種電動調(diào)節(jié)百頁裝置，并在通風(fēng)裝置中設(shè)置表面涂“納米”涂料，減少積塵。雙層幕墻之間的格柵網(wǎng)設(shè)計(jì)時應(yīng)便于人進(jìn)入清洗時承受體重。 

       3．節(jié)能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      外循環(huán)體系的內(nèi)層玻璃幕墻玻璃，應(yīng)采用6+12A+6mm，外層幕墻盡可能的采用單層夾膠鋼化，內(nèi)層幕墻采用熱斷橋鋁合金結(jié)構(gòu)，外層可采用點(diǎn)式駁接結(jié)構(gòu)或鋁合金結(jié)構(gòu)，若內(nèi)外層幕墻選用透明玻璃，就必須考慮冬季與夏季，白天與夜間的氣候、溫度不同，而對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響。外層玻璃選用夾膠透明鋼化，玻璃即使破損也不會附落，避免對樓底行人造成傷害，選擇透明玻璃可使陽光充分進(jìn)入雙層幕墻之間“通道”，形成溫室效應(yīng)。 

      夏季考慮方式：由于白天陽光照射，使雙層幕墻之間通道空氣溫度升高，內(nèi)層幕墻若采用中空低輻射，太陽能可輻射到雙層幕墻“通道”之間，通過“煙筒”效應(yīng)使氣流上升并通過上端出風(fēng)口排到室外并帶走了部分熱量，從而減少室內(nèi)與室外的溫度交換，使幕墻達(dá)到節(jié)能要求，降低夏季制冷空調(diào)的負(fù)荷。夜間沒有陽光照射，內(nèi)層窗玻璃采用中空低輻射，它有效的擋住室內(nèi)溫度向外界的傳導(dǎo)，達(dá)到節(jié)能減少了空調(diào)用電。 

      通過國外公司技術(shù)統(tǒng)計(jì)，采用雙層幕墻應(yīng)能夠節(jié)約能量一般30-40%左右，由于雙層幕墻從材料選用到結(jié)構(gòu)表達(dá)式設(shè)計(jì)的不同選擇，雙層幕墻節(jié)能的數(shù)據(jù)是不同的，因此，最終設(shè)計(jì)的雙層幕墻節(jié)能數(shù)據(jù)應(yīng)通過試驗(yàn)手段獲得。

      4．遮陽設(shè)計(jì)

      以雙層幕墻之間安裝電動或手動操作的遮陽裝置，遮陽百頁可調(diào)節(jié)角度，使陽光進(jìn)入室內(nèi)得到合理控制，遮陽裝置的安裝位置非常重要；一般距外層玻璃150-180mm為最佳，也應(yīng)考慮內(nèi)層幕墻開啟窗或門的形式而定，避免影響窗或門的正常開啟的關(guān)閉。

      （四） 內(nèi)循環(huán)雙層熱通道玻璃幕墻結(jié)構(gòu)

      1．內(nèi)循環(huán)式通道設(shè)計(jì)一直為封閉式，它二層玻璃布局與外循環(huán)式正好相反，內(nèi)循環(huán)式結(jié)構(gòu)外層玻璃為中空雙鋼化玻璃，外框?yàn)楦魺嵝筒�，�?nèi)層為網(wǎng)化單層玻璃，并有內(nèi)開啟扇的門或窗。雙層玻璃之間距離一般100-200mm，中間加法拉利降遮陽裝置。

      它的換氣方式是主動式的，冬天在通道內(nèi)加熱的空氣，通過熱管水道被抽到室內(nèi)，或開屋內(nèi)開啟扇導(dǎo)入熱風(fēng)，達(dá)到節(jié)能目的。在夏天過熱的空氣由排風(fēng)道排到屋外。此時關(guān)閉通往屋內(nèi)的風(fēng)管。內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)可設(shè)計(jì)箱體高度尺寸為層高的箱體單元體。

      2．通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：這種內(nèi)循環(huán)箱體單元體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，必須考慮到在天花板內(nèi)側(cè)，或地板下部空間，分別設(shè)計(jì)進(jìn)屋內(nèi)熱風(fēng)管道系統(tǒng)和向外排熱風(fēng)管道系統(tǒng)。個別也有專門在冬天、春天時設(shè)計(jì)的自然空氣向室內(nèi)進(jìn)行新空氣的交換裝置。(作者：莫英光　魏東海)