双层玻璃幕墙节能技术工作原理分析

刘 ,鹏

陕西地建房地产开发集团有限责任公司  陕西省西安市  710075

摘要：双层玻璃幕墙（DSF）的节能效果已经得到广泛认可，但对于多少设计工作而言，其节能原理认知仍不全面，从而在建设设计环节缺少灵活性，无法充分发挥双层玻璃幕墙的节能作用。本文对双层玻璃幕墙的节能原理进行解析，从而为建筑师在方案设计阶段提供技术支持。

关键词：双层幕墙，建筑节能，工作原理

陕西省土地工程建设集团内部科研项目(DJNY-YB-2023-06）

一、双层幕墙空气流动控制原理

根据《建筑幕墙》GB/T 21086—2007中的定义，双层玻璃幕墙是由外层幕墙、热通道和内层幕墙（或门、窗）构成，且在热通道内可以形成空气有序流动的建筑幕墙。其中的空腔是其区别于普通单层幕墙的重要特征。空腔内空气的流性能是幕墙设计的依据，也是决定其气候适应性、热舒适性和节能性的基础[[1]]。因此，双层玻璃幕墙不同于一般的围护结构，它实际是一个复杂的系统，不同的气象条件、玻璃材料、空腔尺寸、遮阳设置等都会对其运行效果运行产生显著的影响。因此理解双层幕墙（DSF）系统内的传热机理和通风原理对合理选择幕墙的运行模式和控制策略至关重要。

图1 外循环与内循双层幕墙系统

双层幕墙在冬季的工作原理，即在冬季关闭上下通风口，形成封闭的缓冲层，由此使空腔内获得更高的温度和更小的空气流动，增强幕墙系统的保温性能[[2]]。图1为双层幕墙在夏季的运行模式，即在夏季打开上下通风口，利用热压形成自然通风，辅助空气间层及内侧玻璃外表面降温，增强幕墙系统的通风散热效果。因此，准确的传热计算和气流模拟是体现双层幕墙利用效果和节能潜力的关键。动状态和空腔两侧各层界面材质的物理特性决定了幕墙系统的传热和通风性能。根据通风方式的不同，双层通风幕墙根据通风方式的不同一般可分为内循环双层玻璃幕墙和外循环双层玻璃幕墙两种，分别如图1所示。基于上述背景，本章以Grasshopper 的参数化设计平台为基础，利用性能模拟工具Arch Sim和多目标优化工具Octopus，对筛选得到的关键设计要素进行参数化定义，从而实现对不同输入参数的快速模拟与结果反馈，以提高样本数量和计算效率，增强结论的准确性和适用性，使结论既考虑高大空间建筑的特殊性，又符合方案阶段的设计特点和需要，真正服务于DSF在高大空间建筑中的设计实践。

二、双层幕墙节能影响因素分析

本文将空腔宽度、通风口大小、空腔高度、内外层玻璃物性参数（玻璃类型）作为DSF的关键设计参量，利用建立的高大空间通用简化模型，基于Grasshopper 参数化模拟平台，利用性能模拟插件Arch Sim 和多目标优化插件Octopus，以全年总能耗为目标函数，分别对上述参量的影响规律和优化组合方式进行研究，并基于遗传算法的大样本采样结果对参量的全局敏感性进行分析。

图2 回归模型的标准化回归系数

通过回归分析得到的5个变量的标准回归系数如图2所示，由此可得全局敏感性分析中双层玻璃幕墙设计变量对能耗影响的重要性排序为：外侧玻璃U 值>通风口大小>内侧玻璃U值>空腔宽度>冬季空腔划分层数>外侧玻璃SHGC>大于内侧玻璃SHGC。

对能耗影响最大的3个设计变量的结果一致：为通风口大小和内外侧玻璃传热系数。这一结果说明，对寒冷地区的大空间建筑，在利用双层幕墙系统这一被动节能策略时，合理设计通风口的大小和合理选择玻璃的类型对幕墙节能设计的成败至关重要。反观寒冷地区现有的幕墙设计实践，尽管其在冬季的节能效果毋庸置疑，但夏季引起室内过热的问题也十分普遍。结合敏感性分析的结果，未来设计中应对DSF夏季的能耗特性引起足够的重视，并进行重点优化设计。

三、双层幕墙的整合设计方法

作为一种复杂的系统构件，双层幕墙的整合设计一直是设计师和研究者关注的重点。通过不同玻璃类型的组合，可以满足采光、热工、声学等多方面的设计需求；通过幕墙空腔与遮阳装置的整合设计，可以在不减弱其通风性能的基础上，优化其热工性能，提高室内环境的舒适度；通过内外侧玻璃开口与机械通风装置的整合设计，可以实现复合式的通风策略，共同满足室内的新风需求，同时节约部分新风能耗；此外，幕墙空腔作为室内外环境间的过渡空间，不仅可以很好的调节室内环境，减少室外环境变化对室内环境波动的影响；还可以与空调的新风或排风系统进行整合设计，作为新风预热或排风的通道，通过主被动技术的整合发挥更大的节能潜力。

双层幕墙不仅是一种复合围护结构构件，它本身还构成了一个系统，因此其真正的节能优势和对室内环境的改善需要建立在正确设计和合理控制的双重条件下，二者缺一不可。同样的幕墙设计，在不同的气象条件下，采用不同的运行控制策略，可能产生截然相反的利用效果[[3]]。但现行设计流程往往忽视了对运行阶段的控制，导致双层幕墙系统在节能和舒适性方面的优势无法体现，极大的阻碍了其推广应用，人们对这一技术本身的认可度也不高。为体现双层幕墙系统运行控制策略的重要性，并得到其在不同运行策略下的节能潜力

。

（1）在控制策略上，提出了两种可能的控制模式：一是幕墙系统和暖通系统共同控制，空调系统在自然通风无法满足时运行，以保持室内舒适性；二是幕墙系统和暖通系统独立控制，共同满足室内的新风需求.

（2）自然通风策略对夏季空调负荷有较大的节能潜力。通过对双层幕墙启闭的智能控制实现自然通风，可使单位面积冷负荷及总空调能耗减少40%左右。由此空调系统可以以更低的负荷需求运行，这种由双层幕墙带来的轻空调的设计和运行可以获得可观的运行阶段节能潜力，从而有利于双层幕墙初始投资的回收和这一技术形式的推广。

（3）开启上部通风口比上下均开启更有助于减少夏季的冷负荷；而当太阳辐射量显著增大时，可开启上下通风口，利用热压促进对流散热。

四、结论

本文对双层玻璃幕墙的工作原理、关键设计参数筛选及整合设计方法进行了初步探索，对不同运行策略在被动优化方案基础上的节能潜力进行量化分析，以评价不同运行策略的适用性，为进一步挖掘双层幕墙的应用潜力，可以为设计人员在面对双层玻璃幕墙的方案比对时提供帮助。

参考文献

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[1] 王衍金，夏热冬冷地区双层皮玻璃幕墙动态模拟及能耗特性研究 [D]. 长沙：湖南大学, 2016.

[2] Ward I C , Altan H , Mohelnikova J , et al. 温和气候区单层与双层玻璃幕墙节能评价[J]. 建筑科学, 2006(5):59-63.

[3] A.L.S. Chan, T.T. Chow, K.F. Fong, Z. Lin. Investigation on energy performance of double skin facade in Hong Kong. Energy and Buildings. Volume 41, Issue 11, 2009