1背景
當(dāng)今玻璃幕墻在現(xiàn)代建筑，特別是高層辦公建筑中的風(fēng)靡程度有增無減，它幾乎是世界各大城市辦公樓立面的一致選擇.主要原因之一是人們的審美傾向仍舊受現(xiàn)代主義風(fēng)格的影響，而玻璃幕墻不僅外觀簡潔、通透、富有現(xiàn)代感，甚至可以象征企業(yè)實(shí)力和形象.因而受到眾多業(yè)主和建筑師的青睞.然而，人們?yōu)榱诉@種獨(dú)特的外觀也付出了沉重的代價(jià)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)玻璃幕墻的保溫、隔熱機(jī)能均遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)墻體，又缺乏公道減少夏季太陽過熱的措施，大大增加了該類建筑的空調(diào)和采暖能耗.最近我國推出公共建筑設(shè)計(jì)節(jié)能尺度，對(duì)玻璃幕墻提出了更嚴(yán)格的熱工要求.
與傳統(tǒng)玻璃幕墻比擬，雙層玻璃幕（DoubleSkinFalade，以后簡稱DsF）獨(dú)特的夾層設(shè)計(jì)，不僅為進(jìn)步幕墻的保溫隔熱機(jī)能上提供了更多可能，更重要的是，為遮陽構(gòu)件提供了一個(gè)居住之地，使之既能有效遮陽，又不破壞建筑外觀.此外，它還可以通過強(qiáng)化透風(fēng)降溫來降低建筑能耗，因而倍受建筑師的推崇.然而，采用DSF不僅會(huì)增加初投資，犧牲可觀的建筑面積，同時(shí)其維修用度也高出一般幕墻.而且，不能簡樸地以為DSF一定具有更好的保溫、隔熱、透風(fēng)等熱工機(jī)能，目前“大多數(shù)類型的DSF都不能同時(shí)減少采溫暖制冷負(fù)荷，只有根據(jù)詳細(xì)情況把不同類型結(jié)合起來或改變系統(tǒng)設(shè)置，才可能比傳統(tǒng)的隔熱玻璃加外遮陽方案有實(shí)質(zhì)性提高””’.例如，最凸起的題目是如何公道地設(shè)計(jì)夾層的尺寸，由于其空間過小將直接影響DSF夏季和過渡季的透風(fēng)降溫效果過大則降低了空間使用效率.而假如完全依賴機(jī)械透風(fēng)，固然可以減小夾層寬度，但也存在著如何在透風(fēng)降溫效果和風(fēng)性能耗之間作優(yōu)化的題目此外，夾層天然透風(fēng)還受室外風(fēng)速和風(fēng)向的影響較大，目前還沒有令人滿足的整套方法可以指導(dǎo)選擇設(shè)計(jì)前提，猜測運(yùn)行效果，并指導(dǎo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì).在世界各國的實(shí)踐當(dāng)中也不乏有很多不太成功的例子.可見，DSF的選用、設(shè)計(jì)的決議計(jì)劃過程受到審美、熱恬靜和節(jié)能二方面因素的影響，不是簡樸的“用了就好”.
2國外相關(guān)研究現(xiàn)狀
DSF的節(jié)能研究在國外，特別是歐洲已經(jīng)開展了有二十余年，主要集中在只個(gè)方面?zhèn)鳠徇^程研究、和建筑運(yùn)行模式結(jié)合的研究以及全生命周期分析.其中前兩個(gè)方面取得了較多研究成果.作為指導(dǎo)工程決議計(jì)劃最有力的依據(jù)，全生命周期分析是整個(gè)研究的終極目標(biāo)，而和建筑運(yùn)行模式結(jié)合的研究恰是把微觀的傳熱研究成果與宏觀的聯(lián)合了幕墻系統(tǒng)、建筑及空調(diào)系統(tǒng)的大模型連接起來的紐帶，對(duì)實(shí)現(xiàn)建筑的全年能耗模擬至關(guān)重要.
傳熱過程研究主要包括理論和實(shí)驗(yàn)兩方面的研究.其中理論研究又分為節(jié)點(diǎn)控制容積方法和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬法，實(shí)驗(yàn)研究的目的則在于探討傳熱系數(shù)或者對(duì)流換熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，.這些研究結(jié)果可以輔助建立數(shù)值模型，例如Grabe研究發(fā)現(xiàn)，夾層中的天然活動(dòng)阻力系數(shù)不能采用手冊(cè)中給出的機(jī)械活動(dòng)下的阻力系數(shù)玻璃表面臨流換熱系數(shù)和整個(gè)窗戶的傳熱系數(shù)均跟著內(nèi)外層玻璃溫差呈線性變化，但是前者變化明顯，在溫順天氣地區(qū)后者的變化可以忽略.
和建筑運(yùn)行模式結(jié)合的研究包括在特定建筑布局前提下的天然通過改果研究和結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)的研究.計(jì)算方法主要有利用貿(mào)易能耗模擬軟件和根據(jù)網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算原理二次開發(fā)兩種.荷蘭學(xué)者Paassen的研究結(jié)果表明，簡樸的夜間機(jī)械透風(fēng)能降低40%的裝機(jī)容量和能耗，假如考慮采用可控窗戶以及天色猜測系統(tǒng)，節(jié)能潛力達(dá)到70%以比利時(shí)的Gratia模擬發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)幕墻間距小于40cm才會(huì)存在顯著的壓力損失，在大多數(shù)幕墻中，主要壓力損失泛起在空氣出口；對(duì)于南面幕墻，天然透風(fēng)啟齒大小對(duì)夾層內(nèi)溫度影響很大，但是在前面則影響很小.在夜間利用穿堂風(fēng)非常可行，但是在白天要非常慎重，防止熱空氣進(jìn)人室內(nèi).采用拔風(fēng)煙囪則可以保證即使沒有風(fēng)壓作用，頂層建筑也能達(dá)到透風(fēng)效果，但是需要調(diào)節(jié)啟齒大小以平衡各層透風(fēng)量.李保峰在其博士論文中對(duì)中國冬冷夏熱天氣前提下DsF的熱工機(jī)能做了大量實(shí)驗(yàn)研究，提出外輪回式更相宜這種天氣，而夾層寬度以400mm為宜，夏季透風(fēng)應(yīng)以風(fēng)壓為主而不是熱壓，遮陽百葉以及內(nèi)外幕墻比較理想的材料分別是穿孔的鋁合金和高透玻璃.
同時(shí)，一些建筑的實(shí)測結(jié)果為設(shè)計(jì)者提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn).Pasquav在德國西門子大樓的測試結(jié)果表明，假如答應(yīng)泛起短暫高溫，整個(gè)大樓全年可以采用天然透風(fēng)，假如不設(shè)吊頂，夜間透風(fēng)的效果可以大大進(jìn)步.大樓采用地源熱泵系統(tǒng)供冷，可知足全年要求.作者同時(shí)指出DSF并不是在任何地方和任何建筑都是節(jié)能的，一些模擬假設(shè)的邊界前提需要仔細(xì)考慮，例如幕墻周邊的溫度往往要比景象形象觀測溫度高幾度；對(duì)于每層隔斷的DSF，幕墻中的換氣量更取決于風(fēng)速和風(fēng)向，而不是煙囪效應(yīng)在設(shè)計(jì)中應(yīng)該將雙層幕墻空間與透風(fēng)口隔斷以防止夏季熱風(fēng)倒灌，或者設(shè)計(jì)小面積的DSF而不是整面，或者像德國的Dehi，中央那樣在炎熱季節(jié)完全打開外表幕墻，但是這種設(shè)計(jì)的造價(jià)較高，同時(shí)導(dǎo)致冬季保溫機(jī)能降低.
從全生命周期分析特別是全年建筑能耗分析的角度考察DSF的研究還很少，主要研究指標(biāo)包括全生命周期經(jīng)濟(jì)性和全生命周期溫室氣體排放量.比較具有代表性的是土耳其學(xué)者Cetiner對(duì)伊斯坦布爾溫順天氣下的分析，結(jié)果表明雙層幕墻最高比單層幕墻最節(jié)能方案節(jié)能23%，而單層幕墻最便宜的比雙層幕墻最便宜的便宜25%.在雙幕墻系統(tǒng)中，最省能方案可以降低33.9%的能耗，最貴的方案在全生命周期內(nèi)節(jié)省7.7%的資金.
綜合以上研究現(xiàn)狀來看，現(xiàn)有的研究成果中已經(jīng)有部門結(jié)論可以用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)，但是還無法知足實(shí)際的需要.因?yàn)镈SF傳熱過程復(fù)雜、一天當(dāng)中和全年當(dāng)中標(biāo)準(zhǔn)不一、正確的室外邊界前提不易獲得等原因，目前還沒有一種正確、可靠的DSF建筑全年能耗模擬方法.同時(shí)，現(xiàn)有的計(jì)算方法操縱復(fù)雜，對(duì)工程師要求很高，在工程應(yīng)用中不適適用來指導(dǎo)方案設(shè)計(jì)階段的工作，而適適用在深化設(shè)計(jì)階段.
3與建筑設(shè)計(jì)過程的結(jié)合
目前，關(guān)于DSF節(jié)能方面的研究主要集中在歐美的大學(xué)、科研院所和少數(shù)實(shí)力雄厚的工程設(shè)計(jì)公司.從事這方面的科研職員都具有深摯熱工知識(shí)背景，而研究的思路基本上都是從對(duì)DSF傳熱過程的分析出發(fā)，以探索公道的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)模擬方法為目標(biāo)，并且已經(jīng)取得了一些成果，好比已經(jīng)有能耗模擬軟件、CFD（ComututlonalRuldlFluidDynamics計(jì)算流體力學(xué)）模擬軟件等幾種公認(rèn)可以輔助能耗研究的方法.然而，這些方法普遍比較復(fù)雜，不僅不可能被建筑師把握，就連一般學(xué)熱工出身的工程師也需要經(jīng)由特殊的培訓(xùn)才能把握.也就是說，DSF的節(jié)能研究仍是屬于前沿領(lǐng)域，將其應(yīng)用于實(shí)際工程，特別是指導(dǎo)建筑師做設(shè)計(jì)還有較長的路要走.
然而，工程實(shí)踐并不會(huì)由于科研沒有充分發(fā)展而休止條件高伐.事實(shí)上，近幾年來，北京、上海等海內(nèi)特大城市中也有一些豪華寫字樓、公寓陸續(xù)采用了DSF.然而這些項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行效果和所宣傳的普遍存在不同程度的差距，一些樓盤采用DSF并不是完全出于節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)性考慮，而是包含房地產(chǎn)炒作的目的.究竟DSF有著時(shí)尚的外觀和提高前輩的理念，預(yù)計(jì)今后一段時(shí)間內(nèi)海內(nèi)還將大量涌現(xiàn)出這類建筑.工程實(shí)踐迫切需要經(jīng)驗(yàn)和理論研究的指導(dǎo)，但目前為止，良多關(guān)于DSF節(jié)能效果的基本題目還沒有令人比較滿足的謎底，好比：①DSF對(duì)北京、上海、深圳的天氣都合用么？節(jié)能效果是否顯著？②DSF是否同時(shí)合用于不同朝向的立面？其構(gòu)造相同么？③DSF最適合什么類型的建筑？住宅值得使用嗎？……這些題目看似簡樸、基本，實(shí)則非常尖利，由于對(duì)于任何一個(gè)打算采用DSF的項(xiàng)目而言，工作伊始就要回答這些題目.固然國外的大量實(shí)踐積累了一些經(jīng)驗(yàn)，但是DSF的實(shí)際運(yùn)行表現(xiàn)因不同城市的天氣前提，乃至單棟建筑周邊的情況都有很大差異.因此，想把它的長處充分施展出來，創(chuàng)造恬靜的室內(nèi)環(huán)境，避免夏季夾層內(nèi)過熱以及真正做到節(jié)能，并不是件輕易的事.只有在設(shè)計(jì)中結(jié)合詳細(xì)建筑的情況公道選型，并且充分做好準(zhǔn)確的計(jì)算、模擬甚至實(shí)驗(yàn)的條件下才能實(shí)現(xiàn).因此，海內(nèi)各大城市的建筑在采用DSF的決議計(jì)劃中應(yīng)堅(jiān)持謹(jǐn)嚴(yán)的立場，充分正視預(yù)先的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)工作. 而考察目前海內(nèi)幕墻設(shè)計(jì)中的合作方式和流程，基本上都是在建筑體形、布局方案都已經(jīng)確定之后，由建筑師做出基本的立面劃分方案，然后交給幕墻廠家來完成施工圖設(shè)計(jì)，其間主要的考慮因素是結(jié)構(gòu)安裝和防止冷橋.最后暖通設(shè)備工程師再根據(jù)廠家提供的幕墻參數(shù)計(jì)算空調(diào)負(fù)荷，所采用的方法也基本上是在傳統(tǒng)墻體房間負(fù)荷計(jì)算的基礎(chǔ)上做一些修改，因?yàn)闆]有經(jīng)驗(yàn)經(jīng)常設(shè)定很高的安全系數(shù)，導(dǎo)致大量能源鋪張.在這樣的設(shè)計(jì)過程中，假如建筑師對(duì)DSF沒有比較深人的了解，缺乏建筑節(jié)能整體設(shè)計(jì)謀略，就不可能真正施展出DSF的上風(fēng).相反，海內(nèi)外一些成功的案例，好比法蘭克福貿(mào)易銀行、位于波恩的DeutschePost以及海內(nèi)剛建成的清華大學(xué)超低能耗樓，恰是從建筑方案設(shè)計(jì)階段開始就把圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有機(jī)地考慮進(jìn)去，逐步深人發(fā)展，終極把DSF的節(jié)能和生態(tài)上風(fēng)充分施展出來.
可見，為了避免損失，海內(nèi)應(yīng)盡快探索能準(zhǔn)確指導(dǎo)DSF實(shí)踐的理論和經(jīng)驗(yàn).但必需留意的是，我們不能一味沿著歐洲的研究思路.一切從傳熱機(jī)理出發(fā).這方面的研究雖然非常重要，然而海內(nèi)有能力開展這類計(jì)算、實(shí)驗(yàn)研究的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)并未幾，而且目前這些方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，尚不能知足當(dāng)前方案設(shè)計(jì)階段的需要.所以，我們必需同時(shí)探索能夠更為直接地指導(dǎo)建筑設(shè)計(jì)的方法.考慮到一般建筑師的工作和思索方式，應(yīng)該為他們提供一些比理論計(jì)算研究更為直觀的設(shè)計(jì)依據(jù)，諸如一些利便查詢的手冊(cè).其中不僅應(yīng)該比較系統(tǒng)地先容DSF節(jié)能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，還應(yīng)總結(jié)歸納已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和科研成果，以圖表的形式直觀表達(dá)，使建筑師從一開始就可以根據(jù)項(xiàng)目所處地輿位置、天氣前提、建筑規(guī)模和用途、建筑平面布局和使用情況等因素來判定DSF的合用程度和公道的方案.此外，對(duì)以往相關(guān)作品的方案發(fā)展過程、DSF和建筑整體生態(tài)策略的配合，以及及得失之處的分析點(diǎn)評(píng)也是啟發(fā)和指導(dǎo)建筑師構(gòu)思的最有效的方法之一.做這件工作不僅要收集良多案例資料，做一些基本的分類和總結(jié)，還需要充分考慮到現(xiàn)有理論和實(shí)驗(yàn)研究取得的成果，用準(zhǔn)確的理論來分析經(jīng)驗(yàn)事實(shí)才能得到可托結(jié)論.
筆者以為，針對(duì)DSF設(shè)計(jì)，建筑設(shè)計(jì)過程中的三個(gè)階段（方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)）應(yīng)該各自有不同的任務(wù)和相應(yīng)的輔助設(shè)計(jì)手段.在方案設(shè)計(jì)階段，因?yàn)橐汛_定的建筑信息非常有限，應(yīng)主要依據(jù)其他工程經(jīng)驗(yàn)和理論研究的基本結(jié)論，再結(jié)合詳細(xì)的天氣和周邊環(huán)境做出初步判定，結(jié)合建筑室內(nèi)空間組織整體考慮，同時(shí)利用粗拙的模型開展模擬計(jì)算以輔助淘汰和選擇方案；在初步設(shè)計(jì)階段，建筑的基本尺寸、結(jié)構(gòu)和空調(diào)形式有待確定，可以對(duì)既有的幾個(gè)方案與HVAc（HeatinVentilationandAirConditioning暖通及空調(diào)）系統(tǒng)組合，進(jìn)行全生命周期經(jīng)濟(jì)分析和全年能耗分析，選擇最佳組合方案，方法主要是CFD和能耗模擬軟件，對(duì)于重要建筑還應(yīng)該進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和幕墻足尺實(shí)驗(yàn)；最后在施工圖設(shè)計(jì)階段，主要任務(wù)是深人優(yōu)化選定的方案，推敲尺寸設(shè)計(jì)，完成空調(diào)系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制方案，可依賴CFD模擬計(jì)算優(yōu)化DSF尺寸和出人口設(shè)計(jì)，以能耗模擬軟件輔助空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì).這樣可以使得DSF和建筑有機(jī)結(jié)合，建筑師與工程師有效合作，整個(gè)決議計(jì)劃和設(shè)計(jì)過程有章可循.
結(jié)語
我國對(duì)建筑節(jié)能的正視迫切要求能夠有效輔助雙層玻璃幕墻設(shè)計(jì)的方法，而國外目前取得的研究成果操縱起來對(duì)工程師的要求較高，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，適適用于深人發(fā)展方案的后期階段.而初期的結(jié)合建筑設(shè)計(jì)的方案比較需要更適合建筑師把握的、能更直接地指導(dǎo)工程實(shí)踐的方法.因此，在開展熱工理論、實(shí)驗(yàn)研究的同時(shí)，應(yīng)盡快開展對(duì)已有工程經(jīng)驗(yàn)的分析和總結(jié)，并針對(duì)建設(shè)項(xiàng)目在不同設(shè)計(jì)階段的特點(diǎn)和明確任務(wù)，提出可行的、真正使熱工研究成果服務(wù)于建筑設(shè)計(jì)的成果，從而保證DSF的上風(fēng)更有效地施展出來.
