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建筑双层表皮外墙的通风问题研究

华中科技大学

硕士学位论文

建筑双层表皮外墙的通风问题研究

姓名:李宏

申请学位级别:硕士

专业:建筑设计及其理论

指导教师:周卫

20041103

摘要

双层表皮外墙在上个世纪80年代就已经在欧美一些国家开始用于办公建筑,90年代在欧洲出现了大量的采用双层表皮外墙的高层建筑。然而在我国这项技术才刚刚起步,只在极少的几个大城市中的高层办公楼采用了双层玻璃幕墙。一些人认为这将是本世纪生态高层建筑中的一个重要组成构件。也有一些人持怀疑态度。但是双层玻璃幕墙可以解决高层建筑室内的自然通风,这一点在很多国外建筑中已经得到了证实。

双层玻璃幕墙是一种外墙构造,虽然它的表现形式很多,但是它的本质上通常包括外层玻璃、通风的空气间层和内层玻璃。遮阳装置设置在通风的空气间层之中。空气问层的宽度范围为100mm~2000mm。

除了玻璃的分层和遮阳设施的布置之外,双层玻璃幕墙主要以空气间层中气流状况为特征,换句话说,就是气流的驱动力和空气间层中通风的方向。由于空气间层中的气流受到很多方面因素的影响,因此为了简化间层中的通风研究,提出三个基本参数:通风类型、通风模式、通风空气间层的划分。按照通风类型将双层表皮外墙分为:气候式外墙、自然通风外墙、交互式外墙。按照通风模式将双层表皮外墙分为:供风与排风外墙、室外空气的气幕外墙、室内空气的气幕外墙。通风空气间层的分隔可以分为以下几种形式:整体式外墙、走廊式外墙、竖井.箱形外墙、箱形外墙。对于每种类型又做了进一步的适用性的讨论。最后将几种不同的分类情况做了一个整合,以便今后模拟气流的状况深入研究双层表皮外墙。

文章最后用国外一个建筑实例来讨论双层表皮外墙的通风对于室内的舒适度的影响,用一个本地的模型样品来探讨它在国内的发展状况。在这种状况下,国内的双层表皮外墙的研究与发展还任重而道远。

关键词:双层表皮外墙通风类型通风模式通风空气间层的分隔

Abstract

Since1980,thedouble-skinfagadeshavealreadybeenappliedintheofficebuildingsinoccidentcountries.Inthe1990’S,anumberofdouble—skinfacadeshassteadilybeenincreasinginhigh—risebuildings.WhilethistechnologyisjustunderwayinChina,thatthereareonlyveryfewofficebuildingswithdouble—skinfagadesinsomebigcities.Someconsiderthemanexpressionofmoderndesignandaforward—looking,ecologicalfaqadeconceptwitllapromisingfuture.Othersconsiderthemskeptically.Butithasbeenprovedthathi曲一risebuildings州thdouble—skinfacadesallownaturalventilationinmanyforeigncountries.一

Althou曲adual—layeredglassfagademaybeconfiguredinmanyways,itisessentiallyapairofglassskinsseparatedbyaventilatedcavityranginginwidthfi'om100mmto2000mm.

Apart丘omthelayoutoftheglassskinsandsolarshading.adouble—skinfacadeischaracterizedbytheairflowconcept.i.e.thewaytheairflowisgeneratedandthedirectionoftheventilationinthecavity.Thedoubleventilatedfagadesmaybeclassifiedinfunctionof3differentparameters:ventilationtype,ventilationmode,ventilatedcavitypartitioning.Accordingtoventilationtypedouble—skinfacadescallbeclassified:climatefaqade,naturallyventilatedfacade,interactiveNqade.Accordingtovenfilationmodedouble—skinfacadescanbeclassified:airsupplyandexhaustfagade,outdooraircurtainfagade,indooraircurtainfagade.Accordingtoventilatedcavitypartitioningdouble—skinfacadescanbeclassified:multistoryfagade,box—windowfacade,shaft-boxfacade,corridorfaqade.Theapplicabilityforeachtypeofdouble-skinfagadeisdiscussedinthispaper.Intheend,theyareintegratedinatableinordertosimulateairflowconditionandinvestigatethemdeeply.Attheendofthepaper,itisillustratedventilationofdouble—skinfacadesaffectinsidecornfort.Byalocalscalemodelthethesisdiscussitsdomesticdevelopmentcondition.Itisfoundthattheinvestigationanddevelopmentofdomesticdouble—skinfacadeshavealongwaytowalk.

Keywords:Double—skinfagadesVentilationtypeVentilationmode

Ventilatedcavitypartitioning

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名:夸宏

日期:刎年¨月弓日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密口,在——年解密后适用本授权书。

本论文属于

不保密吼

(请在以上方框内打“4”)

学位论文作者签名

日期:z一年年tI71;日指剥徽:闯P日期:洱年11月了目

1绪言

1.1研究背景

传统玻璃幕墙常常采用一层玻璃表皮作为建筑外墙。采用传统玻璃幕墙的建筑常常不可避免一些问题的出现:一方面由于高层建筑风荷载较大,幕墙通常采用封闭的形式,不能开窗,缺少可控制的通风。另一方面,由于所用玻璃的热工性能欠佳,导致难以对太阳热量实施有效控制。如果玻璃的遮光系数较高,又影响室内的天然采光。为了提高玻璃幕墙的热工性能,常常在室内一侧设置内衬墙,影响使用者观景。加之,又不能开窗通风,常常造成夏季室内温度过高,而冬季过冷的问题。传统玻璃幕墙的建筑常常在室内采用全空调,由此产生了一种新的病症“建筑厌烦综台症”。使用者不能根据自己个人的要求,调整局部的室内气候。

传统玻璃幕墙存在的最主要的问题,使建筑师面临着两个主要的挑战:

(1)解决室内自然通风问题,尤其是高层建筑室内的自然通风;

(2)有效的使用遮阳设置,使其不受室外气候条件(雨、风、雪……)的影响。

双层表皮外墙给出了一种解决方案。

“双层玻璃表皮……允许在大风的环境中进行自然通风,尤其是高层建筑的上部楼层。这种类型在欧洲最流行,能使得使用者可以控制他们自己的工作环境,有助于排解‘建筑厌烦综合症’,这种病症是由于过度依赖空调所导致的。……根据环境工程师的某些估计,某些类型的通风表皮显示节约建筑运行能耗30%~50%。”[LangandHerzog]t1】

~般来说,双层表皮外墙可以有效的保护遮阳系统和内层表皮,使其免受室外气候的影响(风、雨、雪……)。同时有隔声的作用。它还可以吸收太阳热量,减少室内向室外的热损失,减少建筑对于采暖与制冷的负荷要求,起到热量缓冲层的作用。采用双层表皮外墙使得自然通风成为可能,可以实现较好的天然采光。使得使用者在一定程度上可以自己控制局部的环境。因此很多人坚信如果建筑采用双层表皮外墙,就可以节约能源、降低建筑在使用年限中的总成本。但是双层表皮外墙的节能与降低造价的具体状况还缺少足够的数据证明。因此关于双层表皮外墙节能与经济的问题还有待进一步的实践证明,本文不涉及该方面。

1.2研究综述

由于双层表皮外墙的上述优点,加上目前人们能源意识的提高,出于多方面考虑,在欧美各国以及一些亚洲国家例如中国、日本等国,已经开始采用双层表皮幕墙作为建筑外墙。尤其以欧洲最为流行。

在理论研究方面,英国学者EberhardOesterle编写的《双层表皮外墙:整体设计》(Double.SkinFacades:IntegratedPlanning),在国外广受好评。该书从多个角度研究了双层表皮外墙的性能、作用,很有启发性。比利时建筑研究机构也在网上发表了他们的研究方法与成果。斯堪的纳维亚地区的瑞典隆德大学(LuridUniversity)也相应成立了科研小组。

欧联盟的工程师认为,双层表皮的首要优点是隔声。设置在常规表皮的前面的第二层玻璃表皮,可以降低声级,尤其是喧哗的场所,例如在机场或交通拥挤的城市区域。其次可以解决室内的自然通风问题,即使在高层建筑中也可以开设可开启的窗进行通风,通过外层表皮上的通风口和两层表皮之间的空气间层缓冲风压,调整风速,将适当速度的风引入室内,改善室内的空气质量。

但是由于隔声与通风的处理,往往有些矛盾。内层表皮上开设较大的门窗洞口,会影响它的隔声效果,尤其是如果外部表皮上的通风口大得足以提供充分的自然通风的情况下隔声效果将大打折扣。有的双层表皮外墙完全是为了解决隔声问题而设置,例如在MichaelWigginton&BattleMcCarthy的《环境的第二表皮系统》(EnvironmentalSecondSkinSysteros)一书中所提到的作为声屏障的一种双层表皮外墙系统,类似这种情况,本文将不予以分类讨论。

1.3研究目的及意义

双层表皮外墙改善室内的空气质量,解决室内自然通风问题,使得使用者有控制开窗的可能性等,这些优点主要是通过双层表皮的空气间层中的通风来进一步实现的。换句话说,双层表皮外墙实现室内热舒适问题的关键在于两层表皮之间的空气间层的通风问题。因此,本文从双层表皮外墙的通风角度,即从双层表皮外墙的空气间层的通风的角度,定性的研究这种外墙对于建筑围护所起到的作用及外墙通风分类状况,为了今后定量的研究与实际设计应用打下基础。

本文首先给出一般的双层表皮外墙的定义。在双层表皮外墙的发展的简史中,

从研究早期的勒?柯布西埃设想用于建筑外墙,改善室内的热环境——“抵消墙”(mfirneutralisants)概念;到80年代咀后从多层发展到高层建筑,通过改善室内的通风状况来提高室内热舒适度等;高技术解决方案显得异常突出。在接下来的章节中介绍双层表皮外墙的通风类型、通风模式(气流的驱动力)与通风间层的不同分隔,来逐一分析双层表皮外墙的主要通风特点。最后以几个中、外建筑实例来具体的分析双层表皮外墙的通风对于室内热环境的改善。

2.1定义

2双层表皮外墙的定义及其发展简史

双层表皮外墙是一种外墙构造,虽然它可以表现为多种形式,但是它的本质上通常包括外层表皮、通风的空气间层和内层表皮。遮阳装置设置在通风的空气问层之中。空气间层的厚度范围从几厘米到几百厘米,其厚度和通风类型、通风模式要依据室内外气候环境状况、表皮的设计性能和包括建筑环境系统在内的建筑设计来综合考虑。玻璃表皮可以只占据建筑物的部分外墙,也可以延伸至整个建筑外立面。外层表皮和内层表皮都可以是单层玻璃或双层玻璃单元。双层表皮主要构造层经常是夹层保温玻璃,随着对于双层表皮的研究与应用的深化,它可以是常规结构墙体或幕墙的一个部分;同时附加的构造层常常采用单层玻璃,设置在主要构造层的前面或后面。

外层表皮通风的空气闻层

遮阳设施

内层袁皮

图2-1双层表皮外墙纵剖面——示意图

双层表皮外墙包括了三个主要部分:(如图2—1)

(1)主要表皮层

(2)附加表皮层

(3)空气间层

主要表皮层可以是夹层保温玻璃、常规墙体或普通玻璃幕墙。附加表皮层通常是单层平板玻璃。空气间层不包括夹层玻璃构造和气密性的透明构造。但是应注意在特定的解决方案中,空气间层可以是关闭的,以避免通风。(相关内容在P21~22中有所论及)

风速较大的问题——设置双层玻璃表皮。建筑外墙采用双层玻璃表皮系统,双层玻璃表皮之间留出250ram宽的空气间层。这个外墙系统底部的开口主要是为了系统的维护而设置的,也可以用于空气间层与室外之间的通风。该建筑设计是成功的,目前还在使用中。该建筑最大的特色是将当地乡土建筑中的双层窗概念扩展到外墙的设计,起到温度缓冲层的作用,以达到冬季室内较好的热环境。

图2-2晓i图)1903年史泰福工厂(SteiffFactory)图2-3(右图)勒-柯布两埃的难民中心(重建)双层表皮系统抵消墙(mfirneutralisants)1929年勒?柯布西埃在巴黎设计建造了难民中心。勒?柯布西埃在最初方案中建议采用两套互补的建筑系统:一套系统用来产生他所谓的“精密呼吸(respirationexacte)”(~套精确控制的机械通风系统),另一套是“抵消墙(mdrneutralisants)”。他说这种的发明,在遭受任何室外影响的情况下,室内保持空气温度在18"C以下。这些外墙设想是由玻璃、石材和混合材料组合而成的一种双层薄膜,薄膜之间有几个厘米的空气间层……空气间层环绕着建筑的底部、墙体表面、屋顶平台上面。为了采暖和制冷另外安装一套暖通设备系统,包括两个风扇,封闭的回路中一个吹风、一个吸气。两层薄膜之间的狭窄空气间层中,如果是在莫斯科,吹的是灼热的空气,如果在达喀尔(塞内加尔首都),吹的是冰冷的空气。但其效果都是我们可以控制的,所以内层薄膜内表面温度始终保持在18℃。“抵消墙(mfirneutralisants)”这个概念,勒?柯布西埃认为在表皮的空气间层中通过温度为室温的空气的循环,抵消掉该空气间层的热传递损失与热量吸收。这就是勒?柯布西埃所提议的安装在难民中心的“抵消墙mfirneutralisants”的基本原理。

该建筑的双层玻璃表皮外墙设计并未只是停留在图纸设计中,甚至还由法国圣戈班(SaintGobain)的玻璃加工厂于1931年建立的试验室进行一些实验。检测工程师总结的实验的结果是:外墙系统需要第三层玻璃来形成静止空气层,才能使得系统可行。最终,勒?柯布西埃未能实现这个设想。加热或冷却空气间层中空气,使其在

改变住宅门窗布置以增加热舒适性。气流窗的主要组成部分是有通风的空气间层的两层平板玻璃,它可以减小能源负荷、提高能源效率。1957年在瑞典产生了第一个关于气流窗的专利。1967年,EKONO公司在芬兰首都赫尔辛基建造了第一个采用气流窗的办公楼——该市建筑施工管理部门的办公楼。在1973年能源危机时,气流窗系统的节能潜力在很多建筑中得到应用,其中多数为办公建筑。美国的第一个气流窗建于1980年俄勒冈州波特兰的一个办公建筑中。

采用双层表皮外墙的多层建筑1973年和1979年能源危机,使人们加强了环境意识,突然间能源效率和热舒适性不再是仅在北欧由于当地气候寒冷而为人们所关注。在到70年代后期和80年代早期,欧洲的其它地方,有些建筑项目开始考虑采用机械通风的双层玻璃表皮外墙。少数著名建筑设计,开始展开对于多层表皮外墙改善室内环境能力的实践研究。

布拉克科夫大楼最初的目的是减少冬季的传热损失,减少夏季太阳热量吸收。一个早期的实例是1975年在英国Paerbomugh的英国食糖公司大楼的外墙。这个表皮外墙作为1984年在英格兰伦敦附近的法恩伯勒(Famborou出)的一个著名的布拉克科夫(Bfiarcfiff)大楼,也称为菜斯利和戈德温办公楼(OfficesofLesfieandGodwin)的范例。后者得到了流行建筑文化的关注,随后成为很多建筑师仿效的范例。英国奥帕联合体(AmpAssociates)设计的布拉克科夫大楼是第一批通风双层表皮外墙建筑的著名实例之一。它是在空气间层中采用采用机械通风的整体式双层表皮外墙,与通风系统相互结合,控制室内湿度和空气质量,将废气经外墙的空气间层,回收至屋顶的热量再利用系统。

该建筑的双层表皮外墙在起到温度缓冲层,调节室内热环境作用的同时,可以回收废气中的热量,节约采暖能耗。这是初期双层表皮所不具备的。

图2-5布拉克科夫大楼,法恩伯勒,1984

建筑名称地点

建筑师外墙类型布拉克科夫大楼(BdarcliffHouse)法恩伯勒(Farnborough)

英国奥帕联台体(ArupAssociates)整体式双层表皮外墙——机械通风空气间层厚度:150mm

胡克办公大楼1978年~1980年,坎农建筑设计事务所(HOKCannonDesigninassociationwithHOK)在纽约的尼亚加拉瀑布设计了西方化工中心大楼,又称为胡克大楼(OccidentalChemicalCentre/HookerOfficeBuilding)。这是北美第一个采用双层表皮外墙的实例,可能是多层或双层表皮建筑的先驱之一,在通风方面结合了勒?柯布西埃的想法。该建筑采用了两套空气处理系统:一套用于室内空间调节室温;另~套用于建筑外墙,从空气间层中抽出空气。双层表皮都是封闭的,两层之间形成了一个温度缓冲层——为建筑内部提供温度缓冲。

该建筑在双层表皮外墙的空气间层中采用了自然通风的方式,在前人的基础上又有了进一步的发展。

建筑名称地点

建筑师外墙类型图2-6纽约的尼亚加拉瀑布的胡克大楼

西方化工中心(胡克大楼)

纽约的尼亚加拉瀑布

坎农建筑设计事务所

整体式双层表皮外墙——自然通风

空气间层厚度:1200mm

采用双层表皮外墙的高层建筑进入上个世纪90年代,两个方面的因素影响着双层表皮外墙发展。对于环境的关注目益增长开始影响建筑设计,不仅从技术方面,而且还作为~个行政上的干预。在建筑界,造成了一片“绿色建筑”的美丽景象。

快速发展的硬件和软件为高度复杂的外墙设计提供了物质手段。这些因素使得双层

表皮外墙在理论上可以适用于高层建筑,同时在物质上人们给予其高额的预算,要求其达到舒适的室内环境。此外采用双层表皮外墙,~方面因为一些高层建筑要求满足局部舒适感,而且这种要求还有日益增长的趋势。另一方面双层表皮外墙即使在高层建筑的强风条件下,也可以开窗。因此在欧洲的一些国家越来越多的将双层表皮外墙应用于高层办公建筑。

两个非常引人注意的实例是:由英恩霍文?欧文迪克建筑设计事务所(Ingenhoven,OverdiekKahlen)和他们的合伙人设计的RWEAG总部,以及由福斯特和他的合伙人设计的德国法兰克富商业银行大厦,都是于1997年在德国完成。

图2?7RWEAG总部图2-8德国法兰克富商业银行大厦RWEAG总部

建筑名称

地点

建筑师

外墙类型

Commerzbank总部建筑名称

地点

建筑师

外墙类型

RWEAG总部

德国,埃森

荚恩霍文?欧文迪克建筑设计事务所

双层表皮外墙

空气间层厚度:500ram(20英寸)

商业银行

德国法兰克福

福斯特及其合伙人

双层表皮外墙——箱形窗

空气间层厚度:165mm(7英寸)

10

小结:

从乡土建筑中的不通风的双层窗,扩展到不通风的双层表皮外墙,从双层窗的不能通风,发展到利用通风的双层窗解决冬季室内通风问题;从利用机械通风的双层表皮外墙缓冲室内外温差,发展到利用自然通风的双层表皮起到温度缓冲层的作用:从应用于多层建筑,发展到应用于高层建筑——双层表皮外墙一路走来,贯穿始终的是它空气间层中的气流的认识、研究和利用——通过问层中的通风改善室内的热舒适。

3双层表皮外墙中空气间层的通风参数3.1构件组成与通风参数

3.1.1构件组成

55

3救层表皮外墙的组成

1.外层表皮

2.内层表皮

3.通风的空气间层

4.遮阳设施

5.通风口

6.回流管道

图3-1双层表皮外墙术语应用以及自然通风(左)与机械通风(右)的双层表皮外墙实例术语:

1,外层表皮2.内层表皮3.通风的空气间层4.遮阳设施5.通风口6.回流管道根据通风模式(气流的形成原因,即驱动力),双层表皮外墙包括5或6个组成部分(图3—1)。外层表皮系统通常是全玻璃的。内层表皮可以由不透明的墙体和可以开启的窗组成,全玻璃的内层表皮也很流行。图3.1右图是机械通风的双层表皮外墙设计实例。一般它的内层表皮上设置有以清洁或通风为目的的门窗。通常空气间层中通风模式将直接影响墙体的热阻。

如果利用室外空气进行通风,夹层保温玻璃将设置在内层表皮(图3一l左图),而单层玻璃将用于外层表皮。如果利用室内空气形成空气间层中的气流(图3-1右图),玻璃的位置将与前者相反。正如定义中所提及的,双层表皮外墙的特点体现在通风的间层。将遮阳设施设置在问层中,可以避免室外自然气候对其的影响,但是遮阳设施对于空气间层中的通风影响不大。有时也可以在空气间层中设置感光或

?混合通风:自然通风+机械通风

空气间层可以采用自然通风、受迫通风或混合通风。通风类型的考虑对于确定空气间层中的对流状况是非常重要的,而对流状况又会影响室内向室外的传热损失,影响室内的热环境。而且驱动力选择还决定了间层中气流的连续性和可控制性,这将影响室内的自然通风。

3.2.1受迫通风——机械通风

典型的常规办公建筑是采用封闭的围护结构,其内部习惯于采用机械采暖、通风和空调系统(HvAC)。这种机械的暖通(HVAC)系统可以维持相当恒定的热环境,可以应用于任何地理位置。但是暖通系统所消耗的能量,在美国占大约25%左右的商业建筑电力消耗f2】。而我国上海1999年公共建筑能耗结构中暖通系统约占电力消耗35%,是除照明以外第二个能耗大户。f3]

由于机械通风消耗的能源太多,机械通风只用于当自然驱动力(热压)变得不足以实现所要求的气流时才采用。它是由风扇引发气流即生成。这种通风类型在双层表皮外墙中很少单独采用,它的空气闻层经常与暖通(HVAC)系统结合在一起,但是最好还是在空气间层中设置小型的内置式风扇。机械通风的外墙空气间层中的气流比自然通风的各种变体的更容易控制。

图3—2(左图)机械通风实例图3-3(右图)双层表皮外墙空气间层中的机械通风机械通风外墙通常在外层表皮上不装配进风口,大多数时候双层表皮外墙仅仅有一种通风模式(见图3-3),即室内空气的气幕。室内空气在机械通风系统的驱动下,进入空气间层,在间层中升温、上升,由间层中内置的小型风扇进一步驱动,回流至空气间层顶部的暖通系统,回收热量以便再利用。

图3_4双层表皮外墙空气间层中的混合通风

混合式通风指的是自然(被动的)通风和机械(主动的)通风相互结合的通风手段,它是自然通风和机械通风按照控制要求相结合,其中尽可能多的利用自然通风。在传统的空调建筑中的整合被动式自然通风的概念已经从欧洲到北美的建筑行业中得到认可。这种系统已经在英国使用了超过20年。

主要技术手段

混合模式常常结合地板或顶棚的通风系统,向室内供给来自空气间层中的空气,保证新鲜空气的良好配送;或将室内废气以机械通风的方式排放至空气间层。空气在空气问层中上升,从间层中带走热量,继续上升、排至室外大气或进入通风系统回收热量。

图3-5热量排出图3-6余热回收由于混合通风是在自然通风的基础上,在空气间层中增加了风扇、鼓风机等设备来加以辅助,因此这种空气间层的通风类型的适用范围比自然通风更为广泛。它不再要求建筑表皮上一定要设景排风口,将废气排向大气(自然通风却必须如此,烟囱效应所导致)。

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