[文章]：略论热通道幕墙的节能和计算

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作者为中国建筑金属结构协会铝门窗幕结构会铝门窗幕墙委员专家
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略论热通道幕墙的节能和计算

－﹑热通道幕墙
热通道幕墙不同于单层结构的传统单层幕墙，综是双层结构的新型幕墙，热通道玻璃或明框玻璃墙﹑铝合金窗。内﹑层结构一般用隐框玻璃幕墙﹑明框玻璃幕墙﹑铝合金门或铝合金窗。内﹑外层结构之间分离离一个介乎室内和室外之间的中间层，形成一种通道，空气可以从下部进风口进入通道，也可以从上部出风口排出通道，空气在通道流动，导致热能在通道的流动和传递，这个中间层称为热通道，因而在国际上一般称为热通道幕墙。双层幕为墙内、外层结构都是建筑幕墙的热通道幕墙；通风幕墙，它们都是热通道幕墙中的一种。热通道幕墙于上世纪八十年代在欧美国家出现，并逐渐得到应用，在德国，应用更广。我国2001年在北京旺座中心首先采用，现已基本建成。目前南京的人寿广场、深圳的TCL大楼的热通道幕墙正在招标，我国热通道幕墙的应用方兴，发展前预期良好。
二、热通道幕墙是新型的节能幕墙
1、建筑节能是世界性大潮流和大趋势，也是中国改革和可持续发展的需要。所谓建筑节能，经历了三个发展阶段：最初仅局限于被动减少建筑能减少建筑能耗；不久改为“在建筑中保持能源”。意思是主动减少建筑能耗；近来，则普遍称作“提高建筑中保持能源利用率”，也是说，不仅要减少建筑能耗，还要积极地利用自然能，主动提高能利用的效率。
就建筑节能的意义上来讲：热通常玻璃幕墙与普通单层玻璃相比，有两方面区别，一是双层结构比单层结构降低了幕墙的平均传热系数，从而减少了能耗；二是利用太阳能在热信道产生的‘温室效应’和‘烟囱效应’。增添了冬季和夏季节能的效果。
2、适宜的室内热环境在发达国家已成为一种基本需要，我国建设全面小康的进程中，这种需要也正在日益迫切。
室内热环境是指影响人体冷热感觉的环境，影响因素主要包括室内空气温度、空气湿度、气流速度以及人体与周围环境（包括幕墙、门窗、墙壁的内表面）之间辐射换热（简称环境热辐射）。适宜的室内热环境是指室内的空气温度、湿度、气流速度、环境热辐射等因素适，使人体易于保持热平衡，从而感到舒适的环境。
空气温度、空气湿度和气流速度对人体冷热感觉能够产生影响，容易被人们感知。但环境热辐射对人体冷热感产生的影响，往往不易被人们所知。以冬季采暖为例：人们常常关注室内空气温度，而没有注意到单层幕墙或单层门窗保温不足，内表面温度过低，对人体冷热感产生的影响。实践经验诉我们：室内气温度虽然达到标准（例如16－18度），但有单层玻璃幕墙或单层玻璃窗的房间，因其保温性能不好，致使内表面温度偏低，人们仍感觉寒冷。在夏季：尽管室内温度达到标准。但有单层玻璃幕墙或单层玻璃窗的房，因其隔热性能不好，致使内表面温偏高，人们仍感觉炎热。冬季，双层结构及温室效应，使幕墙或门窗，内表面温度升高；夏季：双层结构及烟囱效应，使幕墙或门窗内表面温度降低，从而使热通道幕能改善室内的热环境。如果是智能型的热通道幕墙，还可控制室内的湿度和气流速度，既能节能，又能创造出十公适宜的室内热环境。
3、热通道幕墙是既能保温又能隔热的节能幕墙。保温通常是指冬季围护结构阻止由室内向室外传热，从而使室内保持适当温渡的能力。隔热通常是夏季围护结构隔离太阳辐射热和室外高温，从而使室内保持适当温度的能力。
我国大部分地区冬寒夏热，一月份平均气温与世界同纬度地区相比，我国东北地区约低14C，黄河中下游地区约低10C，长江以南地区约低8C，东南沿海约低5以C。而七月份的平均气温，我国绝大多数地区却要比世界同纬度地区高出1.3～2.5C。加之，热天我国整个东部地区温度都较高，使人更感难受。不仅如此，冷和热的时间相当温长，以北京为例，日平均气温低于10C的冬季，一年平均有158天；高于22C的夏季，一年平均有98天。冬季和夏季的时间加起来，一共长达8个月，因而要求建筑既要有好的保温性能又要有好的隔热性能，热通幕墙正是这种适合我国气候特点、保温和隔热性能兼优的外国护结构。
4、热通道幕墙能够保证室内有足够的新鲜代气的条件下，有良好的节能效果。人体在呼出的废气中，所含的氧气和二氧化碳与吸进的新鲜空气相比：氧气减少了20%，二氧化碳大约增加了100倍，因此，不断地供应室内新鲜空气，排出室内的污浊空气，是保证人体正常生活和身体健康的基本需要。一般认为供给人体的鲜空气量，每小时不能低于8.5立方米。我国《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》（JGJ26－95）规定，住宅建筑换气次数取每小时0.5次，与许多国家的规定一致。在建筑外围护结构中，通风过分，浪费能源，当然不好；密不透气，影响建康，更是不行。热通道幕墙的内层一般都有能够开启的门窗，外层幕墙的遮挡下、在室内环境比较恶劣的情况下都能保证内层门窗的开启，外层幕墙的进、出风口和内层门窗的开启均能控制，从而做到了既保证必要的通风、换气，又能够节约能源。
综上所述：热通道幕墙既不是忽略舒适性，片而的建筑节能，这也许在人们生活水平处于温饱阶段时是可行的不是单纯追求舒适而忽略建筑节能，发达国家在上世纪六十年代曾经实行过。而是既能保证室内适宜的热环境和舒适废，又能把降低能耗和利用太阳能有机结合的新型的节能幕墙。
　三、幕墙的传热
单层幕墙传热是在室内和室外之间直进行，而热通道幕墙传热是在室内和热通道、热通道和室外之间进行。它的传热方式，同样也有四种：
1、热辐射
热的载体由其表面以电磁波的形态透过介质进行传热为热辐射。太阳向地球的热传递就是黄型的热辐射，幕墙接受的太阳辐射热，一部分被反射，一部发被吸收，一部分透过幕墙进入室内，相对应的热能分配率、吸收率和透射率，三者的和为一。幕墙的热辐射取决于玻璃和材料的表面温度、表面粗糙度及表面黑度，可以通过技术加以控制。
2、对流传热
幕墙表面两侧由于温度差产生的空气介质的热交换称为对流传热。在对流传热中：幕墙表面温度高于空气介质，幕墙呈放热状态；反之呈吸热状态。幕墙表面的对流传热的流体介质主要是空气，而且是自然对流，因此影响对流传热的因素有：空气密度、导热系数、气流状态、材料表面形态、粗糙度以为辐射传热和对流传热之和。
3、导热
幕墙材料由其结构表面接受热能，因此两侧存在稳定的温度差，从而材料内部分子和原子产生微观运动引起的传热称为导热。幕墙结构材料的导热量与其两侧温度差、材料导热系数成正比，与材料厚度成反比。铝的导热系数是玻璃导热系数的270倍，因此热量集中通过铝框传导，形成了“冷桥”。
4、换气传热
由漏气传热和通风传热两部分构成：气流穿过幕墙结构缝隙而产生两侧空气流通引起的传热，称为漏气传热。它取决于两侧的气压差、温度差以及空气容积比热、空气密度、幕墙结构缝隙漏气量等因素。幕墙的气密性不好，缝隙漏气量大，漏气传热多，尽管传热系数小，达不到节能目的。热信道幕墙的内层结构很少用推拉门或推拉窗，因为目前我国还很难保证其良好的气密性，这不仅是温室效应要求，无论在的冬季和夏季夜晚，如果热信道幕墙的外层进、出风口关闭，外层幕墙气密性差，漏气量大，热信道的环境和幕墙室外环境差异很小，其节能效果和单层幕墙就差异很小。为了保持室内空气的新鲜度，热信道要进行必要的通风，这种通风传热控制在符合标准和合理要求的范围。
综上所述，热通道幕墙的传热是以辐射、对流、导热、换气等四种方式综合进行的，热通道幕墙的节能的计算就是这四个因素的设计计算。

   四幕墙耗能计算公式
1、幕墙单位面积总耗能量按（4 01）式计算
Q总＝Q墙＋Q通+Q漏　　　　（4 01）
Q总－单位面积平均总耗能量（W/㎡）
Q墙－单位面积幕材料单元平均耗能量（W/㎡）
Q漏－单位面幕空气渗漏平均耗能量（W/㎡）
Q通－单位面积幕墙通风换气平均耗能量（W/㎡）
2、单位面积幕墙材料单元平均耗能量按（4.02）式计算
Q墙＝（T外－Q内）
T外－室外平均计算温度（K）
T内－室内平均计算温度（K）
--传热修正系数
建议按下表取值

        幕墙朝向        屋顶
        南        东、西        北        水平
        0.80        0.90        0.95        0.96


东南和西南朝向可按南向选取，东北和西北朝向可按北向选取，其它朝向可按就近朝向选取。
Kī- 不同材料单元的平均传热系数（W/㎡·K）
Fī- 不同材料单元的面积（㎡）
3、幕墙材料单元单位面积平均传热系数按（4.03）式计算
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Kī＝1/Rī　　　　　　　（4.03）
　　　　　　　　　　　　　　　　　Rī＝R外＋R材＋R内　　　　（4.03）
Rī－平均传热阻（㎡.K/W）
R外－外表面平均换热阻（㎡.K/W）
R材－导热阻（㎡.K/W）
R内－内表面平均换热阻（㎡.K/W）
　　　　　　　R材＝ 材/ 材　　　　（4.05）
材－材料导热厚度（M）
材－单位面积和厚度的材料导热系数（W/?.K）
Kī－般采用厂家提供的数据可参照《民用建筑热工设计规范》（GB50176）的规定和数据按（4.03）式、（4.04）式、（4.05）式进行计算
4、单位面积幕墙空气渗漏平均耗能量（4.06）式计算
　　　Q漏＝（T外－T内） /F　　　　　　（4.06）
Q漏－单位面积幕墙空气渗漏平均耗量（W/㎡）
T外－外侧平均计算温度（K）
T内－内侧平均计算温度（K）
CP－空气比热容（CP＝0.28W.H/Kɡ.K）
－空气密度（Kɡ/ ）
冬天的按内侧平均计算温度值，
夏天按外侧平均计算温度取值。
W－计算风荷载（Pá）
　　　　　　　W＝ 　　　　（4.07）
WK－风荷载标准值（Pā），按《建筑结构荷载规范》（GB5009－2001）R　（7.1.1－2）式计算。
　－高度Z处的阵风系数，按《建筑结构荷载规范》（GB5009－2001）表7.5.1确定。
F－幕墙计算单元的面积（㎡）
A－幕墙计算单元位压差和小时的漏气量（m³/HPā）
        


－按《建筑幕墙空气渗透性能检方法》（GB/T15226－94）测定的漏气量（m /m.h），其含意是在10Pá压差下，试件单位长度缝隙一小时的空气漏气量。
　－试件缝隙总长度（M）
F－试件总面积（㎡）
5、单位面积幕墙通风换气平均耗能量按（4.09）式计算
Q通＝（T外－T内） /F　　　　　　（4.09）
Q通－单位面积幕墙通风换气平均耗能量（W/㎡）
T外－外侧平均计算温度（K）
T内－内侧平均计算温度（K）
    －空气比热容（CP＝0.28W.H/Kɡ.K）
ρ－空气密度（Kɡ/㎡），按内侧平均计算度取值　
N－小时换气通风次数（1/H）
V－换气通风体积
F－幕墙面积㎡
6、热通道幕墙的节能可按（4.10）式计算
rQ＝（Q单－Q热）/Q单
r单－单层幕墙单位面积总耗能量（W/㎡）
Q热－热通道幕墙单位面积总耗量（W/㎡）
热通道幕墙的温室效应和烟囱效应都需要阳光照射，由于一天中阳光照射不同，这种变动的过程不能得到确定的K值，因而采用有效值KF。它的大小取决于日照强度、日照角度及日照平均时间。国外一些试验表明，阳光照射时，K减少50%，无阳光照射时K改变很小。通风幕墙比单层幕墙的K值最多减少10%。深圳方大公司承制的国家会计学院教学楼热通道幕墙，于2001年经国家建筑工程质量监督检验中心检测，检验结论为：
幕墙透明部分的传热系数K值为0.866W/㎡.K）；
幕墙不透明部分的传热系数K值为1.14W/（㎡.K）；
幕墙平均传热系数K值为1.0W（㎡.K）
低于≤民用建筑节能设计标准（采暖居住部分）北京地区实施细则≥（DB191－602－97）中的规定值（1.16W/（㎡®K），满足北京地区的节能要求。
热通道幕墙的热工及节能的设计计算，理论方面尚需一步探讨，实验方面也尚需进一步加强。
　　
　　　　　　　（作者为中国建筑金属结构协会铝门窗幕结构会铝门窗幕墙委员专家）