一、序言
建筑節(jié)能與環(huán)保是目前人類面臨的重大課題。建筑幕墻作為建筑的外圍護結(jié)構(gòu)，其熱工性能直接影響到建筑能耗。普通玻璃幕墻雖然在熱工性能方面比過去的門窗有較大改善，但是仍然存在能耗較大的問題。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，雙層動態(tài)節(jié)能幕墻以其科學(xué)的結(jié)構(gòu)、完善的功能和環(huán)保節(jié)能的設(shè)計理念受到人們的青睞，具有極大的市場前景。然而，面對這樣的市場需求，國家相關(guān)規(guī)范和標準相對滯后，尤其是國家現(xiàn)行標準《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》中對厚度在60mm以上的空氣層熱阻值沒有準確的規(guī)定和計算方法，給設(shè)計帶來不便，使設(shè)計師無法準確定量描述雙層動態(tài)幕墻熱工性能指標，在一定程度上影響了這種節(jié)能產(chǎn)品的推廣使用。針對這種情況，本文重點研究了密閉空氣層熱阻的計算方法，解決了雙層動態(tài)幕墻冬季熱阻計算的準確性問題，從而起到指導(dǎo)設(shè)計的作用，讓人們更方便的了解雙層動態(tài)幕墻在環(huán)保節(jié)能方面的優(yōu)勢，達到推動這種環(huán)保節(jié)能型產(chǎn)品快速應(yīng)用的目的。
二、雙層動態(tài)節(jié)能幕墻幕墻結(jié)構(gòu)及功能
2.1系統(tǒng)分類及構(gòu)成
雙層動態(tài)節(jié)能幕墻按通風(fēng)原理可分為自然通風(fēng)系統(tǒng)和強制通風(fēng)系統(tǒng)兩大體系。按通風(fēng)路徑可分為整面式、廊道式、通道式和箱體式四種結(jié)構(gòu)。從節(jié)能環(huán)保角度來說，自然通風(fēng)系統(tǒng)更具發(fā)展前景。
雙層動態(tài)節(jié)能幕墻構(gòu)造由外層幕墻、內(nèi)層幕墻、遮陽裝置、進風(fēng)裝置、出風(fēng)裝置組成，內(nèi)外層幕墻之間形成空氣緩沖區(qū)。
2.2雙層動態(tài)節(jié)能幕墻主要功能
雙層動態(tài)節(jié)能幕墻主要功能可概括為防塵通風(fēng)功能、保溫隔熱功能、合理采光功能、隔聲降噪功能。
三、雙層動態(tài)幕墻熱阻計算
雙層動態(tài)節(jié)能幕墻空氣緩沖區(qū)的厚度范圍可在60mm～1500mm以上，常見厚度尺寸為200～600mm，為此對這種以空氣熱壓原理和煙囪效應(yīng)為工作原理的雙層幕墻的空氣層熱阻值應(yīng)予以正確的考慮，否則就不能真實的反映雙層動態(tài)幕墻的熱工特性。目前，國家現(xiàn)行標準《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》GB50176-93上附表2.4—空氣間層熱阻值表中，對厚度在60mm以上的密閉空氣層冬季熱阻值統(tǒng)一規(guī)定為0.18 m2·K/W。大量實驗測試結(jié)果證明，這種給值不夠準確。密閉空氣間層的熱阻值在不同的條件下，與空氣層厚度δ有密切關(guān)系，可以通過熱力學(xué)理論和流體力學(xué)理論模擬計算，并用實驗數(shù)據(jù)確定調(diào)整系數(shù)，從而推導(dǎo)出不同厚度的空氣層熱阻值計算公式，方便使用。
雙層動態(tài)節(jié)能幕墻的熱阻具有特殊性，它可隨進、出風(fēng)口的開關(guān)狀態(tài)不同而有明顯變化，實現(xiàn)冬季保溫和夏季隔熱雙重功能。這也是雙層動態(tài)幕墻與傳統(tǒng)幕墻的根本區(qū)別之一。
3.1雙層動態(tài)節(jié)能幕墻熱阻計算模型建立
3.1.1模型建立
節(jié)點圖 溫度－熱阻曲線BR>3.1.2主參數(shù)及材料選擇
外層幕墻玻璃采用12mm浮法鋼化玻璃，內(nèi)層幕墻采用6+12A+6浮法中空玻璃，鋼化處理，鋁質(zhì)遮陽百葉。假定緩沖區(qū)厚度500mm。
3.2熱阻計算
3.2.1單一材料層的熱阻應(yīng)按下式計算：
R=δ/λ0 （3.1）
式中：R——材料層的熱阻，m2·K/W；
δ——材料層的厚度，m；
λ0——材料的計算導(dǎo)熱系統(tǒng)，W/（m·K）。
3.2.2密閉空氣層傳熱計算
傳熱有三種方式：導(dǎo)熱、對流、輻射。密閉空氣層傳熱過程是由一個熱表面向另一個表面以對流和輻射方式進行的，是一個復(fù)雜的綜合傳熱過程，所以，不能直接用計算其它材料導(dǎo)熱阻的方法來計算。在正常情況下，空氣層從一個壁面向另一壁面的熱流量應(yīng)按下式計算：
q＝qd+qf （3.2）
式中：q——熱流量
qd——對流分量，含對流放熱和導(dǎo)熱
qf——輻射分量
3.2.2.1對流分量qd計算：
qd=αd·△t=αd（t1-t2） （3.3）
式中：αd——對流放熱系數(shù)
t 1——空氣層熱壁溫度
t2——空氣層冷壁溫度
△t——t1-t2
實驗證明，當密閉空氣層中流態(tài)保持層流方式的臨界厚度δj：
δj=20·（△t）1/3 （3.4）
① 當空氣層厚度δ＜δj時，空氣層對流放熱系數(shù)應(yīng)按下式計算：
αd=λ/δ （3.5）
式中：αd——對流放熱系數(shù)
λ——空氣計算導(dǎo)熱系數(shù)
δ——實際空氣層厚度
結(jié)論：當空氣層δ＜δj時，密閉空氣層傳熱以導(dǎo)熱方式為主。
② 當空氣層厚度δ＞δj時，空氣層對流放熱系數(shù)應(yīng)按下式計算：
αd=2.8 ·（△t/δ）1/4 （3.6）
式中：αd——對流放熱系數(shù)
△t——空氣層兩表面溫度差
δ——實際空氣層厚度
3.2.2.2密封閉空氣層中通過空氣層傳熱的輻射分量應(yīng)按下式計算：
qf=αf·△t=αf（t1-t2） （3.7）
式中：qf——輻射分量
αf——輻射放熱系數(shù)
t1、t2——空氣層兩壁面溫度
αf=ξzC0·b·φ （3.8）
式中：ξz——折算輻射系數(shù)
C0——絕對黑體的輻射系數(shù)（C0=5.77W/ m2·K 4）
b——溫度系數(shù)
φ——輻射角度系數(shù)φ=1.0
溫度系數(shù)與空氣層表面溫度關(guān)系曲線
結(jié)論：輻射與空氣層厚度δ無關(guān)，與空氣層溫度及空氣層兩界面的材料有關(guān)。
3.2.2.3當空氣層厚度δ＞δj時，空氣層傳熱系數(shù)計算公式
q＝qd+qf （3.2）
= αd△t+ αf△t=（αd+αf）△t
令：αk= αd+αf （3.9）
αk——空氣層傳熱系數(shù)，
△t——空氣層兩界面溫差。
所以 空氣層傳熱量公式（3.2）可寫成下式：
q＝αk△t （3.10）
把公式（3.6）、（3.8）代入公式（3.9）中得
αk= αd+αf
=2.8·（△t/δ）1/4+ ξzC0·b·φ
=2.8·（△t/δ）1/4+3.8 W/m2·K
3.2.3密閉空氣層熱阻計算
通過上述計算，可得空氣層熱阻計算公式：
Rk=ζ·1/αk
式中：Rk—密封閉空氣層熱阻值，m2·K/W
αk——空氣層傳熱系數(shù)
ζ——溫差調(diào)整系數(shù)
溫差調(diào)整系數(shù)ζ
△t(℃) 12 10 8 7 6 5 4 2
ζ 0.9 1 1.05 1.08 1.10 12 1.25 1.4
3.2.4圍護結(jié)構(gòu)總熱阻應(yīng)按下式計算
R＝Ri＋ΣRx＋Ro
式中：R——圍護結(jié)構(gòu)總熱阻，m2·K/W；
Ri——內(nèi)表面換熱阻，m2·K/W；按表1.2采用；
Ro——外表面換熱阻，m2·K/W；按表1.3采用；
Rx——圍護結(jié)構(gòu)熱阻，m2·K/W；
內(nèi)表面換熱系數(shù)αi及內(nèi)表面換熱阻Ri值
表 面 特 性 αi[W/ (m2·K)] RI(m2·K/W)
墻、地面；表面平整的頂棚、屋蓋或樓板以及帶肋的頂柵h/s≤0.3 8.72 0.11
有井形突出物的頂棚、屋蓋或樓板h/s＞0.3 7.56 0.13
注：表中h為肋高，s為肋間凈距。
外表面換熱系數(shù)αo及外表面換熱阻Ro值
外表面狀況 αo[W/ (m2·K)] Ro(m2·K/W)
與室外空氣直接接觸的表面 23.26 0.04
不與室外空氣直接接觸的表面；閣樓樓板上表面不采暖地下室頂棚下表面8.145.820.120.17
3.2.5圍護結(jié)構(gòu)總傳熱系數(shù)K
K=1/R =1/（R0+ΣR+Ri）
四、冬季節(jié)能情況分析
利用上面的計算方法，可以相對準確的求出雙層動態(tài)節(jié)能幕墻的熱阻和總傳熱系數(shù)。以3.1.2條中假定的參數(shù)為例進行計算，結(jié)論證明：在使用同種玻璃時，雙層動態(tài)節(jié)能幕墻的總傳熱系數(shù)比普通幕墻的傳熱系數(shù)大約小30%。由此可見，單從傳熱角度講，在同一地區(qū)，采用同種玻璃，雙層幕墻比普通幕墻的熱傳量損失減少30%，也就是可節(jié)能約30%。為此，在有條件的地區(qū)和項目，大力推廣雙層幕墻是解決建筑節(jié)能行之有效的方法之一。
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