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【摘要】：介绍了呼吸式双层玻璃幕墙的原理，并以封闭式内循环体系为例，阐述了呼吸式双层玻璃幕墙的应用。对青岛麒麟大厦的呼吸式双层玻璃幕墙进行热工计算，指出在寒冷地区呼吸式双层玻璃幕墙能够更好地提供夏季隔热和冬季保温，
【关键词】：呼吸式双层玻璃幕墙，寒冷地区；热通道，热工计算
一、引言
随着世界范围内环境、能源问题突显，人们更加重视保护环境和节约能源。呼吸式双层玻璃幕墙作为气候适应性的技术手段既能解决玻璃幕墙自身的能耗问题，又能很好地解决建筑美观问题。20世纪80年代后，在高纬度的欧洲尤其是德国，经过大量的实践和实验探索，呼吸式双层玻璃幕墙得到迅速发展。90年代中期以后，呼吸式双层玻璃幕墙在不同气候地区的各种建筑中得到积极地、广泛地运用。如： 德国技术和能源中心（1999-2000）、日本仙台艺术中心（2000）等。近几年，呼吸式双层玻璃幕墙技术陆续在中国出现。如： 江苏人寿保险大厦、北京万达广场等。
二、双层呼吸式幕墙的技术及原理
双层呼吸式幕墙主要是由内外两层玻璃幕墙组成，两层幕墙中间形成一个通风换气层（热通道），同时外层幕墙设置进风口和出风口，通过控制热通道的开合以及对内、外幕墙材料的选择，达到节能通风的目的。根据通风结构不同可分为封闭式内循环体系和敞开式外循环体系两种类型。
2.1封闭式内循环体系的工作原理 封闭式内循环体系通常在冬季较为寒冷的地区使用。其外层玻璃幕墙一般为全封闭，内层玻璃幕墙下部设有通风口。通风换气层与室内吊顶内暖通系统抽风管相通，室内空气通过内层玻璃下部的通风口进入换气层，通过强制性空气流动循环，使内侧幕墙表面温度达到或接近室内温度，从而在靠近玻璃幕墙附近区域形成良好的工作环境，达到节能效果。外层玻璃幕墙一般由断热型材与中空玻璃组成，其内层一般为单层玻璃组成的玻璃幕墙或可开启窗，以便对外层幕墙进行清洗。整体式两层幕墙之间的通风换气层在100mm--200mm之间。
2.2 敞开式外循环体系的工作原理 敞开式外循环体系在外层玻璃幕墙上下两端设有进风和排风装置，与热通道相连，通风换气层内可以设置可调控的百叶，可有效调节日照遮阳。夏季，打开通风换气层上下两端的进排风口，通道内的空气受到太阳的加热温度升高，形成“烟囱效应”。空气从外层幕墙底部的进风口进入，沿着幕墙之间的热通道上升，从外层幕墙顶端的出风口排出。气流运动带走通道内的热量，降低内侧幕墙外表面的温度，减少空调负荷，节省能源。冬季，关闭上下两端的进排风口，通风换气层内的空气成为密闭气流。太阳光照射进外层玻璃幕墙，加热空气层，形成“温室效应”，降低了内层幕墙两侧的温差，起到保温作用。夜晚，空气层所积蓄的热量缓慢的释放，使室内温度不会骤降。外层玻璃幕墙一般采用透过率较强的单层玻璃和非热阻型型材，内层玻璃采用中空玻璃或断热型型材。这样太阳光和能量可以比较容易地通过外层玻璃幕墙，加热幕墙间的通风换气层。内层玻璃采用的材料，使空气层能够形成有效的缓冲区，形成保温隔热的性能，减少建筑物采暖运行费用。
两种循环式双层幕墙各有优劣，外循环时更加节能环保，但造价更加昂贵，对室外空气质量要求较高，不太适用于冬季寒冷地区，同时需要较大通道空间尺寸以保证定期的清洁维护，避免大量积尘及昆虫吸附在通道内而影响外观效果。
三、青岛麒麟大厦内循环双层幕墙体系的热工计算
根据中国建筑热工设计分区图GB50176-93，青岛属于寒冷地区。根据《建筑热工设计要求》第3.1.3条 寒冷地区的建筑应以满足冬季保温设计要求为主，适当兼顾夏季防热。
青岛麒麟大厦工程建筑面积40000m2，主体高度 91.9m， 楼高35层，标准层层高为3.9m，是一幢多功能综合建筑。幕墙面积18800m2，采用封闭式内循环双层幕墙体系。
3.1 基本资料（表1）
3.3 标准层双层内循环幕墙面积（表3）
3.4热通道内空气流速计算
根据《公共建筑节能设计标准》高档办公室人均占有的使用面积为8 m2，写字楼部分的新风量为30m3/h.人。麒麟大厦标准层办公面积约为1100m2，则需要的最少新风量为1100×0.125×30=4125m3/h，实际新风量要大于此数值，它的80%就是双层幕墙的排气量4125×80%=3300 m3/h。
通过查阅前人实验研究结果并参考工程实例，可以看出双层幕墙的热工性能与热通道宽度影响不大，主要应考虑结构受力的需要和幕墙构造设计的需要，所以幕墙热通道宽度选择200mm。
热通道空气流量为3300m3/h的风速：
V=Q/（3600LB）=0.05m/s
V---热通道内空气流速，m/s
Q---双层幕墙的通风量，m3/h
L---双层幕墙长度，75m
B---热通道宽度，0.2m
四、石材幕墙热工计算
4.1 竖向装饰石材热工计算
本项目幕墙设计中石材幕墙所占比例较大，标准层石材幕墙面积约为131.35m2，石材幕墙需要做保温，降低传热系数，才能达到隔热保温的效果。保温材料采用50mm厚聚苯乙烯泡沫塑料板，导热系数为0.03W/（m2.k），传热系数为0.6 W/（m2.k），石材幕墙的热工计算如下。
4.1.1 夏季通过石材幕墙进入室内的热量
QW=UF（t0-ti）
U---石材幕墙的传热系数，W/（m2.k）
F---石材幕墙面积，m2
t0----室外空气温度，°C
ti-----室内空气温度，°C
U=1/（1/ he+1/ ht +1/ hi）
he---石材幕墙的外表面传热系数，取17.79 W/（ m2.k）
ht---石材幕墙的传热系数，0.6 W/（m2.k）
hi---石材幕墙的内表面传热系数，取8 W/（m2.k）
U=1（1/17.79+1/0.6+1/8）=0.54
标准层通过石材幕墙传热引起的空调负荷（表4）
4.1.2 冬季通过石材幕墙流出室外的热量
4.2 横向层间幕墙热工计算
幕墙设计中层间幕墙采用单层彩釉玻璃加保温材料组成。根据《公共建筑节能设计标准》规定，寒冷地区不透光幕墙传热系数应小于0.6 W/（m2.k）。层间幕墙的热工计算如下。
4.2.1 夏季通过层间幕墙进入室内的热量
标准层通过层间幕墙传热引起的空调负荷（表6）
4.2.2 冬季通过层间幕墙流出室外的热量
标准层通过层间幕墙传热引起的空调负荷（表7）
五、结论
本计算结果可以作为双层幕墙设计、暖通空调设计的参考资料，但双层幕墙的实际热工性能还需要结合工程实际选材情况来定。
采用双层幕墙的节能效果十分显著，比单层幕墙采暖制冷节能约40%。目前国内内循环呼吸式双层幕墙的成本比采用单层幕墙的成本要高，但从各项能源费用日趋大幅上涨的趋势来看，其节能经济效益是明显的，也是可行的。
德国是呼吸式双层幕墙建筑的先驱，近几年我国部分城市也陆续出现了呼吸式双层幕墙建筑。不同的幕墙结构有着各自的优缺点，适用于不同的建筑需要。为了提高幕墙的节能性能，必须结合工程实际考虑不同措施。
参考文献：
[1]赵西安。双层通风幕墙的构造及工程应用【J】，建筑技术，2002，33（9）：651-655
[2]尚新峰。玻璃幕墻节能措施及发展方向【J】.牡丹江师范学院学报（自然科学版），2007（3）：21-22
[3]王振。夏热冬冷地区双层皮玻璃幕墙的气候适应性设计策略研究。优秀硕士学位论文，2005
[4]谭哲。节能舒适的双层呼吸式幕墙【J】，建筑学报，2005（10）：79-82。
【关键词】：呼吸式双层玻璃幕墙，寒冷地区；热通道，热工计算
一、引言
随着世界范围内环境、能源问题突显，人们更加重视保护环境和节约能源。呼吸式双层玻璃幕墙作为气候适应性的技术手段既能解决玻璃幕墙自身的能耗问题，又能很好地解决建筑美观问题。20世纪80年代后，在高纬度的欧洲尤其是德国，经过大量的实践和实验探索，呼吸式双层玻璃幕墙得到迅速发展。90年代中期以后，呼吸式双层玻璃幕墙在不同气候地区的各种建筑中得到积极地、广泛地运用。如： 德国技术和能源中心（1999-2000）、日本仙台艺术中心（2000）等。近几年，呼吸式双层玻璃幕墙技术陆续在中国出现。如： 江苏人寿保险大厦、北京万达广场等。
二、双层呼吸式幕墙的技术及原理
双层呼吸式幕墙主要是由内外两层玻璃幕墙组成，两层幕墙中间形成一个通风换气层（热通道），同时外层幕墙设置进风口和出风口，通过控制热通道的开合以及对内、外幕墙材料的选择，达到节能通风的目的。根据通风结构不同可分为封闭式内循环体系和敞开式外循环体系两种类型。
2.1封闭式内循环体系的工作原理 封闭式内循环体系通常在冬季较为寒冷的地区使用。其外层玻璃幕墙一般为全封闭，内层玻璃幕墙下部设有通风口。通风换气层与室内吊顶内暖通系统抽风管相通，室内空气通过内层玻璃下部的通风口进入换气层，通过强制性空气流动循环，使内侧幕墙表面温度达到或接近室内温度，从而在靠近玻璃幕墙附近区域形成良好的工作环境，达到节能效果。外层玻璃幕墙一般由断热型材与中空玻璃组成，其内层一般为单层玻璃组成的玻璃幕墙或可开启窗，以便对外层幕墙进行清洗。整体式两层幕墙之间的通风换气层在100mm--200mm之间。
2.2 敞开式外循环体系的工作原理 敞开式外循环体系在外层玻璃幕墙上下两端设有进风和排风装置，与热通道相连，通风换气层内可以设置可调控的百叶，可有效调节日照遮阳。夏季，打开通风换气层上下两端的进排风口，通道内的空气受到太阳的加热温度升高，形成“烟囱效应”。空气从外层幕墙底部的进风口进入，沿着幕墙之间的热通道上升，从外层幕墙顶端的出风口排出。气流运动带走通道内的热量，降低内侧幕墙外表面的温度，减少空调负荷，节省能源。冬季，关闭上下两端的进排风口，通风换气层内的空气成为密闭气流。太阳光照射进外层玻璃幕墙，加热空气层，形成“温室效应”，降低了内层幕墙两侧的温差，起到保温作用。夜晚，空气层所积蓄的热量缓慢的释放，使室内温度不会骤降。外层玻璃幕墙一般采用透过率较强的单层玻璃和非热阻型型材，内层玻璃采用中空玻璃或断热型型材。这样太阳光和能量可以比较容易地通过外层玻璃幕墙，加热幕墙间的通风换气层。内层玻璃采用的材料，使空气层能够形成有效的缓冲区，形成保温隔热的性能，减少建筑物采暖运行费用。
两种循环式双层幕墙各有优劣，外循环时更加节能环保，但造价更加昂贵，对室外空气质量要求较高，不太适用于冬季寒冷地区，同时需要较大通道空间尺寸以保证定期的清洁维护，避免大量积尘及昆虫吸附在通道内而影响外观效果。
三、青岛麒麟大厦内循环双层幕墙体系的热工计算
根据中国建筑热工设计分区图GB50176-93，青岛属于寒冷地区。根据《建筑热工设计要求》第3.1.3条 寒冷地区的建筑应以满足冬季保温设计要求为主，适当兼顾夏季防热。
青岛麒麟大厦工程建筑面积40000m2，主体高度 91.9m， 楼高35层，标准层层高为3.9m，是一幢多功能综合建筑。幕墙面积18800m2，采用封闭式内循环双层幕墙体系。
3.1 基本资料（表1）
3.3 标准层双层内循环幕墙面积（表3）
3.4热通道内空气流速计算
根据《公共建筑节能设计标准》高档办公室人均占有的使用面积为8 m2，写字楼部分的新风量为30m3/h.人。麒麟大厦标准层办公面积约为1100m2，则需要的最少新风量为1100×0.125×30=4125m3/h，实际新风量要大于此数值，它的80%就是双层幕墙的排气量4125×80%=3300 m3/h。
通过查阅前人实验研究结果并参考工程实例，可以看出双层幕墙的热工性能与热通道宽度影响不大，主要应考虑结构受力的需要和幕墙构造设计的需要，所以幕墙热通道宽度选择200mm。
热通道空气流量为3300m3/h的风速：
V=Q/（3600LB）=0.05m/s
V---热通道内空气流速，m/s
Q---双层幕墙的通风量，m3/h
L---双层幕墙长度，75m
B---热通道宽度，0.2m
四、石材幕墙热工计算
4.1 竖向装饰石材热工计算
本项目幕墙设计中石材幕墙所占比例较大，标准层石材幕墙面积约为131.35m2，石材幕墙需要做保温，降低传热系数，才能达到隔热保温的效果。保温材料采用50mm厚聚苯乙烯泡沫塑料板，导热系数为0.03W/（m2.k），传热系数为0.6 W/（m2.k），石材幕墙的热工计算如下。
4.1.1 夏季通过石材幕墙进入室内的热量
QW=UF（t0-ti）
U---石材幕墙的传热系数，W/（m2.k）
F---石材幕墙面积，m2
t0----室外空气温度，°C
ti-----室内空气温度，°C
U=1/（1/ he+1/ ht +1/ hi）
he---石材幕墙的外表面传热系数，取17.79 W/（ m2.k）
ht---石材幕墙的传热系数，0.6 W/（m2.k）
hi---石材幕墙的内表面传热系数，取8 W/（m2.k）
U=1（1/17.79+1/0.6+1/8）=0.54
标准层通过石材幕墙传热引起的空调负荷（表4）
4.1.2 冬季通过石材幕墙流出室外的热量
4.2 横向层间幕墙热工计算
幕墙设计中层间幕墙采用单层彩釉玻璃加保温材料组成。根据《公共建筑节能设计标准》规定，寒冷地区不透光幕墙传热系数应小于0.6 W/（m2.k）。层间幕墙的热工计算如下。
4.2.1 夏季通过层间幕墙进入室内的热量
标准层通过层间幕墙传热引起的空调负荷（表6）
4.2.2 冬季通过层间幕墙流出室外的热量
标准层通过层间幕墙传热引起的空调负荷（表7）
五、结论
本计算结果可以作为双层幕墙设计、暖通空调设计的参考资料，但双层幕墙的实际热工性能还需要结合工程实际选材情况来定。
采用双层幕墙的节能效果十分显著，比单层幕墙采暖制冷节能约40%。目前国内内循环呼吸式双层幕墙的成本比采用单层幕墙的成本要高，但从各项能源费用日趋大幅上涨的趋势来看，其节能经济效益是明显的，也是可行的。
德国是呼吸式双层幕墙建筑的先驱，近几年我国部分城市也陆续出现了呼吸式双层幕墙建筑。不同的幕墙结构有着各自的优缺点，适用于不同的建筑需要。为了提高幕墙的节能性能，必须结合工程实际考虑不同措施。
参考文献：
[1]赵西安。双层通风幕墙的构造及工程应用【J】，建筑技术，2002，33（9）：651-655
[2]尚新峰。玻璃幕墻节能措施及发展方向【J】.牡丹江师范学院学报（自然科学版），2007（3）：21-22
[3]王振。夏热冬冷地区双层皮玻璃幕墙的气候适应性设计策略研究。优秀硕士学位论文，2005
[4]谭哲。节能舒适的双层呼吸式幕墙【J】，建筑学报，2005（10）：79-82。