生态幕墙对室内空气的净化能力详解

导语：热通道幕墙（又称气循环幕墙、呼吸幕墙、生态幕墙、绿色幕墙、健康幕墙等）是由一层外层玻璃幕墙和一层内层玻璃幕墙（或玻璃窗）组成的双层玻璃幕墙，两层玻璃幕墙之间留有一空腔（通道），这个通道称为热通道。二十世纪八十年代后期欧(美)洲出现了热通道幕墙，在德国1994--1998年为热通道幕墙发展高峰期。 德国工程师比勒菲尔德在他的文章《双层幕墙技术 一个节约能源的设计方案》中提出了热通道幕墙的设计原理。他指出：“自从1995年采暖规划生效以来，新建筑的采暖所用能量减少了30%，根据1999年制定的2000节能规则，新建筑使用的采暖能量还要再减少25~30%。这就要求建筑物减少对外散热。现代化办公楼内除了使用暖气外，内部还有取暖设施和电力消耗，因此有很大的节能潜力。 出于这种原因，节能型幕墙与建筑技术紧密结合的设计方案就有了极其重要的意义，能量使用要尽量减少，同时又要让人住得舒适，这样双层幕墙将会起到重大的作用。这是一种特别的幕墙结构，它在一个传统的幕墙外再增加一层玻璃幕墙，通过幕墙的通风设备的开关可使双层幕墙中间进入或逸出空气，开窗后房间可进行自然通风，幕墙中间的遮阳装置可减少气候的影响，并且不妨碍玻璃幕墙的外观效果。 双层幕墙对节约能源有以下作用：积极利用光能、遮阳、利用空气（冬季吸气，夏季夜间冷却）。”玻璃幕墙热工性能要受其存在的空间环境中多种因素的影响，其中最主要的是太阳辐射热和幕墙玻璃内外侧存在空气温度差时的传热影响。对热通道幕墙的节能要从它的传热特点来分析，即分析太阳辐射传热和玻璃幕墙内外温差传热及其转换。 1、单层幕墙玻璃的传热 单层幕墙玻璃传热分为无太阳辐射时传热和有太阳辐射传热两种情况讨论。 A、无太阳辐射时单层幕墙玻璃的传热。当室内温度高于室外温度时，室内向室外传热，（主要是冬季时的情况），这时室内热空气温度通过对流、辐射等复杂的传热过程传给玻璃内表面，玻璃内表面温度高于外表面，通过传导将温度传导到外表面，再通过对流、辐射等复杂的传热过程传给室外空气。当室外温度高于室内温度时，由室外通过同样原理向室内传热（图3-1a）。 B、有太阳辐射时单层幕墙玻璃的传热除了温差传热外，还有太阳辐射传热，当夏季室外温度高于室内时，室外高温向室内低温传热，同时太阳辐射向室内传热，太阳辐射热在玻璃外表面被反射一小部份，一部份被玻璃吸收后向室内、外传热，一部份透射到室内加热室内空气；冬季太阳辐射向室内传热，而室内高温向室外低温传热（图3-1b）。 图3-1 2、双层玻璃幕墙玻璃的传热 A、无太阳辐射时，双层玻璃幕墙的传热。当室内温度高于室外温度时，室内向室外传热，（主要是冬季时的情况），这时室内高温度空气通过对流、辐射等复杂的传热过程传给双层玻璃幕墙内层玻璃内表面，玻璃内表面温度高于外表面，通过传导将温度传导到外表面，通过对流、辐射等复杂的传热过程传给热通道内空气，热通道内高温度空气通过对流、辐射等复杂的传热过程传给双层玻璃幕墙外层玻璃内表面，玻璃内表面温度高于外表面，通过传导将温度传导到外表面，再通过对流、辐射等复杂的传热过程传给室外空气。当室外温度高于室内温度时，由室外按同样原理向室内传热（图3-2a）。 B、有太阳辐射时，双层幕墙玻璃的传热除了温差传热外，还有太阳辐射传热，夏季太阳辐射热在外层玻璃外表面被反射一小部份，一部份被玻璃吸收后向室外、热通道内传热，一部份透射到热通道内加热热通道内空气，同时室外高温度向热通道内传热，使热通道内温度升高，透射过热通道的太阳辐射热在内层玻璃外表面被反射一小部份，一部份被玻璃吸收后分别向热通道、室内传热，一部份透射到室内加热室内空气，同时热通道内高温度空气向室内传热，使室内温度升高，当太阳辐射传热量很大（而没有空调时），也有可能使室内温度高于室外温度，这时室内向室外传热，这就是说夏季影响室内温度的热源有两方面即太阳辐射传热和室外温度高于室内温度时的温差传热，它们都会使室内温度升高。冬季太阳辐射热在外层玻璃外表面被反射一小部份，一小部份被玻璃吸收后传向室外、热通道内，太阳辐射热在内层玻璃外表面被反射一小部份，一部份被玻璃吸收后又向热通道、室内传热，一部份透射到室内加热室内空气，同时热热通道内高温度空气向室内传热，提高室内温度。当室外温度低于热通道（室内）时，通过幕墙玻璃和热通道传热，室内温度将有较多传向室外，造成室内热能损失（图3-2b）。 图3-2 根据深圳市建科院和深圳三鑫公司对单层透明玻璃幕墙，阳光控制镀膜玻璃单层幕墙、双层透明玻璃幕墙（热通道宽450mm）进行实测结果如下：以上实测结果表明太阳辐射热透过外层玻璃，通过热通道后进入室内的太阳辐射热衰减比单层透明玻璃幕墙少的主要原因是内层玻璃透射比，也就是说热通道本身对减少太阳辐射热的贡献不大。从各种双层玻璃幕墙工程实例看，不管是北京旺座中心双层玻璃幕墙、还是深圳电视台双层玻璃幕墙都明确指出，夏季必须在热通道内设遮阳帘来阻止太阳辐射热进入室内。设在热通道内的遮阳帘将大部分太阳辐射热反射到热通道内，有一小部分透过遮阳帘（视遮阳帘透射系数而异，硬片遮阳百页则没有透射）射到内层玻璃上，内层玻璃反射、吸收一部分，其余部分通过内层玻璃透射进入室内，由遮阳帘反射到热通道的太阳辐射热，使热通道升温（图3-3），根据上海烟草科技中心双层幕墙评估结果，采用不同反射比的遮阳帘，热通道内温度比室外高10.6~180C。单层玻璃幕墙也可用遮阳帘来阻止太阳辐射进入室内，因此在评价双层玻璃幕墙节能效果时，不宜把设遮阳帘的效应作为双层玻璃幕墙的贡献，不过在热通道内设遮阳帘在建筑艺术上要胜过单层玻璃幕墙。 我们不能将热通道当作具有热阻功能的空气层，而是有空气热压和烟囱效应的通道，太阳辐射使热通道空气升温，对不同高度通道，不同进（出）风口的热通道，要使热通道内空气从排风口排出，必须要使热通道内空气温度高于室外温度，一般最小临界温度要大于4度才能产生烟囱效应，也就是说幕墙保温性能（幕墙玻璃两侧有在空气温度差的条件下，幕墙玻璃阻抗从高温一侧向低温一侧传热的能力）计算温度，单层玻璃幕墙外侧是室外空气温度，但是热通道幕墙影响室内温度的是内层玻璃，而内层玻璃外侧的温度比室外温度高4~20度，所以在计算热工性能时要用热通道内计算温度计算内片玻璃向室内的传热。同理在评估空气渗透性能时，也要用热通道与室内压力差和热通道内空气温度来进行计算。 不同地区(不同纬度)、不同朝向、不同时段的太阳辐射是不同的，上海市（北纬31度10分、大气透明度5级），不同朝向、不同时段透过标准窗玻璃的太阳辐射照度（W/m2）见表2。从表1所列每日室外太阳辐射热随天气(晴天、少云、多云、阴天、下雨及夜晚) 变化的参数，可以看出天气对太阳辐射热的影响，以晴天为100%、少云时为＜100~30%、多云时为＜30~10%、阴天时为＜10%、下雨及夜晚为0 ，不同城市、不同年份不一样，一般采用10年纪录进行数理统计后采用。太阳高度角，决定了太阳对幕墙的入射角，入射角不同，幕墙杆件，热通道内搁栅等对太阳辐射热的遮挡不一样，上海市（东经121度26分、北纬31度10分、海拔4.5米）太阳高度角见表3。上海烟草科技中心按上述条件，太阳高度角夏季取夏至日，冬季取冬至日，夏季为7--9月共92天，冬季为12月到次年2月共90天，对此期间每个太阳时的晴天、少云、多云、阴天、下雨的日数统计，用THERM软件进行24小时遂时计算，汇总结果为： 冬季室内计算温度220C、室外遂时计算温度 -40C~40C时节能4.6% ，夏季室内计算温度240C、室外遂时计算温度280C~ 340C时节能11% 。这个结果与某些国外幕墙企业产品资料中，按太阳辐射热每天24小时都定值为604W/m2 计算结果：采暖时节能35~45%、制冷时节能30~35%，大相径庭。 浙江省某市电力大楼采用7000m2双层幕墙，每m2造价比单层幕墙高1200元，总计增加造价840万元，按电价0.42元/度计，可购电2000万度，该建筑全部空调年用电(按每天20小时、每年200天计)为100万度，增加的造价可供空调用电二十年。840万元按年利率5%计，年利息42万元，相当于一年的电费。 从以上分析中可以看出，双层玻璃幕墙对不同地区产生的效应是不同的。赵西安教授指出对双层玻璃幕墙要进行全面的经济技术分析来评估其节能效果（包括投入产出比、贷款利息）。我们要全面分析双层玻璃幕墙热工性能，对夏热地区，当采用外循环双层玻璃幕墙时，要使热通道内的空气流动上升，热通道内温度最少要比室外温度高4度，在进行热工平衡时，要计算通过热通道幕墙进入室内的太阳辐射，而内层玻璃外表面的温度比单层玻璃外表面温度（室外温度）高4~20度，对此二因素和漏气（热通道内空气比室外空气温度高4~20度）传热等进行综合平衡来评估节能效果。而对冬冷地区，则要考虑双层玻璃幕墙通过热通道进入室内的太阳辐射热比单层玻璃幕墙少，而内层玻璃外表面温度高于室外温度进行综合平衡来评估节能效果。对各气候分区（严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区）分别进行评估选用。 进入二十一世纪，人类对居住环境的要求越来越高，创造一个舒适的室内居住环境提到重要的议事日程上来，它不仅要求适宜的室内温度、湿度，同时要求室内的空气质量要达到一定标准，2002年11月19日国家发布了《室内空气质量标准》GB/T18883---2002（2003年3月1日实施），这个标准规定室内空气应无毒、无害、无异常嗅味。室内空气质量标准见表4。GB/T18883--2002《室内空气质量标准》规定了室内空气中可吸入悬粒PM10 1h均值不大于0.15mg/m3，环保部门对室外空气中PM10规定了分级控制指标，并进行监测，定期发布空气质量公告，随着机动车保有量快速增长，上海市空气污染特征已由煤烟型污染转变为燃煤和燃油混合后的复合型污染，大气中颗粒特粒径分布也伴随发生变化，在一定气象条件下，复杂的光化学反应会产生大量微小颗粒。上海市一个位于西北部监测点（监测点周围500米范围内主要是居民住宅、无高大建筑和交通干道、绿化良好）测得的PM25日平均浓度与国外环境标准（国内无PM25环境标准）相比超标率为37.6--81.9%，最大超标倍数为2.97--9.32。 研究表明，含有大量污染物的微小颗粒物，尤其粒径小于2.5μm(PM25) 以下的微小颗粒物对人体的危害最甚，它们可以通过呼吸道进入并沉积在肺泡组织，导致呼吸系统疾病，有致癌作用，还能直接进入血液循环系统，引起高血压、动脉硬化、心脏病甚至死亡，因此治理PM25及PM10刻不容缓。除了国家制定PM25环境标准，进行日常监测，进一步加大机动车尾气排放控制和治理力度。控制从室外进入室内的空气质量也是改善室内空气质量的重要措施。 热通道幕墙的节能效果与其投入产出比，达不到预期要求，能否发挥其它方面的作用呢？ 从表4可以看出室内空气质量物理性对室内温度、湿度提出了要求，室内温度、湿度等可通过采暖、通风和空气调节的手段来达到，如果双层玻璃幕墙设计得好，改善幕墙热工性能，可减少采暖通风和空气调节的费用，即前一阶段对双层玻璃幕墙的唯一评价（节能）。室内空气质量还要求化学性、生物性、放射性达到一定要求，室内、外空气流动时，对从室外进入室内的空气质量进行控制（即控制进入室内空气中二氧化硫、二氧化氮、PM10和PM25等的浓度）也是改善室内空气质量的重要措施。 幕墙作为外围护构件有过滤器的作用，这种过滤器的作用正好由热通道幕墙来发挥，于是有的中低层建筑热通道幕墙将进风口设在下沉式地下室内，在其中设水幕，空气通过水幕进入热通道时，水幕将空气中可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮等融入水中排走，使进入热通道内空气中这些有害物质低于室外空气中的含量，这样通过热通道进入室内的空气质量就会大大改善。上海烟草科技中心根据有关部门提供的资料，该建筑所在地区室外空气中二氧化硫年日均值为0.04mg/m3、二氧化氮年日均值为0.03mg/m3、可吸入颗粒物年日均值为0.1mg/m3。为使进入室内空气质量经过热通道过滤，减少上述有害物质含量，上海烟草科技中心招标安装“环保节能型” 热通道幕墙，招标书对热通道幕墙热工及通风设计提出以下要求： 1、夏热地区、夏季：能有效的阻止（减少）太阳辐射进入室内，减少内层玻璃外表面温度，从而降低通过内层玻璃进入室内的热量，采用适当的内层幕墙气密性，减少渗透到室内的热空气量，（同时要求渗透的空气温度尽量降低），提高室内环境质量，降低空调能耗。 2、严寒（寒冷）地区、冬季：充分利用太阳辐射热，即一方面使尽可能多的太阳辐射热进入室内，同时太阳辐射热加温热通道温度，使内层玻璃外表面温度高于室外温度，减少室内温度通过玻璃向外传热，甚至当热通道温度高于室内温度时向室内传热，提高室内环境质量，减少空调（采暖）费用。 3、温和地区、春秋季（夜晚、雨天）：能保持通风，使热通道空气新鲜洁净，与室内空气流通，改善室内环境质量。 4、空气质量：对可吸入颗粒物进行控制，将进风口1.5mm*1.5mm的金属防虫网进行静电处理（带静电滤网），达到吸尘的目的（即将颗粒为2.5~10μm的可吸入颗粒物在通过滤网时由于静电被滤网吸收一大部分）、并采用HBW空气净化颗粒，使热通道内二氧化硫、二氧化氮、总浮悬颗粒物和可吸入颗粒物PM10比室外同期低20% 。 5、幕墙的构造设计要精尽量使热通道内平直、减少折角，避免积灰、便于清洗，与双层幕墙移交使用后对热通道及玻璃内外表面的擦洗、清洁的工艺相配套。 采用箱体双层幕墙时，外层幕墙与内层幕墙连接设计的连接件必须保证在自重和竖向地震作用下外层幕墙不下垂，在水平作用下的必要可靠度，还要考虑幕墙组件在存放、运输、吊装、定位过程中保持完整性和原有的可靠性，不能改变幕墙组件的形状及连接的可靠度。对内层幕墙与主体结构的连接必须达到内层幕墙与主体结构连接过程中和连接完成后不造成幕墙变形。 6、施工组织设计要保证热通道内洁净、一尘不染。每道工序（杆件加工、单元框拼装、单元组件组装、双层箱体组装）均有洁净工艺，必须保证进入下道工序前该工序热通道内的洁净。箱体式双层幕墙在吊装过程和吊装固定后要采取保护措施，不允许有任何不洁净物进入热通道内任何部位，即要做到双层幕墙单元组件在吊装、固定过程中及固定后热通道内做到一尘不染，以保证今后使用中达到生态（绿色、环保）幕墙的目标。 箱体式双层幕墙埋放、运输、吊装定位，要保证单元组件埋放、运输、吊装过程不影响单元组件的完整性和结构可靠度，即结构的连接强度和允许偏差仍保持规定的要求。 A、运输前单元组件应做好成品保护； B、装卸及运输过程中，当外层幕墙与内层幕墙无论采用一端连接或两端连接，均要采用辅助连接件临时将内外单元连成一个有足够刚度的整体，并采用有足够承载能力和刚度的周转架，周转架上衬垫弹性垫，保证组件相互隔开并相对固定，不得相互挤压和串动；超过运输尺寸的单元组件，应采取特殊措施； C、单元组件应摆放平衡，不应造成组件或型材变形，在运输过程中应采取措施防止颠簸。有两家德国幕墙公司、一家国内幕墙公司按以上要求投标，最后选择一家幕墙公司设计、施工，我们期待这种“环保节能型”热通道幕墙早日建成投入使用，它将使热通道幕墙技术发展到新阶段。