香港CCF玻璃管幕墙的开发



玻璃管的抛光双相不锈钢盖

本文涉及由 Eckersley O'Callaghan (EOC) 作为幕墙顾问设计并由 Seele 变为现实的新型 2,308
平方米玻璃管幕墙的开发和建造。

玻璃管立面由307根夹层安全玻璃管、238根半管和69根高9m、直径900mm的全管组成。铝型材将相邻的管子相互连接起来。每根管子的顶部和底部都有一个切割的双相不锈钢盖,用结构硅胶固定。外墙位于香港潮湿的环境中,飓风风荷载非常高。

由于空腔中的大封闭空气量,采用的封闭空腔立面 (CCF) 系统对管子加压。seele 在德国和香港进行了广泛的测试,以确认该系统的可行性。半玻璃管在欧洲弯曲和层压,运到香港并在结构上粘合成全玻璃管,然后安装在香港的高层建筑中。

介绍

封闭空腔技术是多层幕墙系统的一种众所周知且成熟的方法,目的是平衡幕墙内腔的压力并防止玻璃表面出现任何冷凝。与自然通风的双立面系统相比,封闭式空腔立面系统提高了声学性能,集成了遮阳装置,最大限度地减少了清洁工作,增加了占地面积,并为建筑租户提供了最大的舒适度。

本文表明CCF技术对于非传统应用也具有一些很大的优势。本文首先概述了封闭空腔外墙的一般设计原则。与欧洲相比,作者讨论了香港的特殊几何形状和气候区的关键方面。最后,显示了通过管子的干燥空气的体积流量如何影响冷凝风险。

CCF 的一般设计原则

封闭的空腔外墙使用加压空气供应或通风系统,这些系统从加压多层 ETFEfilm 垫结构的概念中得知。干燥、过滤和有时调和的空气被吹入系统,以控制垫子结构的冷凝。机械驱动的通风口或压缩机、不锈钢管道和阀门用作空气供应系统。过滤和排除供应空气中的任何污染物是必不可少的,以确保执行腔条件。设计人员可以将系统性能调整为更宽容或更有效的配置。元件和管道的密封性,通常在 3 到 40 l/h∙m³ 范围内的调节流速可以满足大多数项目的特定需求。

CCF 概念通常简化玻璃元件,以便在一个系统中提供遮阳、光控制和调节功能以及气候负载管理。已实现的项目多为具有办公用途的高层建筑。然而,CCF 概念也适用于在具有挑战性的气候条件下安全操作双层幕墙。通过适当的设计,该技术可提供性能储备,甚至可以安全地控制极端天气情况和关键气候影响。如后续段落所示,甚至可以实现玻璃元件的极端几何形状。

CCF 设计需要配置一个具有适当气流速率的系统,以避免在几乎所有环境条件下出现冷凝,处理气候和其他压力引起的负载,并最大限度地减少能源消耗。开发面临的挑战是了解加热和冷却对特殊几何形状的影响,并开发定义的流速以避免拥堵和加热。

为了定义流速和最佳流入和流出开口,使用了不同的全尺寸模型和数值计算。CCF 元件通常在洁净室中制造。元件在整个加工和供应链中进行调节直至安装和调试,以防止不需要的物质进入型腔

香港新世界中心

图 1 和图 2 所示的独特玻璃管立面是香港新世界中心的一个有吸引力的补充,这是九龙的酒店和办公大楼。seele 用 307 根玻璃管和管之间的特殊 LED 照明技术建造了新世界中心的主立面。外墙的一部分配备了 CCF 技术,这受到特殊的物理要求。整个建筑需要承受高风荷载和建筑运动。

CCF 系统集成在 69 个全管和半管中。两个独立的 CCF 供应系统分别控制东立面和西立面元素,以考虑不同的气候边界条件。在每根管子的下端,集成了一个小通风口,以确保压力补偿。机械驱动的通风、不锈钢管道和阀门用于提供干燥、过滤和调温的空气。过滤和排除供应空气中的任何污染物是必不可少的,以确保执行腔条件。

图 1:用于香港新世界中心的 9m 高玻璃管

图 1:用于香港新世界中心的 9m 高玻璃管。

图 2:用于玻璃管的抛光双相不锈钢盖

图 2:用于玻璃管的抛光双相不锈钢盖。

香港气候分析

在使用外墙,尤其是 CCF 外墙时,对当地气候条件的了解和理解在技术设备的正确尺寸和系统的调整方面起着关键作用。为准备在香港展示的项目,seele 在 Gersthofen(德国)和香港进行了基本系统调查,以确定安全和长期运行的系统参数。

每个项目开始时的一项重要调查是对当地气候数据的评估,以便对设计过程进行详细评估。因此,以下部分描述了 Gersthofen(德国)和香港之间最重要的气候差异以及它们对系统设计的影响。

德国南部的 Gersthofen 主要受阿尔卑斯山麓温和温暖气候的影响。Köppen 和 Geiger 的气候分类将其描述为暖温带、始终潮湿、夏季温暖的气候。相比之下,香港受温暖的沿海气候影响。夏季,香港的降雨量明显多于冬季。

根据 KöppenGeiger 分类,香港属暖温带、冬季干燥、夏季温暖的气候。在对代表性天气数据的分析中也可以看到这些气候特征。香港的室外温度明显高于德国南部。Gersthofen 的年平均气温为 8.5°C,香港为 22.5°C。此外,香港的绝对湿度和蒸气压明显高于德国南部。

如果空腔内的气候条件调节得太慢,温度急剧下降或外部空气的蒸气迅速增加会导致玻璃管内部和框架上的冷凝。为了对 CCF 外墙的功能进行良好的评估,有两个参数是相关的,可以从有代表性的天气数据中确定:温度和湿度变化的程度(上升和下降)及其概率分布。

图 3:Gersthofen(德国)和香港的温度变化和蒸汽分压的概率分布

图 3:Gersthofen(德国)和香港的温度变化和蒸汽分压的概率分布。

图 3 显示了 Gersthofen 和香港的温度上升和下降以及蒸气压变化的概率分布的比较。确定了 0 到 0.75 K/h、0.75 到 1.75 K/h 和 1.75 到 3 K/h 的走廊,以区分非关键、关键和非常关键的变化。在湿度变化的调查中,水蒸气分压按压力变化率分为0~125Pa、125~250Pa和250~375Pa。

分压是空气中湿度变化的另一种量度,因为它提供了一个与当前温度无关的绝对值,并给出了蒸汽运动方向和数量的指示。由于分压变化率,实际水分输入和输出的数量可以独立于温度影响进行评估。

德国南部的临界温度升高和降低的频率高于香港。此外,比较突出显示,德国南部发生了较大的温度下降和上升,范围为 0.75 - 3.75 K/h。由于温度变化较低且较不频繁,香港不太重要。蒸气分压及其变化的比较表明,香港的空气潮湿(正如预期的那样),并且在 125 - 375 Pa/h 范围内的临界下降和上升比德国更频繁。

比较得出的结论是,格斯托芬对温度波动更为关键,并且可能因快速变化的天气条件而更频繁地冷凝。香港更为关键,因为空气中的水分含量要高得多,当与腔体内部结合时,在低得多的温度变化下存在冷凝风险。这导致建议香港的 CCF 外墙应使用来自空调系统的经过预处理的排风。这具有显着降低水分的优点,否则必须通过 CCF 空气处理单元的机器技术来缓冲。

系统测试

为了定义流速和最佳流入和流出开口,seele 构建了不同的全尺寸模型,如图 4 所示,以通过长期测量研究不同的系统参数。测试工程师在运行期间不断控制系统,以监控条件并在早期检测关键变化。

图 4:视觉和性能模型

图 4:视觉和性能模型。

CCF 立面的几何形状和体积影响通风系统的设计。在香港,seele 构建了两种几何类型:全管和半管。满管的直径为 900 mm,高度为 9 m,内部容积为 5.1 m³。由于其几何形状,半管的体积是全管的 50%。

在各种测试系列中,seele 测量了全管和半管内侧的表面温度。

图 5 显示了两天期间的代表性温度测量值。半管显示出比全管更高的绝对温度和更快的温升。这是由于较小的风量和半管后面板的反射涂层。半管往往具有较低的露点并且对系统条件的反应更快。

图 5:全管和半管之间的温度比较(表面温度)

图 5:全管和半管之间的温度比较(表面温度)。

第二步,工程师将测得的温度与管内气候的露点温度进行比较。根据在低压下用干燥空气调节管子的体积流量,记录玻璃板上的表面温度与主要露点温度之间的更高或更低的温差。

图 6 显示了一些选定的结果:体积流量越高,冷凝的风险越低。由于半管的体积较小,与全管相比,它们在相同的空气流速下得到更好的调节。这对半管的露点有积极影响。在 20 l/h 和 150 l/h 的较低空气流速下,半管和全管之间的差异非常明显。在全管的情况下,与半管相比,温差越来越小,因此冷凝的可能性更大。满管是一个更缓慢的系统,应该用更高的体积流量进行调节。

将结果与详细规划的风险分析和合适的空气流速相结合,以考虑建筑运营的经济影响。通风系统的管径根据定义的气流设计进行选择,以避免不必要的压力损失。通风装置的选择取决于管道系统中的压力损失和所需的空气流速。因此,最佳空气流速可降低 CCF 系统使用寿命期间的能耗。

图 6:在 720 l/h、150 l/h 和 20 l/h 的不同空气流速下,半管(棕色)和全管(蓝色)的腔体温度和露点温度差异的概率分布比较。

图 6:在 720 l/h、150 l/h 和 20 l/h
的不同空气流速下,半管(棕色)和全管(蓝色)的腔体温度和露点温度差异的概率分布比较。

概括

本文讨论了闭腔幕墙系统设计和工程的几个方面。如图所示,CCF 技术也可以作为香港新世界中心管外墙的改良和非经典外墙元素的首选技术。作者比较了中欧(德国)和香港的气候条件。虽然中欧的空气通常具有较低的介质温度和较低的湿度,但 CCF 管中的空腔温度变化比香港快。但在香港,工程师在设计 CCF 系统时必须考虑外部空气的高湿度。

CCF 系统提供了一个很好的解决方案来避免多层立面系统中的冷凝。然而,需要考虑空气流量的优化、能耗和运行成本的降低。因此,系统组件和集成传感器可用于在建筑物的整体集成系统优化内的系统条件的未来优化。

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