幕墻熱工性能對(duì)北京公共建筑能耗的影響

顏鼎峰 劉劍濤 劉彤

中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司

0 引言

在現(xiàn)代高層建筑中，玻璃幕墻由于其較好的裝飾效果、現(xiàn)代化的外觀、多樣化的形式而被作為高層建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)廣泛采用。它將建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的墻與窗合二為一，同時(shí)也巧妙地把建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的使用功能與裝飾功融為一體，有效提高了建筑物更的現(xiàn)代感與裝飾藝術(shù)性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)階段我國(guó)每年新增建筑幕墻面積達(dá)到1000 萬(wàn)m2，玻璃幕墻重量輕因而減輕了建筑的承重壓力從而節(jié)約成本，并且還有采光率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單更換方便等優(yōu)點(diǎn)。由于玻璃的高熱傳導(dǎo)能力，玻璃幕墻造成的建筑整體能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土結(jié)構(gòu)[1]。

我國(guó)建筑能耗的總量逐年上升，在能源總消費(fèi)量中所占的比例已從上世紀(jì)70 年代末的10%上升到27.45%。而發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑能耗一般占全國(guó)總能耗的33%左右。國(guó)家建設(shè)部科技司研究表明，隨著城市化進(jìn)程的加快和人民生活質(zhì)量的改善，我國(guó)建筑耗能比例最終還將上升至35%左右。如此大的比重，建筑耗能已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的軟肋，然而建筑外窗是外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，大片的玻璃幕墻無(wú)疑又加重了能量的流失[2]。

于是，本文以北京某全幕墻辦公樓為例，使用PKPM 能耗模擬軟件，分析不同玻璃的熱工性能的全年累計(jì)冷熱負(fù)荷。同時(shí)將單位面積的負(fù)荷指標(biāo)與幕墻傳熱系數(shù)和遮陽(yáng)系數(shù)作二元線性回歸分析。為北京地區(qū)幕墻建筑的玻璃選型提供工程理論指導(dǎo)。

1 計(jì)算工具及模型

1.1 計(jì)算工具

幕墻傳熱是導(dǎo)熱，對(duì)流傳熱和熱輻射傳熱三者共同的結(jié)果。建筑幕墻對(duì)建筑能耗高低的影響主要有兩個(gè)方面：一方面是夏季空調(diào)和冬季供暖時(shí)室內(nèi)外的溫差傳熱，另一方面是通過(guò)建筑透明玻璃材料引起的太陽(yáng)輻射熱造成的建筑室內(nèi)得熱。因此，要全面分析我國(guó)幕墻的能耗性能需要以各個(gè)地區(qū)的氣候條件為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析幕墻各性能因素對(duì)不同地區(qū)建筑能耗的影響。本文使用PKPM 能耗模擬軟件，該軟件采用DOE-2 計(jì)算內(nèi)核，通過(guò)建設(shè)部科技發(fā)展促進(jìn)中心產(chǎn)品鑒定和中國(guó)建筑科學(xué)研究院性能測(cè)試，能動(dòng)態(tài)計(jì)算全年逐時(shí)的冷熱負(fù)荷。

1.2 計(jì)算模型及參數(shù)

以北京地區(qū)某幕墻公建，用PKPM 軟件建立模型，建筑層數(shù)為10 層，層高4.2 m，建筑為正南朝向，建筑面積16293 m2，各朝向的窗墻面積比都為0.89，該建筑模型如圖1、2 所示。室內(nèi)計(jì)算信息及時(shí)間表選擇《北京市公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DB11/687-2015，房間信息如表1 所示。為分析幕墻對(duì)建筑能耗的影響，屋頂采用120 mm 鋼筋混凝土+80 mm 擠塑聚苯板。

圖1 模型建筑立體圖

圖2 模型建筑平面圖

表1 室內(nèi)計(jì)算參數(shù)

2 幕墻的熱工性能對(duì)能耗的影響

選取玻璃幕墻傳熱系數(shù)K=1 W/(m2·K)到K=6 W/(m2·K)步長(zhǎng)為1 W/(m2·K)，遮陽(yáng)系數(shù)0.3 到0.8 步長(zhǎng)為0.1，36 組工況進(jìn)行模擬計(jì)算，從而得出幕墻熱工性能對(duì)能耗的影響。

2.1 幕墻傳熱系數(shù)對(duì)能耗的影響

選擇遮陽(yáng)系數(shù)為0.6，傳熱系數(shù)K=1～6 W/(m2·K)，其他參數(shù)固定不變，其單位面積全年累計(jì)冷、熱負(fù)荷指標(biāo)如圖3：

圖3 傳熱系數(shù)對(duì)單位面積全年負(fù)荷的影響

由圖3 可以看出，當(dāng)遮陽(yáng)系數(shù)不變，隨著傳熱系數(shù)的增加，單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)增加。在冬季供暖季節(jié)，幕墻的傳熱系數(shù)越小，單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞的熱量越小，從而熱負(fù)荷越小。隨著傳熱系數(shù)的增加，單位面積冷負(fù)荷呈遞減趨勢(shì)。在夏季的供冷季節(jié)，幕墻的傳熱系數(shù)小，不利于室內(nèi)向室外散熱，從而是冷負(fù)荷增加。隨著傳熱系數(shù)的增加，單位面積總負(fù)荷呈遞增的趨勢(shì)，由于傳熱系數(shù)增加，對(duì)熱負(fù)荷的增加程度大于冷負(fù)荷減少程度。

2.2 幕墻遮陽(yáng)系數(shù)對(duì)能耗的影響

選擇傳熱系數(shù)K=4 W/(m2·K)，遮陽(yáng)系數(shù)SC=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 其他參數(shù)固定不變，其單位面積全年累計(jì)冷、熱負(fù)荷指標(biāo)如圖4：

圖4 遮陽(yáng)系數(shù)對(duì)單位面積全年負(fù)荷的影響

由圖4 可以看出，當(dāng)傳熱系數(shù)不變，隨著遮陽(yáng)系數(shù)的增加，單位面積冷負(fù)荷指標(biāo)增加。在夏季的供冷季節(jié)，幕墻的遮陽(yáng)系數(shù)大，通過(guò)幕墻的太陽(yáng)輻射得熱量也越大，從而是冷負(fù)荷增加。隨著遮陽(yáng)系數(shù)的增加，單位面積熱負(fù)荷呈遞減趨勢(shì)，在冬季供暖季節(jié)，幕墻的遮陽(yáng)系數(shù)越大，幕墻的太陽(yáng)輻射得熱量也越大，從而減少了熱負(fù)荷。隨著遮陽(yáng)系數(shù)的增加，單位面積總負(fù)荷呈遞增的趨勢(shì)，由于遮陽(yáng)系數(shù)增加，對(duì)冷負(fù)荷的增加程度大于熱負(fù)荷減少程度。

2.3 幕墻傳熱系數(shù)、遮陽(yáng)系數(shù)對(duì)單位面積冷熱負(fù)荷指標(biāo)的二元回歸分析

選取玻璃幕墻傳熱系數(shù)K=1 W/(m2·K)到K=6 W/(m2·K)步長(zhǎng)為1 W/(m2·K)，遮陽(yáng)系數(shù)0.3 到0.8 步長(zhǎng)為0.1，36 組工況進(jìn)行模擬計(jì)算。得到如圖5～7 的三維曲面圖。

圖5 遮陽(yáng)系數(shù)級(jí)傳熱系數(shù)對(duì)單位面積熱負(fù)荷的影響

圖6 遮陽(yáng)系數(shù)級(jí)傳熱系數(shù)對(duì)單位面積冷負(fù)荷的影響

圖7 遮陽(yáng)系數(shù)級(jí)傳熱系數(shù)對(duì)單位面積總負(fù)荷的影響

由圖5～7 可以看出，單位面積熱負(fù)荷隨著傳熱系數(shù)增加而增加，隨著遮陽(yáng)系數(shù)增加而減少。單位面積冷負(fù)荷隨著傳熱系數(shù)增加而減少，隨著遮陽(yáng)系數(shù)增加而增加。單位面積總負(fù)荷隨著傳熱系數(shù)及遮陽(yáng)系數(shù)的增加而增加。通過(guò)Origin 分析軟件將單位面積熱負(fù)荷，單位面積冷負(fù)荷，單位面積總負(fù)荷與傳熱系數(shù)K，遮陽(yáng)系數(shù)SC 作為二元線性回歸計(jì)算得到二元線性回歸方程如表2 所示：

表2 單位面積冷熱、總負(fù)荷的二元回歸方程

圖8 總負(fù)荷擬合公式與實(shí)際結(jié)果誤差

通過(guò)總負(fù)荷擬合公式與實(shí)際結(jié)果誤差（圖8）及表2 的分析結(jié)果可以得到，建筑冷、熱總負(fù)荷與外窗傳熱系數(shù)和遮陽(yáng)系數(shù)呈良好的線性關(guān)系，通過(guò)回歸方程的影響系數(shù)可以看出，對(duì)于北京地區(qū)的全幕墻建筑，玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)較傳熱系數(shù)對(duì)建筑總負(fù)荷影響更大。

3 結(jié)論

分析不同遮陽(yáng)系數(shù)及傳熱系數(shù)玻璃的全年累計(jì)冷熱負(fù)荷，同時(shí)將單位面積的負(fù)荷指標(biāo)與幕墻傳熱系數(shù)和遮陽(yáng)系數(shù)作二元線性回歸分析。得出結(jié)論如下：

1）當(dāng)遮陽(yáng)系數(shù)不變，隨著傳熱系數(shù)的增加，單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)增加，在冬季供暖季節(jié)，幕墻的傳熱系數(shù)越小，單位時(shí)間通過(guò)單位面積傳遞的熱量越小，從而熱負(fù)荷越小。隨著傳熱系數(shù)的增加，單位面積冷負(fù)荷呈遞減趨勢(shì)，在夏季的供冷季節(jié)，幕墻的傳熱系數(shù)小，不利于室內(nèi)向室外散熱，從而是冷負(fù)荷增加。隨著傳熱系數(shù)的增加，單位面積總負(fù)荷呈遞增的趨勢(shì)。由于傳熱系數(shù)的增加，對(duì)熱負(fù)荷的增加程度大于冷負(fù)荷減少程度。

2）當(dāng)傳熱系數(shù)不變，隨著遮陽(yáng)系數(shù)的增加，單位面積冷負(fù)荷指標(biāo)增加。在夏季的供冷季節(jié)，幕墻的遮陽(yáng)系數(shù)大，通過(guò)幕墻的太陽(yáng)輻射得熱量也越大，從而是冷負(fù)荷增加。隨著遮陽(yáng)系數(shù)的增加，單位面積熱負(fù)荷呈遞減趨勢(shì)，在冬季供暖季節(jié)，幕墻的遮陽(yáng)系數(shù)越大，幕墻的太陽(yáng)輻射得熱量也越大，從而減少了熱負(fù)荷。隨著遮陽(yáng)系數(shù)的增加，單位面積總負(fù)荷呈遞增的趨勢(shì)，由于遮陽(yáng)系數(shù)增加，對(duì)冷負(fù)荷的增加程度大于熱負(fù)荷減少程度。

3）單位面積熱負(fù)荷隨著傳熱系數(shù)增加而增加，隨著遮陽(yáng)系數(shù)增加而減少。單位面積冷負(fù)荷隨著傳熱系數(shù)增加而減少，隨著遮陽(yáng)系數(shù)增加而增加。單位面積總負(fù)荷隨著傳熱系數(shù)及遮陽(yáng)系數(shù)的增加而增加，并得到二元回歸方程。建筑冷、熱總負(fù)荷與外窗傳熱系數(shù)和遮陽(yáng)系數(shù)呈良好的線性關(guān)系，通過(guò)回歸方程的影響系數(shù)可以看出，對(duì)于北京地區(qū)的全幕墻建筑，玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)較傳熱系數(shù)對(duì)建筑總負(fù)荷影響更大。