可變透光ETFE 氣枕光熱性能研究

鄭曉宇 何偉 趙萬方 庾漢成 秦明輝

1 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院

2 青海建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院

0 引言

目前，根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，建筑行業(yè)占全球能源消耗的36%和溫室氣體排放量的近40%[1]。不斷增長的能源需求進(jìn)一步說明了降低建筑能耗的重要性。圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為建筑內(nèi)外環(huán)境的隔斷，對(duì)建筑熱性能和室內(nèi)舒適度有重要影響[2]。膜結(jié)構(gòu)因其在構(gòu)型和功能上的靈活性逐漸地流行起來。其中，ETFE（Ethylene-Tetrafluoroethylene）膜因其質(zhì)輕、透明、強(qiáng)度高、自潔性等特性而被廣泛應(yīng)用[3]。2008 年北京奧運(yùn)會(huì)游泳館“水立方”是中國首座ETFE 膜結(jié)構(gòu)建筑。這種以多層膜縫合成的氣枕構(gòu)成的半透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)，兼具采光、結(jié)構(gòu)、保溫等功能，打破了傳統(tǒng)建筑窗和墻的界限。但是這也意味著現(xiàn)有的建筑節(jié)能策略可能不適用于ETFE 建筑。同時(shí)，有研究表明ETFE 膜的高透光性會(huì)導(dǎo)致夏季室內(nèi)溫度過高[4]。為避免這種隱患，工程中通常采用印刷鍍點(diǎn)的方式來調(diào)節(jié)ETFE 膜材透光率[5]。Robbin[6]提出了一種可變透光ETFE 氣枕結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽輻射的控制（圖1）。氣枕的外層表面和中間層表面印刷有相間的遮光材料，通過兩個(gè)空腔的氣壓差調(diào)整中間層的位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)透光率的控制[7]。盡管該系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用于國外一些建筑（如Duales System世博館、Festo 技術(shù)中心、Kingsdale 小學(xué)）[8-9]之中，但是關(guān)于這種適應(yīng)性機(jī)制的建筑物理學(xué)的信息非常少，并且仍然不清楚這種可變透光氣枕能在多大程度上改善建筑的光學(xué)和能耗表現(xiàn)。

圖1 可變透光ETFE 氣枕

本研究基于合肥市氣候條件定制了一種可變透光ETFE 氣枕，旨在探究其對(duì)辦公建筑室內(nèi)的光熱環(huán)境影響。采用Grasshopper 設(shè)計(jì)平臺(tái)，建立一個(gè)典型辦公室模型，通過Ladybug 和Honeybee 插件調(diào)用Radiance，Daysim 和EnergyPlus 內(nèi)核進(jìn)行光照和能耗模擬。此外，在合肥地區(qū)搭建等比例縮小的辦公室模擬，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證軟件模擬結(jié)果。

1 研究方法

通過對(duì)一個(gè)典型的安裝有ETFE 氣枕外窗的辦公室進(jìn)行建模，研究室內(nèi)光學(xué)環(huán)境和能耗水平。同時(shí)，在合肥地區(qū)搭建等比例縮小辦公室模型，測(cè)量室內(nèi)光學(xué)環(huán)境變化，并與模擬結(jié)果對(duì)比分析。模擬采用Rhino 6軟件建模，基于Grasshopper 編程語言，通過Ladybug與Honeybee 插件調(diào)用Radiance、Daysim 進(jìn)行光學(xué)計(jì)算，調(diào)用EnergyPlus 進(jìn)行能耗計(jì)算，旨在得到室內(nèi)照度、有效采光照度（UDI）、太陽得熱系數(shù)（SHGC）、全年建筑能耗等關(guān)鍵值。

1.1 氣象參數(shù)

合肥市地處中國華東地區(qū)，四季分明，屬于夏熱冬冷建筑氣候區(qū)和Ⅳ級(jí)光氣候區(qū)。本模擬采用中國標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)CSWD（Chinese standard weather data）中合肥市的氣象參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)長全年，計(jì)算步長為一小時(shí)。合肥市的每月平均氣溫和南立面的太陽直接輻射月累計(jì)值如圖2 所示。本實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)獲取于2020 年5 月27 日，地點(diǎn)為合肥市，天氣晴朗。

圖2 合肥市每月平均溫度和南立面太陽直接輻射月累計(jì)值

1.2 模擬設(shè)置

1.2.1 模型建立

本研究在Rhino 6 軟件中建造了一個(gè)外部尺寸為6 m×4.5 m×3 m（長×寬×高）的典型辦公室（見圖3），南墻開窗尺寸為2.4 m×2.4 m，窗臺(tái)高0.m。這個(gè)房間被設(shè)定為多層建筑中一個(gè)中間層朝南的辦公室。假設(shè)建筑內(nèi)設(shè)置理想空調(diào)，室溫一致，目標(biāo)辦公室只有南墻暴露在室外條件下，其他房間表面不產(chǎn)生熱量傳遞。

圖3 典型辦公室模型

1.2.2 參數(shù)設(shè)置

圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要光學(xué)及熱工參數(shù)輸入值如表1 所示。為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)未提及計(jì)算參數(shù)采用軟件默認(rèn)設(shè)置參數(shù)。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)光學(xué)及熱工參數(shù)

根據(jù)《照明測(cè)量方法》（GB/T 5700-2008），本研究照度計(jì)算采用中心布點(diǎn)法，計(jì)算網(wǎng)格劃分與測(cè)點(diǎn)布置如圖4 所示。計(jì)算網(wǎng)格位于距地面0.75 m 平面生成，網(wǎng)格尺寸為0.75 m×0.75 m，測(cè)點(diǎn)位于網(wǎng)格中心點(diǎn)。

圖4 網(wǎng)格劃分與測(cè)點(diǎn)布置圖

為直觀反映建筑能量特性，辦公室設(shè)置理想空調(diào)系統(tǒng)，室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)見表2。全年工作時(shí)間為上午9 點(diǎn)至下午5 點(diǎn)，人員逐時(shí)在室率，設(shè)備、新風(fēng)工作時(shí)間表按《合肥市公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DB34/T5060-2016）中辦公室相關(guān)時(shí)間表設(shè)置。選擇測(cè)點(diǎn)19 布置感光傳感器，當(dāng)照度低于450lux 時(shí)自動(dòng)開燈，當(dāng)照度高于450lux 時(shí)自動(dòng)關(guān)燈。通過全年動(dòng)態(tài)采光模擬，生成照明時(shí)間表導(dǎo)入能耗計(jì)算中。

表2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.3.1 ETFE 氣枕制作

本實(shí)驗(yàn)采用的三層ETFE 氣枕購于上海太陽膜結(jié)構(gòu)有限公司，氣枕上層與中層采用厚度為250 μm，圓形銀色鍍點(diǎn)覆蓋面積為63%的透明ETFE 膜材，氣枕下層采用250 μm 的無色透明ETFE 膜材。三層ETFE膜材由寬度為0.1 m 的鋁合金邊框?qū)訅汗潭ǎ瑲庹硗獠砍叽鐬? m×1 m，透明窗口尺寸為0.8 m×0.8 m。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

典型辦公室等比例縮小模型（見圖5）搭建于合肥市?？蚣懿捎娩摴苣_手架搭建，圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料采用10 mm 厚灰色PVC 發(fā)泡板。實(shí)驗(yàn)臺(tái)為典型辦公室等比例縮小模型，外部尺寸為2 m×1.5 m×1 m（長×寬×高）。照度測(cè)點(diǎn)布置與圖4 保持一致，測(cè)量平面距地面0.25 m，測(cè)量網(wǎng)格尺寸為0.25 m，測(cè)點(diǎn)位于網(wǎng)格中心點(diǎn)。照度測(cè)量采用泰仕電子工業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的TES-1330A 數(shù)位式照度計(jì)。

圖5 典型辦公室等比例縮小模型

1.4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

中心布點(diǎn)法的平均照度可由下式計(jì)算：

式中：Eav為平均照度，lux；Ei在第i 個(gè)測(cè)點(diǎn)上的照度，lux；M 縱向測(cè)點(diǎn)數(shù)；N 橫向測(cè)點(diǎn)數(shù)。

有效采光照度UDI（Useful Daylight Illuminance）是指工作平面上的照度值落入給定照度范圍之一的時(shí)間分?jǐn)?shù)。照度范圍是由分析周期內(nèi)照度下限和照度上限來界定。根據(jù)前文所設(shè)置的辦公室照度標(biāo)準(zhǔn)值450lux，劃分UDI 范圍為450～2000lux。UDI 作為動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，意味著：1）在室內(nèi)照度低于450lux 時(shí)，天然采光不足以滿足室內(nèi)照度需求，需要人工照明作為補(bǔ)充光源。2）在室內(nèi)照度位于450lux 與2000lux 之間，室內(nèi)照度屬于理想的或至少可容忍的水平，不需要人工照明。3）當(dāng)室內(nèi)照度超過2000lux 時(shí)，天然采光可能會(huì)產(chǎn)生視覺或熱不適，可能需要遮光措施。

太陽得熱系數(shù)SHGC（Solar Heat Gain Coefficient）是指通過透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)（門窗或透光幕墻）的太陽輻射室內(nèi)得熱量與投射到透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)（門窗或透光幕墻）外表面上的太陽輻射量的比值。太陽輻射室內(nèi)得熱量包括太陽輻射通過輻射投射的得熱量和太陽輻射被構(gòu)件吸收再傳入室內(nèi)的得熱量兩部分。

2 建筑光環(huán)境分析

2.1 模型驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)記錄了9:00 時(shí)至17:00 時(shí)的室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)照度值，經(jīng)過計(jì)算處理，所得各時(shí)段平均照度與軟件模擬值進(jìn)行對(duì)比，所得結(jié)果如圖6 所示。室內(nèi)平均照度自9:00時(shí)逐漸升高，12:00 時(shí)達(dá)到全天最高水平后逐漸下降。軟件模擬所得的室內(nèi)照度水平變化趨勢(shì)與實(shí)際觀測(cè)值相近，最大誤差10.4%出現(xiàn)在12:00 時(shí)。觀測(cè)所得數(shù)據(jù)經(jīng)過處理生成的偽色圖與軟件模擬生成的室內(nèi)照度分布圖對(duì)比如圖7 所示。以11:00 時(shí)所得數(shù)據(jù)圖為例，室內(nèi)實(shí)測(cè)照度略高于模擬值，但整體照度分布趨勢(shì)一致，驗(yàn)證模擬結(jié)果較為可信。

圖6 室內(nèi)平均照度實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖

圖7 同一時(shí)刻室內(nèi)實(shí)測(cè)照度與模擬照度

2.2 有效采光照度分析

為研究ETFE 氣枕在全年的采光性能，本文采用全年動(dòng)態(tài)采光模擬，計(jì)算各采光測(cè)點(diǎn)的有效采光照度（UDI）數(shù)據(jù)，并與標(biāo)準(zhǔn)雙層玻璃窗進(jìn)行對(duì)比。

應(yīng)用雙層玻璃窗建筑室內(nèi)有效采光照度如圖8所示，有效采光照度UDI4502000 的圖像可以確定這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是靠近窗的區(qū)域采光過度，超出舒適照度范圍。而遠(yuǎn)離窗戶的工作平面避免了較強(qiáng)的光照，全年擁有更多時(shí)長處于舒適照度范圍。室內(nèi)采光不足的區(qū)域面積（UDIlux<450>80%）為0%，位于有效照度區(qū)間的區(qū)域面積（UDI4502000>20%）為35.4%。

圖8 應(yīng)用雙層玻璃窗建筑室內(nèi)有效采光照度

圖9 和圖10 分別為ETFE 氣枕開啟模式和關(guān)閉模式的有效采光照度偽色圖。不同于雙層玻璃窗，應(yīng)用ETFE 氣枕的室內(nèi)在靠近窗的區(qū)域UDI4502000 的圖像，ETFE 氣枕無論開始模式還是關(guān)閉模式都會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)離窗較遠(yuǎn)的工作平面采光不足。對(duì)于ETFE 氣枕開啟模式，室內(nèi)采光不足的區(qū)域面積（UDIlux<450>80%）為31.3%，位于有效照度區(qū)間的區(qū)域面積（UDI45020%）為64.6%，可能發(fā)生采光過度的區(qū)域面積（UDIlux>2000>20%）為16.7%。對(duì)于ETFE 氣枕關(guān)閉模式，室內(nèi)采光不足的區(qū)域面積（UDIlux<450>80%）為54.2%，位于有效照度區(qū)間的區(qū)域面積（UDI45020%）為47.9%，可能發(fā)生采光過度的區(qū)域面積（UDIlux>2000>20%）為12.5%。

圖9 應(yīng)用ETFE 氣枕（開啟模式）建筑室內(nèi)有效采光照度

圖10 應(yīng)用ETFE 氣枕（關(guān)閉模式）建筑室內(nèi)有效采光照度

通過有效采光照度分析，ETFE 氣枕具有改善調(diào)節(jié)室內(nèi)采光環(huán)境的能力，可以有效降低室內(nèi)產(chǎn)生因采光導(dǎo)致的過熱或者眩光風(fēng)險(xiǎn)，但也會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)離窗較遠(yuǎn)的工作平面采光不足。采光不足的區(qū)域需要補(bǔ)充人工照明，由此產(chǎn)生的能耗需要進(jìn)一步評(píng)估，以確定ETFE 氣枕的光熱性能。

3 建筑能耗模擬分析

3.1 太陽得熱系數(shù)分析

圖11 顯示了在合肥氣候條件下，可變透光ETFE氣枕與雙層玻璃窗的全年工作時(shí)段逐時(shí)窗戶得熱和入射太陽輻射。圖中的每一點(diǎn)都代表相應(yīng)類型窗的太陽得熱及其相應(yīng)的入射太陽輻射。每種類型窗戶的太陽得熱系數(shù)（SHGC）由斜率（k）表示。該斜率代表了一定范圍的太陽輻射入射率下窗戶單元的得熱率的趨勢(shì)。雙層玻璃窗（k1）的斜率大約為0.61，并且全年保持恒定水平。k2 和k3 的值是可變透光的ETFE 氣枕在打開模式和關(guān)閉模式下獲得的，大約為0.31 和0.23。這意味著，本文所研究的ETFE 氣枕實(shí)際太陽得熱系數(shù)范圍為0.23 至0.31?？梢灶A(yù)測(cè)隨著太陽輻射率的增加，室內(nèi)照度逐漸達(dá)到高水平，ETFE 氣枕可以從開啟模式逐漸轉(zhuǎn)換到關(guān)閉模式，從而減少通過窗戶傳遞的太陽能。

圖11 透明雙層玻璃窗和可變透光ETFE氣枕的太陽得熱系數(shù)（SHGC）

3.2 能耗模擬分析

在合肥氣候條件下，通過全年逐時(shí)能耗模擬，應(yīng)用可變透光ETFE 氣枕和雙層玻璃窗的建筑能耗模擬結(jié)果如圖12 所示。窗戶系統(tǒng)會(huì)顯著影響制冷，供暖和照明的能源需求，從而影響建筑總能耗。因此，本文以每平米能耗指標(biāo)表示結(jié)果，主要在制冷，供暖和照明方面討論應(yīng)用不同類型窗戶系統(tǒng)建筑的能耗水平。合肥屬于夏熱冬冷地區(qū)，應(yīng)用透明雙層玻璃窗系統(tǒng)的建筑預(yù)計(jì)總能耗達(dá)到128.97 kWh/m2，其中冷負(fù)荷指標(biāo)為90.35 kWh/m2，熱負(fù)荷指標(biāo)為32.40 kWh/m2，照明能耗為6.22 kWh/m2。而應(yīng)用可變透光ETFE 氣枕的建筑可以減少能耗需求，總能耗指標(biāo)降至107.91 kWh/m2，冷負(fù)荷指標(biāo)降至70 kWh/m2，熱負(fù)荷指標(biāo)降至30.37 kWh/m2，照明能耗有所上升至7.54 kWh/m2。相較于透明雙層玻璃窗系統(tǒng)，可變透光ETFE 氣枕降低了16.33%的建筑能耗。由圖13 可知，節(jié)能效果主要?dú)w功于制冷能耗的大幅降低?？赡艿慕忉尀樗芯康腅TFE 氣枕擁有更低的太陽得熱系數(shù)（SHGC），從而能在制冷季較好地降低進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射量。對(duì)于供暖能耗來說，ETFE 氣枕節(jié)能效果并不顯著，這可能是氣枕保溫和太陽得熱的綜合結(jié)果。ETFE 氣枕擁有比透明雙層玻璃窗更好的保溫效果，可以降低冬季室內(nèi)供暖的需求，但較低的SHGC 會(huì)減少太陽能的利用。至于應(yīng)用ETFE 氣枕導(dǎo)致照明能耗升高，這符合前文對(duì)于有效采光照度（UDI）的分析結(jié)果。

圖12 應(yīng)用ETFE 氣枕和雙層玻璃窗建筑全年能耗

4 結(jié)論

可變透光ETFE 氣枕與透明雙層玻璃窗相比，具有改善建筑能耗性能和視覺舒適性的潛力。本研究通過Grasshopper 平臺(tái)，對(duì)應(yīng)用ETFE 氣枕的建筑模型進(jìn)行光熱聯(lián)合模擬，并與透明雙層玻璃窗系統(tǒng)進(jìn)行比較。同時(shí)，在合肥市搭建了等比例縮小的辦公室模型，通過照度測(cè)量驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)模型的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明：

1）室內(nèi)靠近窗戶區(qū)域常因超出照度舒適值（lux>2000）而產(chǎn)生過熱和眩光的風(fēng)險(xiǎn)。可變透光ETFE氣枕可以有效降低臨窗區(qū)域照度，從而增加全年有效采光（450

2）可變透光ETFE 氣枕相較于透明雙層玻璃窗擁有更低的太陽得熱系數(shù)（SHGC）。隨著室外太陽輻射率的增加，ETFE 氣枕的SHGC 可以由開啟模式的0.31 逐漸降低至0.23，從而減少通過窗戶的太陽得熱。

3）在合肥地區(qū)氣候條件下，本研究所選用的可變透光ETFE 氣枕相較于透明雙層玻璃窗可以減低建筑全年16.33%的能耗。ETFE 氣枕較低的SHGC 和可見光透射率，在顯著降低制冷能耗的同時(shí)，也導(dǎo)致照明能耗增加。

本研究所得結(jié)論是基于特定地點(diǎn)、特定材料參數(shù)。不同參數(shù)ETFE 氣枕在不同地區(qū)可能會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)用效果。因此，需要進(jìn)一步研究為可變透光ETFE 氣枕更廣泛應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。