玻璃幕墻類型對房屋能耗的影響

曾佳

（浙江省建設(shè)投資集團(tuán)股份有限公司海外部 浙江杭州 310013）

1 緒論

1.1 研究背景及意義

全球變暖的形勢日益嚴(yán)峻，不僅危害了自然生態(tài)系統(tǒng)的平衡，更威脅了全球經(jīng)濟(jì)和人類生存。到目前為止，大氣中二氧化碳的濃度水平在很大程度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了過去80 萬年的水平。大氣中二氧化碳的濃度從1740 年的277ppm 快速增長至如今的418ppm［1］。2015 年，英國二氧化碳的凈排放量約達(dá)4.04 億t，占了英國溫室氣體排放總量的81.4%［2］。雖然全球變暖的現(xiàn)象看似無關(guān)乎于房屋建筑，但其實它和建筑物之間有著密不可分的關(guān)系。在歐洲，有超過40%的能源消耗及36%的二氧化碳排放量來源于建筑物［3］。早在20世紀(jì)，一些西方發(fā)達(dá)國家就提出了節(jié)能建筑設(shè)計的理念，可以通過多種措施來提高建筑資源的利用率，從而提高建筑的經(jīng)濟(jì)效益［4］。如何有效地利用能源是可持續(xù)建筑發(fā)展的最基本條件，它有助于減少能源消耗，從而減少燃燒化石燃料產(chǎn)生的溫室氣體［5］。節(jié)能建筑的發(fā)展可以通過采用自然通風(fēng)、最大化利用太陽能、采用不同功能的建筑外墻立面系統(tǒng)等來實現(xiàn)。建筑立面作為建筑物和外部空間的屏障，它可以通過控制室內(nèi)的光照和溫度來影響建筑物的耗能情況。

自1990年起，中歐和北歐地區(qū)出現(xiàn)了各式各樣的高科技外墻立面，這個現(xiàn)象導(dǎo)致了整個歐洲能源價格的提高，隨后有關(guān)部門出臺了更嚴(yán)格的建筑規(guī)范，對建筑設(shè)計和建筑環(huán)境規(guī)定了高質(zhì)量的要求［6］。由于所有歐洲國家對空調(diào)使用有限制，因此在房屋外觀立面設(shè)計上，設(shè)計師非常重視如何最大化地發(fā)揮自然采光和自然通風(fēng)性能。如今，相比陳舊的辦公大樓，許多現(xiàn)代辦公樓或許不需要很多能源用于冬季供暖，卻往往需要非常多的電力用于夏季空調(diào)制冷及通風(fēng)換氣。這個現(xiàn)象在許多歐洲國家都非常明顯，主要是越來越多的建筑為了美觀等一系列原因而采用了玻璃幕墻［7］。然而，由于傳統(tǒng)的玻璃幕墻有許多不盡如人意的地方，例如室內(nèi)的熱舒適不夠或者強(qiáng)光刺眼等問題，因此越來越多的設(shè)計師開始使用雙層玻璃幕墻取而代之。

雙層玻璃幕墻由內(nèi)外兩層立面構(gòu)造組成，形成一個室內(nèi)外之間的空氣緩沖層。兩層立面之間的距離可由10cm 至2m 不等。外層可由明框、隱框或點支式幕墻構(gòu)成，內(nèi)層可由明框、隱框幕墻或具有開啟扇和檢修通道的門窗組成，也可以在一個獨立支承結(jié)構(gòu)的兩側(cè)設(shè)置玻璃面層，形成空間距離較小的雙層立面構(gòu)造［8］。雙層玻璃幕墻可以通過兩層立面間的空氣緩沖層起到節(jié)能效果，同時也有助于自然通風(fēng)和隔聲防噪。此外，它還易于調(diào)整改善室內(nèi)熱環(huán)境，也可以通過百葉調(diào)整室內(nèi)光線。Eriksson和Blomsterberg研究了許多帶有百葉窗的雙層玻璃幕墻下的室內(nèi)熱舒適度，他們發(fā)現(xiàn)，從室內(nèi)熱舒適和能源使用方面來講，采用雙層玻璃幕墻的辦公樓相對于采用普通幕墻的辦公樓要更節(jié)能、舒適度更高［9］。

1.2 研究目的

本文的主要研究目的是調(diào)查研究不同建筑立面類型對房屋能耗的影響。建筑立面是指建筑和建筑的外部空間直接接觸的界面，以及其展現(xiàn)出來的形象和構(gòu)成的方式，是一個至關(guān)重要的建筑外部元素。不同種類的建筑立面類型會導(dǎo)致不同的房屋能耗表現(xiàn)，尤其體現(xiàn)在房屋的能耗量和室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量上。本文主要通過模擬分析在不同的玻璃幕墻立面下建筑中每年供暖和制冷消耗的能量，來研究不同建筑立面類型對房屋能耗的影響。

1.3 研究方法

本文通過使用ECOTECT和EDSL TAS軟件模擬和分析了英國倫敦地區(qū)一個二層辦公樓在不同玻璃幕墻立面下的能耗表現(xiàn)。在本文的分析模擬中，ECOTECT和EDSL TAS 軟件均主要通過分析建筑室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量來比較不同的能耗表現(xiàn)。本文通過比較兩種模擬計算結(jié)果來分析不同玻璃幕墻立面性能對房屋能耗的影響，并為今后進(jìn)行科學(xué)的節(jié)能建筑立面設(shè)計提供指導(dǎo)。

2 模擬分析

2.1 ECOTECT 軟件模擬

本文主要用ECOTECT 軟件進(jìn)行模擬分析室內(nèi)的熱環(huán)境質(zhì)量、太陽輻射和通風(fēng)情況。

2.1.1 理論

ECOTECT提供了一系列的建筑熱環(huán)境分析功能，其中涵蓋了室內(nèi)溫度、舒適度、太陽輻射等諸多內(nèi)容。ECOTECT 中的熱環(huán)境分析基于英國注冊工程師協(xié)會（CIBSE）所核定的準(zhǔn)入法，這是一種動態(tài)負(fù)荷計算方法，具有計算速度快且操作簡單的特點，其精度完全能夠滿足建筑設(shè)計各階段的不同要求。準(zhǔn)入法的另一個特點是非常靈活，其對于建筑物的體形及模擬分析區(qū)域的數(shù)量沒有限制。

從某種意義上來說，建筑熱環(huán)境分析就是求解室內(nèi)外各種擾動作用下的室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)，其中外擾主要是指室內(nèi)的各種氣候影響因素，包括了室外氣溫、濕度、太陽輻射強(qiáng)度等內(nèi)容。外擾主要作用于建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)之上，并通過各種不同的傳熱方式影響室內(nèi)熱環(huán)境。在ECOTECT中，對于外擾的描述主要來源于逐時氣象數(shù)據(jù)，對于內(nèi)擾則來源于用戶的相關(guān)設(shè)定，其包括了室內(nèi)人數(shù)、設(shè)備發(fā)熱量及運行時間表等。

2.1.2 模擬模型描述

模擬模型是英國倫敦地區(qū)一個二層辦公樓，每層樓面積約320m2。如圖1 所示，房屋一樓、二樓正南面的中間均設(shè)有16m×2.4m的玻璃窗，正西面的中間均設(shè)有8m×2.4m的玻璃窗。設(shè)置正南面的玻璃窗是為了可以充分吸收太陽能，設(shè)置正西面的玻璃窗是為了美觀和日常采光。此外，由于現(xiàn)在許多現(xiàn)代辦公樓都非常喜歡采用大面積玻璃作為立面，因此這個模擬模型在一定程度上是很有代表性的。

圖1 ECOTECT 模型（自繪）

2.1.3 設(shè)計要求

模擬模型是英國倫敦地區(qū)一個二層辦公樓，其尺寸為：每層樓高2.4m，房屋長20m，寬16m，每層樓面積約320m2。當(dāng)?shù)靥鞖鈹?shù)據(jù)采用ECOTECT 數(shù)據(jù)庫中2011年的倫敦天氣進(jìn)行模擬。內(nèi)墻、地板和天花板均采用隔熱材料，設(shè)置外墻為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，其熱阻性能值為0.35W/（m2·K）。為了充分研究不同立面類型對房屋能耗的影響，本文模擬了單層玻璃幕墻、雙層玻璃幕墻，以及外層玻璃組合雙層玻璃幕墻，這些立面類型均有不同的熱阻性能值和太陽光透射率，見表1。此外，根據(jù)CIBSE規(guī)范，玻璃面板的一般熱阻性能值為1.6W/（m2·K）。

表1 不同立面類型的熱阻性能值和太陽光透射率

設(shè)定模擬模型的內(nèi)擾因素如表2所示。設(shè)定工作時間為工作日早上8 點至下午5 點，其中午休時間為12 點至下午1 點。為了更好地分析房屋能耗情況，室內(nèi)外空氣交換系數(shù)為0.5ach，整個辦公樓無自然通風(fēng)，溫度調(diào)節(jié)全部由空調(diào)進(jìn)行。根據(jù)倫敦地區(qū)的空氣線圖，房屋室內(nèi)的適宜溫度區(qū)間為19～23℃。

表2 模擬模型的內(nèi)擾因素

2.1.4 供暖及制冷能耗情況

ECOTECT模擬G1A、G2A、G2B、G2C、G3A、G3B的平均每月供暖和制冷能耗結(jié)果如表3所示。

表3 不同立面類型的每月能耗結(jié)果

根據(jù)表3 所示，可以發(fā)現(xiàn)單層玻璃幕墻要比雙層玻璃幕墻和外層玻璃組合雙層玻璃幕墻全年耗能少，它在春季和冬季的制冷上節(jié)省了很多能源消耗。然而，單層玻璃幕墻在1—5月、9—12月期間需要更多的供暖能耗，在7 月、8 月需要更多的制冷能耗。盡管單層玻璃幕墻在全年總能耗上要少于雙層玻璃幕墻和外層玻璃組合雙層玻璃幕墻，但是相比起來，它的室內(nèi)熱環(huán)境舒適度會有所欠缺，人們在夏季可能會覺得悶熱，而在冬季又會覺得寒冷。由于單層玻璃幕墻的熱阻性能值比較大，導(dǎo)致它的保溫隔熱性能相對沒有雙層玻璃幕墻和外層玻璃組合雙層玻璃幕墻那么好，因此它需要全年（除了7月）供暖，這占了其全年能耗的17%。

對于雙層玻璃幕墻，G2A 全年耗能最少，約為14 336kWh，G2B全年耗能最多。從各個立面的熱阻性能值來看，G2A的熱阻性能值最大，卻消耗最少能量。從太陽光透射率方面看，太陽光透射率越小，全年所消耗的能量就越少。

對比單層玻璃幕墻G1A和雙層玻璃幕墻G2A的每月平均供暖和制冷能耗，從中可以發(fā)現(xiàn)，無論何種玻璃幕墻，二樓的能耗主要都用于夏季制冷上；而對于單層玻璃幕墻，一樓從當(dāng)年10月至次年5月幾乎都不需要制冷能耗。盡管較低熱阻性能值的立面有較好的保溫隔熱性能和相對高的熱環(huán)境舒適度，但是它全年的制冷能耗也會相應(yīng)增加。因此設(shè)計師需要綜合考慮房屋的能耗表現(xiàn)，而不是一味地追求立面的低熱阻性能值，同時也可以采取一些措施來減少春季、秋季的制冷能耗。

2.2 EDSL TAS 軟件模擬

2.2.1 理論

EDSL TAS是一個建筑熱能分析軟件，用于模擬建筑物的熱力學(xué)性能。EDSL TAS 幾乎可以模擬在不同條件、位置、天氣狀況下的任何建筑物。EDSL TAS 很容易上手和操作，它比較擅長于分析環(huán)境狀況及自然通風(fēng)、能源消耗等方面，主要包括3 個主要軟件，分別是3D建模、建筑物模擬和結(jié)果查看器。其中，3D建模主要用于模擬創(chuàng)建模型；建筑物模擬主要用于計算室內(nèi)的空氣流通情況、熱環(huán)境質(zhì)量及其他設(shè)備產(chǎn)熱情況等；結(jié)果查看器可以采用圖表方式對各類結(jié)果進(jìn)行比對和成列。

供暖制冷能耗是EDSL TAS軟件的一個重要功能，EDSL TAS 采用CIBSE 規(guī)范的原理對模擬建筑物進(jìn)行熱環(huán)境狀況分析。EDSL TAS 軟件曾和CIBSE 規(guī)范所算出的結(jié)果進(jìn)行過比對，研究人員運行TAS 軟件20d后得出供熱能耗為8.56kW，而CIBSE 規(guī)范的結(jié)果為8.72kW，結(jié)果表明其精確度較高。

2.2.2 模擬模型描述

模型設(shè)置及設(shè)計要求均與ECOTECT 模型設(shè)置一致。當(dāng)?shù)靥鞖鈹?shù)據(jù)采用EDSL TAS數(shù)據(jù)庫中2010年的倫敦天氣進(jìn)行模擬。模型參見圖2。

圖2 EDSL TAS 模型（自繪）

2.2.3 供暖及制冷能耗情況

模擬結(jié)果表明單層玻璃幕墻（G1A）全年消耗的能量最多，與雙層玻璃幕墻以及外層玻璃組合雙層玻璃幕墻相比，它需要更多的能耗用于夏季制冷和冬季供暖。從雙層玻璃幕墻結(jié)果來看，G2A 的熱阻性能值最大，太陽光透射率最小，所需要的全年能耗最少，為16 884kW·h。G2B和G2C的熱阻性能值和太陽光透射率均差不多，它們的全年耗能量也相差不大。對于外層玻璃組合雙層玻璃幕墻，G3A的熱阻性能值為1.606W/（m2·K），太陽光透射率為0.433；G3B 的熱阻性能值為1.503W/（m2·K），太陽光透射率為0.206。G3B 的全年耗能量為15051kW·h，是6個試驗中耗能最少的。

由此可以總結(jié)出，對于倫敦地區(qū)的天氣情況，相對較低的太陽光透射率的立面性能是必不可少的，但是較低的熱阻性能值卻不是非常有必要，這是因為辦公樓基本上為全封閉的空間，其室內(nèi)的內(nèi)擾因素發(fā)熱量非常高，而倫敦的氣候相對較冷，全年都不會過于炎熱或寒冷，因此并不需要非常低的熱阻性能材料來實現(xiàn)非常好的保溫隔熱效果，然而相對較低的太陽光透射率非常有必要，它可以幫助減緩太陽光的直射。

2.3 結(jié)果分析

ECOTECT 模擬的室內(nèi)內(nèi)擾發(fā)熱量為16858W，EDSL TAS 模擬的室內(nèi)內(nèi)擾發(fā)熱量為16488W，兩者相差不大。

兩個軟件計算的月平均太陽能吸收量，TAS 軟件的結(jié)果普遍要比ECOTECT 的結(jié)果高，但是相差不大，這可能是由于ECOTECT 軟件的天氣數(shù)據(jù)和TAS 軟件的天氣數(shù)據(jù)有一些差異。對于月平均通風(fēng)換熱量，兩個軟件的結(jié)果相差不明顯，差別可能是由于室內(nèi)外的溫度差所引起，兩個軟件所計算的室外溫度有所差異。月平均傳導(dǎo)換熱量兩個軟件的結(jié)果也差別不明顯，除了1月和2月的差距有點大，這仍然是由于兩者不同的室外溫度所引起的。

3 結(jié)語

總體來說，兩個軟件模擬的結(jié)果差別不大。從模擬結(jié)果上看，盡管單層玻璃幕墻在全年總能耗上要少于雙層玻璃幕墻和外層玻璃組合雙層玻璃幕墻，但是相比起來，它的室內(nèi)熱環(huán)境舒適度會有所欠缺，人們在夏季可能會覺得悶熱，而在冬季又會覺得寒冷。對于雙層玻璃幕墻和外層玻璃組合雙層玻璃幕墻，單一從立面的熱阻性能值或者太陽能透射率來看，并不能總結(jié)出一些規(guī)律，但是結(jié)合兩者便可以得出：相對于英國倫敦地區(qū)的天氣狀況，當(dāng)兩個立面的熱阻性能值差不多時，太陽能透射率越小的，耗能較少；而當(dāng)兩個立面的太陽能透射率差不多時，熱阻性能值越小反而耗能越多。