可控性玻璃幕墙节能分析.doc

可控性玻璃幕墙节能分析(一)摘 要:从不同方面总结了幕墙节能的建筑构造方法,并通过运用DOE - 2. 1 节能分析软件及传统的热工学理论详细地对比分析了几种玻璃幕墙各项热工性能的差别,并通过负荷峰值、太阳辐射、冷热负荷定量地阐述了玻璃幕墙带来的能耗损失。关键词:双层循环幕墙;中挂百叶幕墙;节能 在当代建筑设计中,玻璃幕墙得到了广泛的应用,但随着绿色建筑概念的提出,幕墙因其在建筑节能中的瑕疵及光污染等问题而受到较大的质疑,因此近年来对玻璃幕墙应用的探讨越来越深入。玻璃幕墙的节能措施已深入到建筑的第一个细部,但大多数的建筑师只能定性地了解,因此如何定量地分析和改善玻璃幕墙的节能方法和效益就显得非常重要,也只有这样才能引起建筑师的重视。1 节能原理分析 关于改善幕墙的方法有多种,根据分析有两种比较有效,第一种是利用双层幕墙冬夏两季形成不同循环环路,利用温室原理及烟囱效应达到节能的目的,当然与单层幕墙相比,双层幕墙的导热系数本身就有相当幅度的降低。 其节能原理1 是,循环幕墙由双层玻幕或一层玻幕及一层普通开窗墙体组成,内外两层均上下设置通风口,夏季时打开外层上下通风口,在阳光的照射下,中间层空气层温度升高而自然上浮,形成自下而上的空气流,由于烟囱效应带走通道的热量,降低内层表面温度,降低室内冷负荷。冬季时,关闭外层通风口,打开内层通过,夹层中的空气在阳光的照射下,温度升高,形成一个小温室有效提高内层玻璃及空气温度,气体自然上浮,与室内形成微量气体循环,提高室内温度,减少热负荷的需求。 另一种方案是对传统百叶遮阳的综合改进。由于太阳直射对建筑的冷热负荷有直接影响,冬季的阳光进入室内,夏季遮阳都能有效地控制负荷总值。但传统建筑中的百叶或挂于室内,难以高效控制已入室内的热量;或悬于室外,不能形成循环通风道,或多或少地对建筑节能有一定的负面影响。中挂百叶是幕墙改革的一个较好方案,法兰克福商业银行总部大厦2 是其中一个较好的例子,见图1。这种百叶幕墙解决了适时调节百叶的角度,以最佳状态达到节能的目的。 事实上每个幕墙构造的具体做法都涉及当地的气候条件。图2 为笔者实际作品的一个例子,当时称之为假性幕墙。由于当地属严寒地区,只在内层设置通风口,也就是只有冬季循环,但其全年日照时间很长,夏季日照时数还是较大,中挂百叶也是解决问题的一种方案。但对于长江中下游夏热冬冷地区,双路循环则是必须的。只有这样才能兼顾冬夏两季室内环境的要求。综合不同方案的优点,可以得出循环中挂百叶幕墙(简称中挂幕墙) 的构造,图3 为中挂幕墙在不同状态下的工作情况示意,仍然是一种定性的理解,下面就应对其做定量的分析。 2 分析方法及软件 分析采用对比的方法,我们首先设置单层玻璃幕墙作为对比条件,然后将其与双层循环幕墙及中挂百叶幕墙两种状态进行对比,定量地探讨其节能的效益。 分析的内容采取两组数据,一组是幕墙的变化对建筑整体负荷的影响,因为幕墙本身是不可能单独存在的,相关的条件对幕墙变化的影响是相互联系的,因此该数据具有一定的客观性。另一组数据是针对幕墙本身变化的研究,也就是将以目前相关的一部分建筑负荷提出来,这组数据具有可比性,其节能效益具有直观性。 采用的计算软件为夏热冬冷地区居住建筑节能标准(J GJ134 2001) 中推荐的美国能源部发布的Doe - 2. 1。这种软件的计算方法具有综合性、系统性及相当的精确度,它将某一局部的变化置于整体环境中,测算其对环境总的影响力。 3 计算条件的假定 为了便于定量分析,假定一种简化的建筑模型是必要的,假定的各种条件基于各种真实的资料。 3. 1 建筑的地理位置及气象资料 建筑假定在湖北潜江市江汉油田, 东经11253,北纬3025,属夏热冬冷地区。 该区域年平均气温为16. 5 ,年最高温度为37 ,最低温度约- 3. 2 。年平均降雨量为1150mm左右,年日照时数为1855h ,主导风向为NE ,频率为16 ,总云量为80. 7 成,低云量为25. 1 成。 3. 2 建筑物理模型 建筑假定为一个18m 18m 的独立大厅,层高7m ,如图4 :北、东、西窗户为3m 3m 的大窗,南部设18m 614m 幕墙,计算分单层幕墙、循环幕墙、中挂幕墙三个模型分别进行。 3. 3 建筑能耗计算的基本条件 (1) 外墙,240 砖墙两面抹灰,传热系数2103WP(m2K) ,延迟时间8h。 (2) 外门窗,单层金属门窗,单层幕墙,传热系数6140WP(m2K) 。双层幕墙按两层玻璃计算。循环通风口上下均为015m2 (多口总面积) 。 (3) 新风按门窗渗透风量计算。 (4) 普通屋面按当地常用通风屋面计算,传热系数按1. 54WP(m2K) 计算。 (5) 地面传热系数0. 2WPm2 。 (6) 冷负荷室内计算温度26 ,热负荷室内计算温度18 。4 负荷峰值 冷热负荷峰值是建筑负荷计算值,涉及安装设备功率的大小,除了有直接节能的意义外,对降低选用设备功率,从而减少一次性直接投资,也有相当的意义。因此负峰的降低在建筑节能方面具有重要的意义,是一个必须讨论的问题。单独分析该幕墙在负荷(或其峰值) 形成中所起的作用,更能直观反映节能的效率。可控性玻璃幕墙节能分析(二)5、太阳直射得热对负荷的影响 太阳直射得热在夏季产生冷负荷,在冬季有利于削减热负荷,这对冬夏两季具有非常重要的影响。特别是夏季,对于玻璃幕墙类的建筑,它对冷负荷的多少起到决定性的影响,对照表3 及综合负荷值(表6) 。太阳直射导致的冷负荷分别占建筑总负荷值的98. 14 % ,93. 33 % ,88. 97 %。因此降低太阳直射得热是降低冷负荷值必须考虑的一种方法。表4 中幕墙的冷负荷与表6 比较,发现非常有趣的是,对单体幕墙来说,太阳直射引起的冷负荷已超过了该幕墙所形成的总负荷,分别为129. 96 % , 120. 25 % ,120. 85 %。超出的部分必须通过该幕墙及该片墙体上少梁砖墙体向外逸出,也就是说在冷负荷状态下该幕墙的流量是从内向外,而不是通常认为的从外至内的流向。 因此,改善太阳直射得热是降低冷负荷最首要的任务。通过表3 可知,循环幕墙下降率为16146 %,而中挂能耗降低率为30166 %,在该方面都有相当的表现。对于单片幕墙来说,降低率分别为11174 %, 34115 %,循环幕墙冷负荷的降低率与整个建筑相比还低,说明循环幕墙对改善直射得热产生冷负荷作用偏弱,而中挂百叶将显著地增加为34115 %,高于整个建筑负荷的降低率近4 个百分点。 太阳直射得热也是减少冬季热负荷的重要原因,直接得热减少的热负荷值占建筑热负荷总值比例三成左右,在单体幕墙其比例更高,在六成以上。但减少热负荷的方法同样导致了太阳直射的得热量,在其它数值下降的同时,冬季太阳得热也同时下降,建筑负荷下降率分别为15. 15 % ,23. 30 % ,单体幕墙负荷降低率分别为39. 87 % ,56. 80 %。中挂百叶在太阳得热问题上由于具有可控性,优于循环幕墙,其降低速度明显低于循环幕墙的降低速度。 图5中幕墙的热负荷值均低于建筑热负荷值,两者差别清晰,说明幕墙所产生的热负荷值为建筑热负荷值的一部分,约为20 %30 %。而对于冷负荷来说关系较为复杂,呈交叉状态,部分时间段幕墙的冷负荷高于整个建筑产生的冷负荷,必须通过其它构件消耗,产生热流反向运动,才能达到平衡。6、玻璃导热及渗风冷热负荷的对比 影响幕墙建筑的另一个重要因素是玻璃导热问题。由于玻璃导热系数过高,为6. 40WP(m2 K) ,同时门窗幕墙玻璃的密封技术在国内还未得到根本解决,因此幕墙的节能问题一直困扰着建筑界。 在太阳直射得热部分分析了由于太阳直接得热过高,在冷负荷状态玻璃导热形成反向热流,从内至外,因此均为负值,由于太阳直射在冷负荷中起绝对作用,因此玻璃导热就显得不太突出。对于热负荷来讲,玻璃导热及渗风则是首要因素,在建筑负荷方面, 各自分别占总负荷的60119 % , 50191 % , 45198 % ,基本占总负荷的一半左右。 7、综合负荷 上面分析了影响负荷的几个主要因素,包括冷热负荷峰值、太阳直射、玻璃导热及渗风形成的负荷,事实上还有墙体、屋顶以及室内人体与照明形成的负荷,本文仅针对几个与幕墙相关的主要因素进行分析。 验算节能效益最终指标会落实在综合负荷上,因为它综合了各种正负两方面的影响,累积了不同程度的因素,因此作为衡量耗能指标应是最全面、最具说服力的一项。 与负荷峰值相反, 建筑冷负荷降低率为10.67 % ,22. 16 % ,与冷负荷相比建筑热负荷下降相对缓一些,下降分别为8. 60 % ,10. 28 %;说明改善幕墙的两种方法对于热负荷更为有效,同时也说明幕墙产生的冷负荷在建筑冷