幕墻熱工性能對北京公共建筑能耗的影響

顏鼎峰 劉劍濤 劉彤

中國建筑科學研究院有限公司

0 引言

在現代高層建筑中，玻璃幕墻由于其較好的裝飾效果、現代化的外觀、多樣化的形式而被作為高層建筑的外圍護結構廣泛采用。它將建筑外圍護結構中的墻與窗合二為一，同時也巧妙地把建筑圍護結構的使用功能與裝飾功融為一體，有效提高了建筑物更的現代感與裝飾藝術性。據統計，現階段我國每年新增建筑幕墻面積達到1000 萬m2，玻璃幕墻重量輕因而減輕了建筑的承重壓力從而節約成本，并且還有采光率高、結構簡單更換方便等優點。由于玻璃的高熱傳導能力，玻璃幕墻造成的建筑整體能耗遠遠大于混凝土結構[1]。

我國建筑能耗的總量逐年上升，在能源總消費量中所占的比例已從上世紀70 年代末的10%上升到27.45%。而發達國家的建筑能耗一般占全國總能耗的33%左右。國家建設部科技司研究表明，隨著城市化進程的加快和人民生活質量的改善，我國建筑耗能比例最終還將上升至35%左右。如此大的比重，建筑耗能已經成為我國經濟發展的軟肋，然而建筑外窗是外墻圍護結構的薄弱環節，大片的玻璃幕墻無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冷熱負荷。同時將單位面積的負荷指標與幕墻傳熱系數和遮陽系數作二元線性回歸分析。為北京地區幕墻建筑的玻璃選型提供工程理論指導。

1 計算工具及模型

1.1 計算工具

幕墻傳熱是導熱，對流傳熱和熱輻射傳熱三者共同的結果。建筑幕墻對建筑能耗高低的影響主要有兩個方面：一方面是夏季空調和冬季供暖時室內外的溫差傳熱，另一方面是通過建筑透明玻璃材料引起的太陽輻射熱造成的建筑室內得熱。因此，要全面分析我國幕墻的能耗性能需要以各個地區的氣候條件為基礎，詳細分析幕墻各性能因素對不同地區建筑能耗的影響。本文使用PKPM 能耗模擬軟件，該軟件采用DOE-2 計算內核，通過建設部科技發展促進中心產品鑒定和中國建筑科學研究院性能測試，能動態計算全年逐時的冷熱負荷。

1.2 計算模型及參數

以北京地區某幕墻公建，用PKPM 軟件建立模型，建筑層數為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。室內計算信息及時間表選擇《北京市公共建筑節能設計標準》DB11/687-2015，房間信息如表1 所示。為分析幕墻對建筑能耗的影響，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 室內計算參數

2 幕墻的熱工性能對能耗的影響

選取玻璃幕墻傳熱系數K=1 W/(m2·K)到K=6 W/(m2·K)步長為1 W/(m2·K)，遮陽系數0.3 到0.8 步長為0.1，36 組工況進行模擬計算，從而得出幕墻熱工性能對能耗的影響。

2.1 幕墻傳熱系數對能耗的影響

選擇遮陽系數為0.6，傳熱系數K=1～6 W/(m2·K)，其他參數固定不變，其單位面積全年累計冷、熱負荷指標如圖3：

圖3 傳熱系數對單位面積全年負荷的影響

由圖3 可以看出，當遮陽系數不變，隨著傳熱系數的增加，單位面積熱負荷指標增加。在冬季供暖季節，幕墻的傳熱系數越小，單位時間通過單位面積傳遞的熱量越小，從而熱負荷越小。隨著傳熱系數的增加，單位面積冷負荷呈遞減趨勢。在夏季的供冷季節，幕墻的傳熱系數小，不利于室內向室外散熱，從而是冷負荷增加。隨著傳熱系數的增加，單位面積總負荷呈遞增的趨勢，由于傳熱系數增加，對熱負荷的增加程度大于冷負荷減少程度。

2.2 幕墻遮陽系數對能耗的影響

選擇傳熱系數K=4 W/(m2·K)，遮陽系數SC=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 其他參數固定不變，其單位面積全年累計冷、熱負荷指標如圖4：

圖4 遮陽系數對單位面積全年負荷的影響

由圖4 可以看出，當傳熱系數不變，隨著遮陽系數的增加，單位面積冷負荷指標增加。在夏季的供冷季節，幕墻的遮陽系數大，通過幕墻的太陽輻射得熱量也越大，從而是冷負荷增加。隨著遮陽系數的增加，單位面積熱負荷呈遞減趨勢，在冬季供暖季節，幕墻的遮陽系數越大，幕墻的太陽輻射得熱量也越大，從而減少了熱負荷。隨著遮陽系數的增加，單位面積總負荷呈遞增的趨勢，由于遮陽系數增加，對冷負荷的增加程度大于熱負荷減少程度。

2.3 幕墻傳熱系數、遮陽系數對單位面積冷熱負荷指標的二元回歸分析

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

圖5 遮陽系數級傳熱系數對單位面積熱負荷的影響

圖6 遮陽系數級傳熱系數對單位面積冷負荷的影響

圖7 遮陽系數級傳熱系數對單位面積總負荷的影響

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

表2 單位面積冷熱、總負荷的二元回歸方程

圖8 總負荷擬合公式與實際結果誤差

通過總負荷擬合公式與實際結果誤差（圖8）及表2 的分析結果可以得到，建筑冷、熱總負荷與外窗傳熱系數和遮陽系數呈良好的線性關系，通過回歸方程的影響系數可以看出，對于北京地區的全幕墻建筑，玻璃的遮陽系數較傳熱系數對建筑總負荷影響更大。

3 結論

分析不同遮陽系數及傳熱系數玻璃的全年累計冷熱負荷，同時將單位面積的負荷指標與幕墻傳熱系數和遮陽系數作二元線性回歸分析。得出結論如下：

1）當遮陽系數不變，隨著傳熱系數的增加，單位面積熱負荷指標增加，在冬季供暖季節，幕墻的傳熱系數越小，單位時間通過單位面積傳遞的熱量越小，從而熱負荷越小。隨著傳熱系數的增加，單位面積冷負荷呈遞減趨勢，在夏季的供冷季節，幕墻的傳熱系數小，不利于室內向室外散熱，從而是冷負荷增加。隨著傳熱系數的增加，單位面積總負荷呈遞增的趨勢。由于傳熱系數的增加，對熱負荷的增加程度大于冷負荷減少程度。

2）當傳熱系數不變，隨著遮陽系數的增加，單位面積冷負荷指標增加。在夏季的供冷季節，幕墻的遮陽系數大，通過幕墻的太陽輻射得熱量也越大，從而是冷負荷增加。隨著遮陽系數的增加，單位面積熱負荷呈遞減趨勢，在冬季供暖季節，幕墻的遮陽系數越大，幕墻的太陽輻射得熱量也越大，從而減少了熱負荷。隨著遮陽系數的增加，單位面積總負荷呈遞增的趨勢，由于遮陽系數增加，對冷負荷的增加程度大于熱負荷減少程度。

3）單位面積熱負荷隨著傳熱系數增加而增加，隨著遮陽系數增加而減少。單位面積冷負荷隨著傳熱系數增加而減少，隨著遮陽系數增加而增加。單位面積總負荷隨著傳熱系數及遮陽系數的增加而增加，并得到二元回歸方程。建筑冷、熱總負荷與外窗傳熱系數和遮陽系數呈良好的線性關系，通過回歸方程的影響系數可以看出，對于北京地區的全幕墻建筑，玻璃的遮陽系數較傳熱系數對建筑總負荷影響更大。