某項目蓄水玻璃屋面節能性分析

金津 歐佳偉

1 湖南大學設計研究院有限公司

2 咸寧南玻節能玻璃有限公司

0 引言

蓄水玻璃屋面的熱量傳遞是一個復雜的不穩定傳熱過程，它包括蓄水層表面與室外空氣間的熱濕交換，蓄水層內部的對流換熱和導熱，蓄水層底部與下層玻璃表面溫差傳熱和對流換熱以及透過蓄水層和玻璃屋面進入室內的太陽輻射熱[1]。因此，無法利用國內常用的節能軟件對該方案的節能性進行模擬分析。

本文根據蓄水玻璃屋面的構造，分別計算透明區和非透明區形成的冷負荷，兩者之和與參照屋面形成的冷負荷比較，對其節能性進行權衡判斷。屋面透明區根據能量守恒定律，簡化內部熱流動態過程，將屋面分解為上下兩層進行計算：蓄水層兩側室外環境（外）和玻璃屋面（內）的熱量傳遞。玻璃屋面兩側蓄水層（外）和室內環境（內）的熱量傳遞。屋面非透明區域按常規溫差傳熱計算。

1 項目概況

廣州某藝術展館總建筑面積8100 m2，層高4.5 m，采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構和鋼結構形式。展館為單層水下通道式展覽建筑，由展示區和通道及相關配套用房組成，中心區域為直徑67 m 的圓形露天花園。展館展示區考慮室內空間展示效果，人員參觀區域設計為蓄水透明屋面，面積為4495 m2，其他區域為夾芯板保溫屋面，面積為2724 m2。

根據設計方案，蓄水屋面透明區擬采用三層夾膠玻璃抵抗上層水壓，即3 層12 mm 夾膠玻璃表面覆水深度500 mm。非透明區擬采用夾芯板保溫屋面：建筑鋼材2 mm+玻璃棉板120 mm+建筑鋼材2 mm。另就近在地下設有一個300 m3市政中水，雨水集水池和一個600 m3的超濾系統配水池，利用2 臺循環水泵24小時運行，保持屋面水體流動、循環凈化，確保水體的透明度。

2 節能分析

項目位于夏熱冬暖地區，無需考慮供熱需求，因此主要是對該方案中屋面透明區和非透明區形成的逐時冷負荷分別計算并求和。

2.1 屋面透明區

忽略水層與周圍環境間輻射換熱的影響，根據蓄水玻璃屋面室內外熱流動態過程將屋面形成的冷負荷分解為：在夏季自然通風條件下，當空氣溫度大于蓄水層溫度時，通過溫差傳熱空氣傳遞給蓄水層的顯熱量與到達水面的太陽輻射熱量，一部分用于水的蒸發，一部分用于加熱蓄水層，另一部分透過蓄水層到達下層玻璃表面。透過玻璃屋面進入室內的太陽輻射得熱，蓄水層與玻璃表面之間的對流換熱量，以及通過玻璃屋面進入室內的溫差傳熱。

2.1.1 蓄水層熱量傳遞

蓄水層熱量傳遞主要包括室外空氣-蓄水層溫差傳熱、吸收的太陽輻射熱和水面蒸發耗熱量。

空氣-蓄水層溫差傳熱：

吸收的太陽輻射熱：

水面蒸發耗熱量：

式中：Qc，out為空氣與蓄水層的溫差傳熱量，W；Qs，x為蓄水層吸收的太陽輻射熱，W；Qe為水面蒸發耗熱量，W；t(w,τ)為蓄水層逐時溫度，°C；t(a,τ)為夏季空調室外計算逐時溫度，°C；a 為空氣與蓄水層表面的顯熱交換系數，W/ (m2·°C)；Qs為到達蓄水層的太陽輻射熱，W；Qs''為透過蓄水玻璃屋面進入室內太陽輻射熱，W；γ(tw,τ)為蓄水層瞬時溫度下的飽和水汽化潛熱，kJ/kg；m 為蒸發水量，kg/h。

進入蓄水層的太陽輻射熱由于水體的吸收和散射逐漸減弱，僅有一部分到達下層玻璃屋面。太陽輻射能中可見光（波長0.4～0.76 滋m）區域占總能量約50%，紅外（波長＞0.76 滋m）區域占約43%，紫外（波長＜0.4 滋m）區域占總量約7%。經相關物理學對太陽輻射能透射率研究得出，由于反射和吸收的結果，太陽輻射能在射入水面后，隨深度增加會大大的衰弱（詳表1[4]），僅少部分到達并透過玻璃屋面進入室內形成空調冷負荷[4]。

表1 不同波段的太陽輻射能透過水深后的能量百分比

透過了500 mm 的蓄水層到達玻璃表面的太陽輻射熱：

式中：Qs'為透過蓄水層到達玻璃表面的太陽輻射熱，W；F 為蓄水層表面積，m2；Jz為單位面積蓄水層表面夏季太陽總輻射照度，W/m2。

當未飽和空氣和蓄水層表面接觸時，因水面水蒸氣分壓力高于未飽和空氣的水蒸氣分壓力，產生液面水汽蒸發，吸收大量的熱。根據道爾頓定理推導出的水面蒸發量計算經驗公式，計算出蓄水層表面的蒸發水量。

式中：W 為單位面積水面蒸發量，mm/(d·m2)；E 為水面溫度下的飽和水汽壓，hPa；e150為水面以上150 cm 高處的實際水汽壓，hPa；u150為水面以上150 cm 高處的風速，m/s。

2.1.2 玻璃屋面熱量傳遞

玻璃屋面熱量傳遞主要包括透過玻璃屋面進入室內的太陽輻射得熱，蓄水層與玻璃表面之間的對流換熱量，通過蓄水層傳遞給室內空氣的顯熱量。

進入室內的太陽輻射熱：

蓄水層-玻璃屋面的對流換熱：

進入室內的溫差傳熱：

式中：Qf為對流傳熱量，W；Qc,in為溫差傳熱量，W；；xg為玻璃屋面窗框比；SHGC 為玻璃屋面的太陽得熱系數；h 為水的對流換熱系數，W/(m2·K)；Kg為玻璃屋面傳熱系數，W/(m2·K)；Fg為玻璃屋面面積，m2；T 為蓄水層平均溫度，K；Tin為室內空調設計溫度，K。

根據無遮陽設施外窗的太陽輻射冷負荷計算公式[2]和透過玻璃窗進入的太陽輻射得熱形成的逐時冷負荷計算公式[3]，逐時計算出透過下層玻璃屋面進入室內的太陽輻射熱Qs''。

該地區夏季持續日照，日間室外空氣溫度高于水面溫度，忽略水面反射作用，上層水體吸收的太陽輻射熱和環境空氣溫差傳熱扣除水面蒸發耗熱量后，仍有部分熱量被水體吸收。水體吸熱后不易迅速向下傳導，在延時迭加效應的影響下水溫緩慢變化。且為了保持水量恒定和水體透明度，自動過濾補水裝置和超濾水池就近設在地下，池內水溫按該地區地下水溫20°C取值。低溫水持續從蓄水層底部注入，減緩了上層水體溫度變化對下層玻璃屋面的影響。為簡化計算忽略蓄水層內部的溫度梯度，假定水體溫度變化至均勻，按平均溫度進行相關計算。

蓄水層吸收熱量：

蓄水層平均溫度：

式中：Qx為蓄水層吸收熱量，W；M 為屋面蓄水量，kg；t為蓄水層平均溫度，°C；mb為補水量，kg/h；tb為補水溫度，°C；C 為水的比熱容，kJ/(kg·°C)；t(w,τ)為蓄水層逐時溫度，°C。

當蓄水層平均溫度大于室內空調設計溫度時，屋面透明區形成的逐時冷負荷為Qz''、Qf以及Qc,in之和。當蓄水層平均溫度小于等于室內空調設計溫度時，則透明區域逐時冷負荷不大于Qz''。

2.2 屋面非透明區

根據通過圍護結構傳入的非穩態傳熱形成的逐時冷負荷計算公式[3]，計算非透明區域溫差傳熱：

式中：Qw為屋面非透明區形成的逐時冷負荷，W；Kw為屋面非透明區傳熱系數，W/(m2·K)；Fwm為屋面非透明區面積，m2；T(wm,τ)為屋面非透明區的逐時冷負荷計算溫度，°C。

綜上，該項目蓄水玻璃屋面形成的逐時冷負荷為Qz''、Qf、Qc,in以及Qw之和。

3 權衡判斷

按《廣東省公共建筑節能設計標準》DBJ15-51-2020 設定參照屋面熱工參數，總面積為7219 m2，透光部分面積721.9 m2，傳熱系數3.0 W/(m2·K)，太陽得熱系數0.30。非透光部分面積為6497.1 m2，傳熱系數0.90 W/(m2·K)。參照屋面最大逐時冷負荷值包括透過玻璃天窗進入的太陽輻射得熱形成的逐時冷負荷和屋面傳熱形成的逐時冷負荷。根據無遮陽設施外窗的太陽輻射冷負荷計算公式[2]計算透過無遮陽玻璃天窗的太陽輻射形成的逐時冷負荷，根據圍護結構傳入的非穩態傳熱形成的逐時冷負荷計算公式[3]分別計算透光部分和非透光部分屋面傳熱形成的逐時冷負荷。對比算得的蓄水玻璃屋面日累計制冷需求與參照屋面日累計制冷需求，進行權衡判斷。

按照上述計算方法，算得該項目蓄水玻璃屋面方案日累計制冷需求為4773.54kW，參照屋面日累計制冷需求為3795.87 kW，蓄水玻璃屋面超出參照屋面日制冷需求25.76%，權衡判斷為不滿足節能要求。

蓄水玻璃屋面形成的冷負荷各項計算結果顯示：蓄水層底部持續注入低溫補水，可有效減緩水體溫度上升，確保了下層玻璃導熱面溫度不大于室內空調設計溫度。太陽輻射熱的影響最大，透明區面積和玻璃屋面的太陽得熱系數是決定節能效果的主要因素。因此，可通過減少透明區面積或降低下層玻璃屋面的太陽得熱系數來提高蓄水玻璃屋面的節能性能。經計算，將原屋面方案的透明區域面積與屋面總面積比值降至47.5%，日制冷需求降為3772.45 kW。根據咸寧南玻提供相關數據，將玻璃屋面改為中空夾膠玻璃（8 雙銀高透+12A+8C/1.52PVB/8C），太陽得熱系數由0.59 降至0.435，屋面的日制冷需求降為3565.1 kW。采取這兩種措施后屋面形成的冷負荷逐時計算結果對比如圖1 所示，較參照屋面日制冷需求權衡判斷均可滿足節能要求。

圖1 逐時冷負荷計算結果對比

4 結論

蓄水玻璃屋面雖然利用蓄水層減少了太陽輻射的熱作用，但在實際應用中還應合理設計屋面透明部分面積和合理選擇玻璃屋面的太陽得熱系數才能滿足節能要求。此外，持續穩定的低溫補水不僅保證了蓄水層水量和水體透明度，更是降低上層水體與室內空間換熱的有效措施。