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 合肥工業大學土木與水利工程學院

2 青海建筑職業技術學院

0 引言

目前，根據國際能源署的數據，建筑行業占全球能源消耗的36%和溫室氣體排放量的近40%[1]。不斷增長的能源需求進一步說明了降低建筑能耗的重要性。圍護結構作為建筑內外環境的隔斷，對建筑熱性能和室內舒適度有重要影響[2]。膜結構因其在構型和功能上的靈活性逐漸地流行起來。其中，ETFE（Ethylene-Tetrafluoroethylene）膜因其質輕、透明、強度高、自潔性等特性而被廣泛應用[3]。2008 年北京奧運會游泳館“水立方”是中國首座ETFE 膜結構建筑。這種以多層膜縫合成的氣枕構成的半透明圍護結構，兼具采光、結構、保溫等功能，打破了傳統建筑窗和墻的界限。但是這也意味著現有的建筑節能策略可能不適用于ETFE 建筑。同時，有研究表明ETFE 膜的高透光性會導致夏季室內溫度過高[4]。為避免這種隱患，工程中通常采用印刷鍍點的方式來調節ETFE 膜材透光率[5]。Robbin[6]提出了一種可變透光ETFE 氣枕結構以實現對太陽輻射的控制（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，通過兩個空腔的氣壓差調整中間層的位置，從而實現對透光率的控制[7]。盡管該系統已經被應用于國外一些建筑（如Duales System世博館、Festo 技術中心、Kingsdale 小學）[8-9]之中，但是關于這種適應性機制的建筑物理學的信息非常少，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和能耗表現。

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，旨在探究其對辦公建筑室內的光熱環境影響。采用Grasshopper 設計平臺，建立一個典型辦公室模型，通過Ladybug 和Honeybee 插件調用Radiance，Daysim 和EnergyPlus 內核進行光照和能耗模擬。此外，在合肥地區搭建等比例縮小的辦公室模擬，通過實驗驗證軟件模擬結果。

1 研究方法

通過對一個典型的安裝有ETFE 氣枕外窗的辦公室進行建模，研究室內光學環境和能耗水平。同時，在合肥地區搭建等比例縮小辦公室模型，測量室內光學環境變化，并與模擬結果對比分析。模擬采用Rhino 6軟件建模，基于Grasshopper 編程語言，通過Ladybug與Honeybee 插件調用Radiance、Daysim 進行光學計算，調用EnergyPlus 進行能耗計算，旨在得到室內照度、有效采光照度（UDI）、太陽得熱系數（SHGC）、全年建筑能耗等關鍵值。

1.1 氣象參數

合肥市地處中國華東地區，四季分明，屬于夏熱冬冷建筑氣候區和Ⅳ級光氣候區。本模擬采用中國標準氣象數據CSWD（Chinese standard weather data）中合肥市的氣象參數進行計算，計算時長全年，計算步長為一小時。合肥市的每月平均氣溫和南立面的太陽直接輻射月累計值如圖2 所示。本實驗測量數據獲取于2020 年5 月27 日，地點為合肥市，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值

1.2 模擬設置

1.2.1 模型建立

本研究在Rhino 6 軟件中建造了一個外部尺寸為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，窗臺高0.m。這個房間被設定為多層建筑中一個中間層朝南的辦公室。假設建筑內設置理想空調，室溫一致，目標辦公室只有南墻暴露在室外條件下，其他房間表面不產生熱量傳遞。

圖3 典型辦公室模型

1.2.2 參數設置

圍護結構主要光學及熱工參數輸入值如表1 所示。為簡化計算，對未提及計算參數采用軟件默認設置參數。

表1 圍護結構光學及熱工參數

根據《照明測量方法》（GB/T 5700-2008），本研究照度計算采用中心布點法，計算網格劃分與測點布置如圖4 所示。計算網格位于距地面0.75 m 平面生成，網格尺寸為0.75 m×0.75 m，測點位于網格中心點。

圖4 網格劃分與測點布置圖

為直觀反映建筑能量特性，辦公室設置理想空調系統，室內設計參數參數見表2。全年工作時間為上午9 點至下午5 點，人員逐時在室率，設備、新風工作時間表按《合肥市公共建筑節能設計標準》（DB34/T5060-2016）中辦公室相關時間表設置。選擇測點19 布置感光傳感器，當照度低于450lux 時自動開燈，當照度高于450lux 時自動關燈。通過全年動態采光模擬，生成照明時間表導入能耗計算中。

表2 室內設計參數

1.3 實驗準備

1.3.1 ETFE 氣枕制作

本實驗采用的三層ETFE 氣枕購于上海太陽膜結構有限公司，氣枕上層與中層采用厚度為250 μm，圓形銀色鍍點覆蓋面積為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 的鋁合金邊框層壓固定，氣枕外部尺寸為1 m×1 m，透明窗口尺寸為0.8 m×0.8 m。

1.3.2 實驗臺搭建

典型辦公室等比例縮小模型（見圖5）搭建于合肥市。框架采用鋼管腳手架搭建，圍護結構材料采用10 mm 厚灰色PVC 發泡板。實驗臺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）。照度測點布置與圖4 保持一致，測量平面距地面0.25 m，測量網格尺寸為0.25 m，測點位于網格中心點。照度測量采用泰仕電子工業股份有限公司生產的TES-1330A 數位式照度計。

圖5 典型辦公室等比例縮小模型

1.4 評價標準

中心布點法的平均照度可由下式計算：

式中：Eav為平均照度，lux；Ei在第i 個測點上的照度，lux；M 縱向測點數；N 橫向測點數。

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間分數。照度范圍是由分析周期內照度下限和照度上限來界定。根據前文所設置的辦公室照度標準值450lux，劃分UDI 范圍為450～2000lux。UDI 作為動態評價指標，意味著：1）在室內照度低于450lux 時，天然采光不足以滿足室內照度需求，需要人工照明作為補充光源。2）在室內照度位于450lux 與2000lux 之間，室內照度屬于理想的或至少可容忍的水平，不需要人工照明。3）當室內照度超過2000lux 時，天然采光可能會產生視覺或熱不適，可能需要遮光措施。

太陽得熱系數SHGC（Solar Heat Gain Coefficient）是指通過透光圍護結構（門窗或透光幕墻）的太陽輻射室內得熱量與投射到透光圍護結構（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件吸收再傳入室內的得熱量兩部分。

2 建筑光環境分析

2.1 模型驗證

實驗記錄了9:00 時至17:00 時的室內各測點照度值，經過計算處理，所得各時段平均照度與軟件模擬值進行對比，所得結果如圖6 所示。室內平均照度自9:00時逐漸升高，12:00 時達到全天最高水平后逐漸下降。軟件模擬所得的室內照度水平變化趨勢與實際觀測值相近，最大誤差10.4%出現在12:00 時。觀測所得數據經過處理生成的偽色圖與軟件模擬生成的室內照度分布圖對比如圖7 所示。以11:00 時所得數據圖為例，室內實測照度略高于模擬值，但整體照度分布趨勢一致，驗證模擬結果較為可信。

圖6 室內平均照度實測值與模擬值對比圖

圖7 同一時刻室內實測照度與模擬照度

2.2 有效采光照度分析

為研究ETFE 氣枕在全年的采光性能，本文采用全年動態采光模擬，計算各采光測點的有效采光照度（UDI）數據，并與標準雙層玻璃窗進行對比。

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

圖8 應用雙層玻璃窗建筑室內有效采光照度

圖9 和圖10 分別為ETFE 氣枕開啟模式和關閉模式的有效采光照度偽色圖。不同于雙層玻璃窗，應用ETFE 氣枕的室內在靠近窗的區域UDI4502000 的圖像，ETFE 氣枕無論開始模式還是關閉模式都會導致室內離窗較遠的工作平面采光不足。對于ETFE 氣枕開啟模式，室內采光不足的區域面積（UDIlux<450>80%）為31.3%，位于有效照度區間的區域面積（UDI45020%）為64.6%，可能發生采光過度的區域面積（UDIlux>2000>20%）為16.7%。對于ETFE 氣枕關閉模式，室內采光不足的區域面積（UDIlux<450>80%）為54.2%，位于有效照度區間的區域面積（UDI45020%）為47.9%，可能發生采光過度的區域面積（UDIlux>2000>20%）為12.5%。

圖9 應用ETFE 氣枕（開啟模式）建筑室內有效采光照度

圖10 應用ETFE 氣枕（關閉模式）建筑室內有效采光照度

通過有效采光照度分析，ETFE 氣枕具有改善調節室內采光環境的能力，可以有效降低室內產生因采光導致的過熱或者眩光風險，但也會導致室內離窗較遠的工作平面采光不足。采光不足的區域需要補充人工照明，由此產生的能耗需要進一步評估，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段逐時窗戶得熱和入射太陽輻射。圖中的每一點都代表相應類型窗的太陽得熱及其相應的入射太陽輻射。每種類型窗戶的太陽得熱系數（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。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 氣枕實際太陽得熱系數范圍為0.23 至0.31。可以預測隨著太陽輻射率的增加，室內照度逐漸達到高水平，ETFE 氣枕可以從開啟模式逐漸轉換到關閉模式，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（SHGC）

3.2 能耗模擬分析

在合肥氣候條件下，通過全年逐時能耗模擬，應用可變透光ETFE 氣枕和雙層玻璃窗的建筑能耗模擬結果如圖12 所示。窗戶系統會顯著影響制冷，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表示結果，主要在制冷，供暖和照明方面討論應用不同類型窗戶系統建筑的能耗水平。合肥屬于夏熱冬冷地區，應用透明雙層玻璃窗系統的建筑預計總能耗達到128.97 kWh/m2，其中冷負荷指標為90.35 kWh/m2，熱負荷指標為32.40 kWh/m2，照明能耗為6.22 kWh/m2。而應用可變透光ETFE 氣枕的建筑可以減少能耗需求，總能耗指標降至107.91 kWh/m2，冷負荷指標降至70 kWh/m2，熱負荷指標降至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，可變透光ETFE 氣枕降低了16.33%的建筑能耗。由圖13 可知，節能效果主要歸功于制冷能耗的大幅降低。可能的解釋為所研究的ETFE 氣枕擁有更低的太陽得熱系數（SHGC），從而能在制冷季較好地降低進入室內的太陽輻射量。對于供暖能耗來說，ETFE 氣枕節能效果并不顯著，這可能是氣枕保溫和太陽得熱的綜合結果。ETFE 氣枕擁有比透明雙層玻璃窗更好的保溫效果，可以降低冬季室內供暖的需求，但較低的SHGC 會減少太陽能的利用。至于應用ETFE 氣枕導致照明能耗升高，這符合前文對于有效采光照度（UDI）的分析結果。

圖12 應用ETFE 氣枕和雙層玻璃窗建筑全年能耗

4 結論

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，對應用ETFE 氣枕的建筑模型進行光熱聯合模擬，并與透明雙層玻璃窗系統進行比較。同時，在合肥市搭建了等比例縮小的辦公室模型，通過照度測量驗證了計算機模型的準確性。研究結果表明：

1）室內靠近窗戶區域常因超出照度舒適值（lux>2000）而產生過熱和眩光的風險。可變透光ETFE氣枕可以有效降低臨窗區域照度，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（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，也導致照明能耗增加。

本研究所得結論是基于特定地點、特定材料參數。不同參數ETFE 氣枕在不同地區可能會產生不同的應用效果。因此，需要進一步研究為可變透光ETFE 氣枕更廣泛應用提供理論基礎。