基于DeST 的公共建筑玻璃幕墻能耗分析

高一丹

（煙臺(tái)大學(xué) 海洋學(xué)院，山東 煙臺(tái)）

引言

玻璃幕墻因其優(yōu)美、時(shí)尚及其維護(hù)方便的特性在當(dāng)代公共建筑中獲得廣泛應(yīng)用[1]。但由于玻璃較高的熱傳導(dǎo)性，玻璃幕墻受外部環(huán)境的影響較大，不同地區(qū)的玻璃幕墻維護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案不能通用[2]。目前針對(duì)北方寒冷地區(qū)玻璃幕墻的能耗研究較少，同時(shí)，多數(shù)研究通常依據(jù)單變量分析能耗和傳熱系數(shù)的變化[3]。對(duì)于中空玻璃，不同間隔氣體如何影響傳熱系數(shù)，不同間隔厚度又如何影響耗能，專門(mén)研究玻璃參數(shù)影響建筑能耗的成果也很少見(jiàn)[4]。本文以天津地區(qū)公共建筑玻璃幕墻為例，研究分析北方寒冷地區(qū)玻璃幕墻的材料、間隔氣體及間隔氣體厚度的對(duì)建筑冷、熱負(fù)荷的影響，達(dá)到門(mén)窗節(jié)能性能提升目標(biāo)。

1 基于玻璃幕墻的公共建筑模型

本文選取天津地區(qū)一辦公建筑為建筑模型，坐標(biāo)位置設(shè)為：東經(jīng)116°42″，北緯38°33″。根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50189-2015，該地區(qū)屬于寒冷B 區(qū)。建筑共有6 層，無(wú)地下室，各朝向的窗墻比均為0.7，層高4.8 m，總建筑空調(diào)面積為3 094.63 m2，其平面圖如圖1 所示。

圖1 模型平面圖

按照DeST-c 辦公建筑的作息時(shí)間設(shè)定室內(nèi)人員、燈光、設(shè)備熱擾作息時(shí)間，對(duì)應(yīng)參數(shù)設(shè)定如表1 所示。

表1 主要房間的人員、燈光、設(shè)備熱擾參數(shù)

根據(jù)北方寒冷地區(qū)氣候特點(diǎn)，本模型采暖時(shí)間段為11 月15 日至來(lái)年3 月15 日，采暖期間溫度控制為18 ℃，空調(diào)季時(shí)間段設(shè)定為4 月15 日至10 月15日[5]，空調(diào)溫度設(shè)定為26 ℃，空調(diào)間歇運(yùn)行。

2 玻璃參數(shù)對(duì)建筑能耗分析

2.1 玻璃類(lèi)型對(duì)建筑能耗的影響

換熱面積大是玻璃幕墻的主要特點(diǎn)，不同傳熱系數(shù)的玻璃材料勢(shì)必帶來(lái)不同的建筑能耗。在此選取了5 種傳熱系數(shù)不同的材料進(jìn)行模擬能耗分析，具體參數(shù)見(jiàn)表2。不同玻璃材料在各個(gè)季度冷熱負(fù)荷的變化趨勢(shì)及能耗模擬分析結(jié)果分別對(duì)應(yīng)圖2。

圖2 不同玻璃類(lèi)型的累計(jì)冷熱負(fù)荷對(duì)比

表2 不同玻璃類(lèi)型性能參數(shù)

由圖2 的能耗對(duì)比結(jié)果看出，鍍Low-e 膜玻璃的累計(jì)熱負(fù)荷相比其他玻璃類(lèi)型較大，累計(jì)冷負(fù)荷卻最小。因其Low-e 鍍膜在可見(jiàn)光380 nm～780 nm 波段范圍內(nèi)，具有較高的透射率及較低的反射率；在780 nm～2 500 nm 的紅外波段范圍內(nèi)，具有極低的透射率及較高的反射率[6]。使其既可以有效阻擋來(lái)自太陽(yáng)的輻射，又可以減少玻璃幕墻兩側(cè)的熱量傳遞，從而達(dá)到保溫節(jié)能的效果。玻璃類(lèi)型1、3、4 和2、5 鍍Low-e 膜相比其空調(diào)季冷負(fù)荷、供暖季熱負(fù)荷都是相對(duì)大的，以普通6 mm 厚玻璃為比較基準(zhǔn)，鍍Low-e膜玻璃的供暖季熱負(fù)荷下降了2.72%，空調(diào)季冷負(fù)荷下降了8.1%，充惰性氣體鍍Low-e 膜玻璃的供暖季熱負(fù)荷下降了12.78%。這說(shuō)明鍍Low-e 膜可以有效降低公共建筑的能耗，達(dá)到節(jié)能的效果，但夏冬季節(jié)能效果不盡相同，需要按照工程的實(shí)際情況選擇。

2.2 間隔氣體類(lèi)型對(duì)建筑能耗的影響

本節(jié)選取幾組常見(jiàn)的玻璃間隔氣體類(lèi)型(表3)，模擬計(jì)算不同間隔氣體對(duì)公共建筑能耗的影響，其相應(yīng)的全年累計(jì)冷熱指標(biāo)模擬結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同間隔氣體類(lèi)型的全年累計(jì)冷熱指標(biāo)

表3 不同玻璃類(lèi)型性能參數(shù)

由于中空玻璃存在氣體間隙層，導(dǎo)致傳熱系數(shù)比較低，極大的提升了玻璃幕墻的隔熱性能。對(duì)比不同間隔氣體類(lèi)型的全年累計(jì)冷熱指標(biāo)的模擬結(jié)果，充入惰性氣體氬氣鍍Low-e 膜玻璃的節(jié)能效果最為顯著，其相比鍍Low-e 膜未填充惰性氣體玻璃，傳熱系數(shù)下降22.58%，全年累計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)下降11.4%，全年累計(jì)冷負(fù)荷指標(biāo)上升6%。當(dāng)普通中空6+9+6 玻璃中加入空氣時(shí)，6+9A+6 的傳熱系數(shù)變?yōu)?.1 W/ (m2·k)，遮陽(yáng)系數(shù)SC 值幾乎不變，全年累計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)150.87 kW·h/m2，約下降9.3%，全年累計(jì)冷負(fù)荷指標(biāo)215.95 kW·h/m2，約上升16.64%，可見(jiàn)透光率也下降了34.6%，視覺(jué)效果上也更為出色。通過(guò)上述數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相同雙層玻璃中充入氬氣、空氣時(shí)，傳熱系數(shù)相比未充入狀態(tài)下變小，遮陽(yáng)系數(shù)SC 值幾乎不變，全年熱負(fù)荷指標(biāo)下降，全年冷負(fù)荷指標(biāo)上升。

2.3 間隔氣體厚度對(duì)建筑能耗的影響

如前所述，雙層中空玻璃要比單層玻璃節(jié)能，但是如何選擇中間氣體隔層厚度仍是一個(gè)難題。為此選用5 類(lèi)不同間隔厚度的雙銀Low-E 玻璃（表4），分析不同間隔氣體厚度對(duì)建筑能耗的影響。

表4 不同間隔氣體厚度的玻璃幕墻

圖4 給出不同間隔氣體厚度玻璃幕墻的冷、熱負(fù)荷變化趨勢(shì)圖，由該圖看出間隔氣體厚度從6 mm 增加到9 mm 后，全年建筑能耗驟然降低，但是隨著間隔氣體厚度的再次增加，能耗變化逐漸趨緩，此結(jié)果與傳熱系數(shù)K 的變化趨勢(shì)一致，繼續(xù)增加間隔氣體層厚度節(jié)能效果也不再顯著?？紤]到經(jīng)濟(jì)性因素，不能盲目的增加玻璃的間隔層厚度。

圖4 不同間隔氣體厚度玻璃幕墻的冷、熱負(fù)荷變化趨勢(shì)圖

為得到最佳間隔氣體厚度，本實(shí)驗(yàn)以6mm 厚度為基準(zhǔn)，驗(yàn)證不同厚度造成的能耗差別，表5 給出不同厚度的能耗對(duì)比結(jié)果，由表可得全年累計(jì)能耗最低的為雙銀6low-E+13A+6，相比雙銀6low-E+6A+6，能耗降低了5.54%。由此也說(shuō)明建筑能耗并不是隨著間隔氣體厚度增加而同步降低。

表5 不同厚度的能耗對(duì)比結(jié)果

3 結(jié)論

本文利用DeST-C 軟件，采用對(duì)比分析的研究方法，分別從玻璃材料類(lèi)型、間隔氣體的種類(lèi)和厚度三個(gè)方面，深入探討了玻璃參數(shù)對(duì)北方寒冷地區(qū)公共建筑能耗的影響。通過(guò)軟件模擬及對(duì)比分析，我們得出如下結(jié)論：

（1） 不同類(lèi)型玻璃的負(fù)荷在采暖季和空調(diào)季通常是相反的，鍍Low-e 膜(高透)玻璃的總負(fù)荷相對(duì)最小。

（2） 充有惰性氣體氬氣的雙層玻璃全年熱負(fù)荷指標(biāo)明顯下降，充入氬氣的鍍Low-e 膜玻璃的節(jié)能效果最為顯著。

（3） 間隔氣體的厚度會(huì)影響傳熱系數(shù)，但是建筑能耗并不隨著間隔氣體厚度增加而同步降低，而是先降低后增大。