玻璃幕墻對室內(nèi)熱環(huán)境與能耗的影響

狄育慧，陳愛娟，王利端

(1.西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安710048;2.西安華宇建筑設(shè)計(jì)有限公司，陜西西安710068)

玻璃幕墻對室內(nèi)熱環(huán)境與能耗的影響

狄育慧1，陳愛娟1，王利端2

(1.西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安710048;2.西安華宇建筑設(shè)計(jì)有限公司，陜西西安710068)

通過測量室內(nèi)外溫濕度，分析西安市某辦公建筑玻璃幕墻對室內(nèi)熱環(huán)境的影響.根據(jù)測試數(shù)據(jù)回歸分析得出夏季室內(nèi)溫度與室外溫度的擬合度，通過現(xiàn)場測試和計(jì)算得出PMV-PPD值，并調(diào)查了辦公室內(nèi)人們對室內(nèi)熱環(huán)境的滿意度.認(rèn)為該玻璃幕墻建筑室內(nèi)熱環(huán)境能滿足大部分人的要求.根據(jù)設(shè)定不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)，模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)對建筑能耗的影響，為玻璃幕墻辦公建筑提出合理的節(jié)能措施和改造方案.

玻璃幕墻;熱環(huán)境;建筑能耗;ECOTECT軟件;預(yù)測平均熱感覺指標(biāo)

0 引言

隨著建筑施工技術(shù)的迅速發(fā)展，玻璃幕墻外觀獨(dú)特、造型別致，被認(rèn)為是一種特色的外墻裝飾形式，越來越受到人們的廣泛使用.辦公建筑既應(yīng)滿足人們熱舒適和健康要求，又應(yīng)滿足節(jié)能原則.隨著社會(huì)的進(jìn)步和人民生活水平的提高，再加上人們在室內(nèi)度過的時(shí)間占人一生的80%以上，所以人們對室內(nèi)熱環(huán)境的要求也越來越高.影響人體熱舒適的主要因素有服裝熱阻、空氣溫度和氣流速度［1-3］.高甫生［4］分析了玻璃類型、窗墻比、表面平均輻射溫度、遮陽措施等因素對人體舒適溫度及空調(diào)能耗的影響.白莉［5］分析了玻璃幕墻與太陽能平均得熱系數(shù)的關(guān)系和其綜合傳熱系數(shù)等熱工性能.楊春英［6］從Fanger熱舒適方程角度出發(fā)，分析了玻璃幕墻建筑室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的選擇和設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng).由于玻璃幕墻與其他墻材有不同的熱工性能，因此對其進(jìn)行研究分析來掌握室內(nèi)熱環(huán)境的特性，進(jìn)一步為改善室內(nèi)熱環(huán)境提供科學(xué)依據(jù).本文從熱舒適和能耗角度研究了西安市玻璃幕墻建筑的室內(nèi)熱環(huán)境.

1 實(shí)驗(yàn)測試

被測建筑位于南門外，臨街，屬于新建建筑，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)均為玻璃幕墻，所測辦公區(qū)域玻璃幕墻朝東，此幢建筑共12層，進(jìn)行調(diào)查及測試的辦公室位于第10層.該辦公室面積約260m2，房間窗戶類型為單層窗框雙層玻璃，可開啟面與整面玻璃幕墻面積之比基本為0，工作人員約60人，室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)方式為風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng).

現(xiàn)場測試所使用的儀器為清華同方的RHLOG系列的溫濕度自記儀及SWEMA3000系列的微風(fēng)速、溫濕度及黑球溫度測試儀.每次的測量周期為完整的72h，六、七、八月每月一次，所有溫濕度儀的記錄步長為1h.在這些時(shí)間段的整個(gè)測試過程中，室內(nèi)工作人員都在正常辦公，每人一臺(tái)電腦，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行，門窗緊閉.

1.1 溫度測試

室內(nèi)外空氣溫度逐時(shí)變化曲線如圖1所示.從圖1可以看出，室外空氣溫度最低值出現(xiàn)在8月19日的早晨5：00，溫度19.41℃，最高值出現(xiàn)在8月17號14：00，為44.34℃.室內(nèi)溫度最低23.5℃，最高31℃，集中分布于26℃～28℃，均值為26.9℃.由于室外空氣的溫度受到太陽輻射等因素影響，空氣溫度波動(dòng)較大，但室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行，所以室內(nèi)溫度的波動(dòng)較小.

建筑室內(nèi)溫度受室外溫度影響程度的大小可反映出該建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的好壞.通過對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出了夏季該幢建筑室內(nèi)溫度與室外溫度的擬合方程：

式中ta為夏季室內(nèi)溫度(℃)，to為夏季室外溫度(℃)，R2為室外溫度與辦公建筑室內(nèi)溫度擬合度.

1.2 相對濕度的測試

圖1 室內(nèi)外空氣溫度逐時(shí)變化曲線

圖2 室內(nèi)外空氣相對濕度逐時(shí)變化曲線

室內(nèi)外空氣相對濕度如圖2所示.從圖2可以看出，被測建筑室內(nèi)相對濕度集中分布于50%～70%，均值達(dá)到62.9%.室外空氣由于受到氣候等因素影響，空氣的相對濕度波動(dòng)較大.

2 PMV-PPD計(jì)算分析

預(yù)測平均熱感覺指標(biāo)PMV(Predicted Mean Vote)是在人體熱平衡的理論基礎(chǔ)上得出的，其理論依據(jù)即當(dāng)人體處在穩(wěn)定的熱環(huán)境中時(shí)，此時(shí)如果人體的熱負(fù)荷越大，那么人體偏離熱舒適的狀態(tài)就越遠(yuǎn)，PMV熱感覺標(biāo)尺分為七個(gè)等級，分別為熱、暖、微暖、適中、微涼、涼、冷，并且分別用3，2，1，0，-1，-2，-3表示［7］.陳翠萍運(yùn)用OBP算法來預(yù)測影響熱舒適性的PMV指標(biāo)，建立了PMV指標(biāo)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)了PMV指標(biāo)的智能化預(yù)測，為解決基于PMV指標(biāo)的空調(diào)實(shí)時(shí)控制和硬件實(shí)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)［8］.

由于人與人在生理上存在差別，故Fanger又相應(yīng)的提出了預(yù)測不滿意百分比PPD(Predicted Percent Dissatisfied).1984年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出室內(nèi)熱環(huán)境評價(jià)與測量的新標(biāo)準(zhǔn)化方法ISO7730，并推薦PPD為10%，即允許有10%的人感到不滿意，此時(shí)對應(yīng)的PMV在-0.5～+0.5之間［9］.

運(yùn)用相關(guān)程序，把自記儀里每個(gè)月的溫濕度數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中，先對每月的無效數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，然后同樣運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)圖形的繪制比較.根據(jù)PMV-PPD的計(jì)算公式，并依據(jù)ASHRAE對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行賦值，編程進(jìn)行PMV-PPD的計(jì)算，再次運(yùn)用SPSS對PMV-PPD進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪制圖形.查詢相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對辦公人員的衣服熱阻及代謝率進(jìn)行賦值，并認(rèn)為室內(nèi)的輻射溫度近似于干球溫度，編程進(jìn)行PMV與PPD的計(jì)算，重點(diǎn)分析溫濕度對PMV-PPD的綜合影響.相關(guān)參數(shù)的取值如下：衣服熱阻Ic=0.35clo，風(fēng)速取平均值V=0.2m/s，人體代謝率M=1.2met.

夏季PMV折線圖如圖3所示.從圖3可以看出，被測建筑的PMV值隨著時(shí)間推移整體趨勢先上升再下降;被測建筑夏季PPD分布圖如圖4所示.從圖4可以看出，對被測建筑室內(nèi)熱環(huán)境有37.90%的人可接受，29.7%的人較滿意，13.5%的人不滿意，10.8%的人較不滿意，8.1%的人滿意.

圖3 夏季PMV折線圖

圖4 被測建筑夏季PPD分布圖

3 模型建立與能耗分析

3.1 模型建立

ECOTECT是一款功能強(qiáng)大的建筑性能分析和優(yōu)化軟件，包括熱環(huán)境分析、光環(huán)境分析、聲環(huán)境分析、日照分析、可視度分析以及經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響分析等6個(gè)方面內(nèi)容［10］.熱工分析主要做全年的逐時(shí)能耗模擬(熱量分析介紹)，房間舒適度分析(平均溫度，PMV-PPD指數(shù)).根據(jù)調(diào)研時(shí)對辦公區(qū)域格局以及建筑尺寸的測量，通過對相關(guān)人員的咨詢和建筑資料的收集進(jìn)行建模，加載西安市典型氣象年氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物逐月能耗分析.

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造類型

3.2 能耗分析

本文以節(jié)能舒適為原則，在原模型的基礎(chǔ)上分別更換墻體類型、窗戶玻璃類型、天花板(屋頂)類型模擬建筑物能耗情況.玻璃幕墻是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中一個(gè)獨(dú)特的組成部分，也是傳熱最活躍的部分.首先是因?yàn)榻M成玻璃幕墻材料自身的傳熱系數(shù)較大，在相同傳熱溫差條件下傳熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通圍護(hù)結(jié)構(gòu);其次是由于玻璃幕墻具有透光性，太陽輻射換熱對傳熱的影響非常大，而太陽輻射換熱與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的朝向、季節(jié)有關(guān).建筑墻體的傳熱系數(shù)大小關(guān)系到整幢建筑能耗的多少，尤其是外墻的傳熱系數(shù);冬季，建筑外墻的傳熱系數(shù)要盡量小，這樣可確保室內(nèi)的熱量不會(huì)大量地通過外墻向室外散發(fā)，這樣空調(diào)的熱負(fù)荷就會(huì)變小，即可節(jié)能;但夏季的情況卻與冬季剛好相反，若外墻的傳熱系數(shù)同樣小，室內(nèi)的熱量無法向室外散發(fā)，空調(diào)的冷負(fù)荷就會(huì)較大，此時(shí)反而不節(jié)能.

各類建筑的窗戶不僅僅是為了建筑自身的采光、通風(fēng)而設(shè)置，同時(shí)還具有保溫、隔熱以及太陽能利用等多種作用.處于對建筑熱工、節(jié)能方面的考慮，窗戶不但要具有通風(fēng)性能，還要同時(shí)具有保溫、防熱的性能;地域不同，氣候不同，不同的季節(jié)對窗戶的性能要求各有不同.用軟件模擬不同組合方式的建筑能耗情況.幾種圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型如圖5～6所示.

針對被測建筑現(xiàn)有的位置朝向以及窗墻比，從表2及圖7，8可以看出，在窗戶類型選擇1，地板和天花板類型選擇2時(shí)，墻體類型選擇1或者2，建筑能耗消耗量都比較大，為20 000kW·h;在墻體類型選擇1，窗戶和地板類型都選擇2，天花板類型選擇2時(shí)，建筑能耗消耗量為20 000kW·h.但天花板類型選擇1時(shí)，建筑能耗消耗量為5 000kW·h，說明下方石膏天花板隔熱性能的好壞對室內(nèi)能耗的影響相對較大，天花板隔熱性能好，則可節(jié)約大量能源.即該幢建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合中的1#組合均為接近真實(shí)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，但能耗較高;圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用4#組合時(shí)室內(nèi)熱環(huán)境舒適度最好，能耗消耗也最小，在縮短室內(nèi)不舒適時(shí)間范圍前提下達(dá)到了節(jié)能的目的.

圖5 墻體構(gòu)造類型一

圖6 墻體構(gòu)造類型二

圖7 各組合全年能耗消耗量

圖8 各組合能耗平均消耗量

4 結(jié)論

(1)通過實(shí)驗(yàn)測試和軟件模擬，被測建筑的熱舒適指標(biāo)值令人滿意，被測建筑室內(nèi)熱環(huán)境有37.90%的人可接受，29.7%的人較滿意.因此，對玻璃幕墻建筑，只要設(shè)計(jì)合理，同樣能達(dá)到熱舒適.

(2)在墻體類型選擇110mm磚，50mm空穴，110mm混凝土砌塊，10mm石膏;窗戶類型選擇鋁框雙層low-e玻璃;地板類型選擇100mm厚混凝土地板加瓷磚;天花板類型選擇10mm石膏，50mm隔音、隔熱板，150mm金屬柵格內(nèi)填混凝土?xí)r，建筑能耗較低.因此，對玻璃幕墻辦公建筑推薦采用此種組合方式.

表2 被測建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)組合表

［1］DONNINI Giovanna，MOLINA Jean，MARTELLO Carlo，et al.Field study of occupant comfort and office thermal environments in a cold climate［J］.ASHRAE Trans，1997，103(2)：205-220.

［2］NICOL J F，HUMPHREY M.A.Adaptive thermal comfort and sustainable thermal standards for buildings［J］.Energy and Buildings，2002，34(6)：563-572.

［3］劉歐子，胡欲立，劉訓(xùn)謙.套室內(nèi)人體熱舒適的研究［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2002，21(1)：15-19.

［4］高甫生，周雪飛.玻璃幕墻建筑夏季室內(nèi)熱環(huán)境研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，36(2)：250-254.

［5］白莉，齊子妹.玻璃幕墻對建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響［J］.哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22(5)：89-93.

［6］楊春英，孫麗穎.玻璃幕墻建筑夏季室內(nèi)熱環(huán)境分析［J］.應(yīng)用科技，2003，30(5)：49-51.

［7］FANGER P O.Thermal comfort［M］.Florida：Robert E Krieger Publishing Company，1982：19-142.

［8］陳翠萍，李曼珍.基于BP網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)算法的熱舒適性指標(biāo)預(yù)測方法［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2011，30(2)：21-24.

［9］宋芳寧.建筑室內(nèi)熱舒適的評價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)［J］.科技信息，2009(26)：670-671.

［10］云朋.ECOTECT建筑環(huán)境設(shè)計(jì)教程［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：40-163.

The influence of glass curtain wall on the indoor thermal environment and energy consumption

DI Yu-hui1，CHEN Ai-juan1，WANG Li-duan2

(1.School of Environmental and Chemical Engineering，Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048，China; 2.Xi'an Huayu Architecture Design Co.Ltd.，Xi'an 710068，China)

Based on the data of the indoor and outdoor temperature and humidity，the influence of the glass curtain wall on the internal office environment is analyzed.According to measurements，the degree of fitting between inside and outside temperature in summer is obtained.Based on the result of the PMV-PPD and the satisfaction of work environment，it is considered that the glass curtain wall building can meet requirements of most people.According to the different building envelope and the simulation of the influence of different maintenance structure on building energy consumption，the reasonable energy-saving measures and reform schemes of glass curtain wall are offered.

glass curtain wall;thermal environment;building energy eonsumption;ECOTECT;PMV-PPD

TU 831

A

1674-649X(2014)01-0050-05

編輯：武暉;校對：田莉

2013-09-04

陜西省科技廳攻關(guān)項(xiàng)目(2013K11-3);西安市城鄉(xiāng)建設(shè)資助項(xiàng)目(SJW201324)

狄育慧(1964-)，女，陜西省西安市人，西安工程大學(xué)教授，博士.E-mail：yuhui_di@163.com