氣凝膠玻璃住宅夏季室內光熱環境研究與對策分析

張 燚，楊 柳，羅智星

(西安建筑科技大學 建筑學院，西安 710055)

建筑業產生的能源消耗約占全球能源消耗總量的40%，中國為28%[1-2]，因此，降低建筑能耗是中國節能方面的重點工作之一，建筑節能措施的推廣應用具有重要意義[3]。其中，采用保溫絕熱材料是目前重要的建筑節能措施之一[4]。納米多孔二氧化硅氣凝膠是一種新型保溫絕熱材料，是將顆粒形或板狀氣凝膠填充于2塊或3塊平板玻璃中間的空氣腔中，并利用玻璃膠等材料密封形成[5-6]。其太陽得熱系數(SHGC, solar heat gain coefficient)為0.3～0.6，傳熱系數可達1 W/(m2·K)以下，具有耐高溫、隔音減震等特點[7]。

隨著氣凝膠玻璃在建筑節能領域的應用，相關研究取得了較多成果：王歡等[8]對廣州大學圖書館分別采用單層玻璃、中空玻璃和氣凝膠玻璃等5種玻璃的建筑空調冷負荷進行了模擬計算，得到氣凝膠玻璃能明顯減少建筑空調冷負荷的結論；Huang等[9]以香港的一座28層商業建筑為例，模擬氣凝膠玻璃對其空調冷負荷的影響，最后得到氣凝膠玻璃室內得熱量比雙層玻璃減少60%，空調能耗減少4%～7%；文獻[10-11]的研究表明，氣凝膠玻璃的太陽得熱系數和可見光透過比均小于中空玻璃和雙層玻璃，具有優越的保溫隔熱以及隔音性能；文獻[12-13]則建立了氣凝膠玻璃系統動態傳熱與太陽輻射傳遞模型，分析了氣凝膠玻璃的節能潛力。通過上述研究，表明氣凝膠玻璃節能效果良好，但降低了室內的采光效果。因此，有必要探究氣凝膠玻璃建筑如何在達到節能需求的同時又能滿足采光需求。此外，氣凝膠玻璃主要應用于公共建筑的窗戶和采光頂[14]，應用于住宅建筑的相關性能及可能存在的問題仍有待研究。

筆者以2018年中國國際太陽能十項全能競賽(SDC, solar decathlon China)中某大學設計并建造的氣凝膠住宅為研究對象，在方案設計階段，使用Design Builder軟件對建筑外圍護結構分別采用氣凝膠玻璃和木格構的室內能耗和室內熱舒適情況進行了模擬對比，同時使用Ecotect Analysis軟件對建筑南面房間采用氣凝膠玻璃、中空玻璃等4種玻璃的室內采光性能進行了模擬分析，最后對建筑建成后室內的光熱環境進行了測試。通過模擬與實測，分析氣凝膠玻璃的設計策略，進一步驗證其性能，并針對建筑應用氣凝膠玻璃后存在的問題提出解決措施。研究結果對氣凝膠玻璃在住宅上的應用推廣以及太陽能建筑的發展具有重要意義。

1 方案設計階段模擬優化分析

氣凝膠玻璃雖具有良好的熱工性能，但是作為建筑的外圍護結構時，是否比木格構更有利于建筑節能有待研究。此外，氣凝膠玻璃的可見光透射比低于中空玻璃。因此，在方案設計階段進行氣凝膠玻璃性能的模擬分析，可進一步確定外圍護結構的設計方案。

1.1 建筑設計概況

2018年中國國際太陽能十項全能競賽在山東德州舉辦，大賽的目的是借助世界頂尖研發、設計團隊的技術與創意，將太陽能、節能與建筑設計以一體化的新方式緊密結合，設計、建造并運行一座功能完善、舒適、宜居、具有可持續性的太陽能居住空間[15-16]。

某大學的參賽建筑設計定位是為中國北方寒冷地區的住戶提供舒適生活環境的住宅建筑，建筑面積為184.97 m2；建筑主體采用輕型木格構作為承重，同時也是外圍護結構；陽光間屋頂、南立面墻體和西立面部分墻體擬采用氣凝膠玻璃并在夏季采取外遮陽百葉。

建筑整體布局是以南面陽光間為核心，主要的功能房間如臥室和客廳緊鄰陽光間布置，以使冬季太陽能可以更多地傳入室內主要房間；廚房、衛生間和設備間等熱環境要求較低的房間則設置在北面以阻擋北風；建筑西側設置車庫雨棚及綠植墻，以防太陽西曬；建筑屋頂采用光伏發電板，同時起到遮陽作用；地板下方500 mm為架空層。

1.2 建筑模擬分析

1.2.1 熱工性能模擬分析

圍護結構是建筑物的重要組成部分，直接影響建筑能耗與室內熱舒適度。氣凝膠玻璃具有耐高溫、隔音減震，以及優異的保溫絕熱性能，可用于建筑圍護結構。在方案設計階段，對建筑分別采用木格構圍護結構(有無遮陽)、氣凝膠玻璃(有無遮陽)的建筑能耗及室內熱舒適度進行模擬分析，以決定建筑外圍護結構的設計方案。模擬軟件為Design Builder，采用的氣象數據為軟件自帶的典型氣象年數據。根據氣象學定義和德州地區典型氣象年數據可知，德州地區的夏季為6月7日～9月10日，冬季為11月24日～3月29日。

搭建的建筑模型如圖1～圖4所示。其中：臥室南立面以及陽光間東、西、南立面設計采用3層中空玻璃窗，客廳西墻和陽光間南墻采用3層中空玻璃外門。建筑對應各部件構造做法及傳熱系數如表1所示。

圖1 采用木格構墻體和屋頂

圖3 采用無遮陽的氣凝膠玻璃墻體和屋頂

圖4 采用有遮陽的氣凝膠玻璃墻體和屋頂

表1 建筑模型信息

模擬時，建筑物的3層中空窗和外門材料不變，只改變客廳西立面部分墻體、臥室和陽光間南立面墻體，以及陽光間屋頂的參數(圖4中有遮陽百葉的部分)。采用的氣凝膠玻璃參數為：傳熱系數為0.91 W/(m2·K)，可見光透射比為0.2，太陽得熱系數為0.36。

1)建筑能耗模擬分析。

在全空調運行條件下，模擬建筑采用有無遮陽的氣凝膠玻璃與采用木格構外圍護結構在夏季和冬季的耗電量大小。具體設定如下：建筑采用分體式空調，一天24 h運行，夏季對氣凝膠玻璃設置百葉外遮陽，遮陽時間為早上07:00～19:00(德州地區日照時間07:00～19:00)。根據民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[17]，供冷和供熱工況的設定溫度取Ⅰ和Ⅱ級舒適度之間的溫度數值，夏季室內溫度設定為26 ℃，冬季設定為22 ℃。因為冬季氣凝膠玻璃不采用遮陽措施，所以未模擬氣凝膠玻璃有遮陽在冬季的建筑能耗情況。模擬結果如圖5所示，將模擬改變的墻體和屋頂統稱為外圍護結構。

圖5 全空調運行時的建筑能耗

分析圖5可知，建筑全空調運行時，采用氣凝膠玻璃作為建筑外圍護結構，夏季不論有無遮陽措施，其建筑能耗均較木格構外圍護結構高；在夏季無遮陽的情況下，采用氣凝膠玻璃外圍護結構的全年空調能耗為5 061.987 kW·h，比采用木格構外圍護結構全年空調能耗少818.920 kW·h；在夏季有遮陽的情況下，采用氣凝膠玻璃外圍護結構的全年空調能耗為3 968.042 kW·h，比采用木格構外圍護結構全年能耗少1 398.275 kW·h。綜合全年情況，采用氣凝膠玻璃較木格構外圍護結構更節能。

2)室內舒適時間百分比模擬分析。

為分析夏季室內熱舒適情況，對建筑采用氣凝膠玻璃(有無遮陽)外圍護結構和木格構外圍護結構分別進行自然通風模擬。建筑通過開啟南北向外窗利用風壓和熱壓進行自然通風，外窗為平開窗，開啟面積為100%，可開啟度數為90°，時間設置為24 h。設定自然通風條件為：室內溫度高于室外溫度、大于設定的室內最小溫度16 ℃，且時間表為開啟時。

根據相關標準，寒冷地區非人工冷熱源熱濕環境，采用圖示法，用體感溫度(operative temperature)進行評價[18]。根據標準規定的計算方法，計算6月7日～9月10日的每日室外平滑周平均溫度和Ⅱ級舒適等級的每日舒適體感溫度范圍。模擬的每小時體感溫度在每日舒適體感溫度之內，為室內舒適體感溫度，從而計算舒適時間百分比。以東南臥室的舒適時間百分比為例說明室內的舒適狀況，模擬結果如圖6所示。

圖6 東南臥室的舒適時間百分比

1.2.2 采光性能模擬分析

為探明采用氣凝膠的室內采光性能，以建筑物南向房間為例，采用Ecotect Analysis模擬軟件，分別對該房間的南向墻面僅采用中空玻璃、僅采用氣凝膠玻璃、同時采用氣凝膠及中空玻璃(其他3面墻體均采用中空玻璃)的3種圍護方案下的建筑進行全陰天模型的采光分析。其中，中空玻璃和氣凝膠玻璃的可見光透射比分別設定為0.738和0.200，玻璃折射系數均為1.74，模擬結果如圖7～圖9所示。

圖7 南面墻體僅采用中空玻璃時的室內采光情況

由圖7可知，采用中空玻璃，室內照度沿房間進深方向下降很快，近窗處照度約為遠窗處照度的3倍，而南向墻體全采用氣凝膠玻璃的室內照度分布均勻(見圖8)。由圖9的模擬結果可知，氣凝膠玻璃房間側面采光的采光系數不低于2.0%，滿足采光要求[19]。此外，南向房間在中空玻璃近窗處的采光系數高于20%，在氣凝膠玻璃近窗處的采光系數只有9.2%，且氣凝膠玻璃由近窗處到遠窗處采光變化小。結果表明，氣凝膠玻璃能有效提升室內的采光質量。

圖8 南面墻體僅采用氣凝膠玻璃時的室內采光情況

通過模擬分析，確定建筑外圍護結構采用氣凝膠玻璃，并在夏季設置遮陽措施。

2 建筑建成后實測分析

2.1 測試內容及方案

該氣凝膠玻璃建筑采用裝配式施工方式，由于施工期限短(競賽要求為23 d)，方案中所要求的外遮陽百葉沒有安裝。建筑建成實景如圖10所示，建筑平面如圖11和圖12所示。建成建筑的東南臥室南面、客廳西面采用了氣凝膠玻璃及中空玻璃作為外圍護結構，兒童房東立面采用木格構及中空玻璃作為外圍護結構，且上述3個立面所采用的中空玻璃面積相等。為研究建筑室內光熱環境和建筑圍護結構的性能，對其室內溫度和照度進行測試。

圖10 建筑實景圖

圖11 一層平面圖

圖12 二層平面圖

8月3日～8月5日以及8月9日和11日期間每日09:00～16:00該建筑處于自由運行狀態。對處于自由運行狀態下建筑的室內外空氣溫度進行測試，測試期間門窗關閉。根據建筑熱環境測試方法標準[20]，房間面積在16 m2以內，測點在房間中間，且室內溫度和測點高度為1.1 m，室內溫度測點布置如圖10中所示“■”。

對8月11日全陰天西南臥室的室內照度進行了測試，測點高度為0.75 m，室內照度測點布置如圖13所示。室內光熱環境的測量儀器具體見表2所示。

圖13 西南臥室照度測試點布置圖

表2 室內光熱環境各分項測試方案

2.2 測試結果及分析

2.2.1 氣凝膠玻璃建筑室內熱環境

綜上所述，在乳腺癌患者中實施MRI診斷的方式顯著提升了患者的檢出率，進而可以使患者得到及時的治療，由此可知，MRI診斷的方式在乳腺癌患者中具有較好的推廣價值。

圖14為東南臥室、客廳和兒童房在自由運行狀態下的室內外溫度實測數據圖，測試時間為每天9:00～16:00。由圖14可知，在測試時間內，室外溫度總體呈上升趨勢，室內溫度由于受到室外溫度的影響總體也呈上升趨勢。對于室內溫度變化情況，由于兒童房與室外空間接觸的外墻為東墻且開有一窗，而東南臥室與室外空間接觸的外圍護結構為東墻與南墻，但東墻無外窗，南墻有大面積氣凝膠玻璃和一個中空玻璃窗，因此在早上，兒童房受到太陽輻射通過東向外墻與外窗的傳熱，溫度略高于東南臥室與客廳溫度；但到中午時，東南臥室的南向外圍護結構直接受到太陽輻射的影響，其溫度高于客廳與兒童房的溫度，而客廳南邊緊挨著一個陽光間且西面有中空玻璃門和氣凝膠玻璃，使客廳溫度高于兒童房。

圖14 自由運行狀態下所測房間的室內溫度

以8月9日數據為例，室外空氣溫度、東南臥室、客廳和兒童房在測試時間內溫度變化范圍分別為28.97～36.58 ℃、24.51～31.15 ℃、23.81～30.27 ℃和24.77～27.88 ℃，在早上09:00～11:15，兒童房溫度略高于東南臥室和客廳溫度，在12:10～16:00，東南臥室溫度大于客廳溫度大于兒童房溫度。圖15為所測5天的不同房間溫度變化范圍情況，可以看出兒童房溫度變化范圍最小，在白天室內溫度相比于其他2個房間溫度較穩定。

圖15 所測房間的室內溫度波動幅度

根據材料的傳熱系數和對應的面積計算出：兒童房的東面圍護結構的平均傳熱系數為0.55 W/(m2·K)；東南臥室南面圍護結構的平均傳熱系數為1.08 W/(m2·K)，東墻平均傳熱系數為0.167 W/(m2·K)；客廳西面圍護結構的平均傳熱系數為0.71 W/(m2·K)。由于木格構墻體的隔熱性能好，且氣凝膠固體骨架和內部孔隙對太陽輻射熱的透過、熱傳導和輻射傳熱很低[21]，3個房間都使用了面積相等的中空玻璃，所以通過中空玻璃傳入了室內大量的熱量，綜合影響結果如下：

1)兒童房室內溫度主要受東曬影響，因東面圍護結構平均傳熱系數最小，所以室內溫度最低，室內溫度波動最小；

2)客廳西墻有遮陽雨棚且西墻的平均傳熱系數較小，但因為通過中空玻璃窗以及陽光房向客廳傳遞了的大量熱量，加上2種玻璃的“溫室效應”，客廳的室內溫度越來越高，僅次于東南臥室；

3)東南臥室室內溫度主要受由氣凝膠玻璃墻體和中空玻璃窗組成的南面圍護結構傳熱以及“溫室效應”的影響，因此得熱量最多，室內溫度高且波幅大。

測試結果表明，氣凝膠玻璃雖有良好的隔熱效果，但透明玻璃對太陽輻射的透過、傳熱及輻射作用大，加上2種玻璃都具有“溫室效應”，使得在太陽輻射量大的南立面、西立面，室內溫度高且波動大。因此要采取遮陽措施控制從玻璃立面傳入室內的熱量。

2.2.2 氣凝膠玻璃房間室內光環境

為分析建筑采用氣凝膠玻璃進行天然采光的室內照度情況，對南向墻體采用了氣凝膠玻璃及中空玻璃窗的西南臥室的室內照度進行了測試。測試時間為2018年8月11日12:00(全陰天)，臥室南向墻體外圍護情況如圖16所示，測試結果如表3所示。

圖16 西南臥室南向墻體示意圖

表3 西南臥室內不同測點照度

表3中1～3列與6～8列數據為南向墻體全為氣凝膠玻璃時的室內照度值：最大為1 580 lx，最小為390 lx，平均值為828.39 lx；第4～5列數據為南向墻體下側為中空三層玻璃窗，上側為氣凝膠玻璃時，室內的照度值：最大為3 000 lx，最小為510 lx，平均值為1 132.86 lx。由上述測試結果可知，在近窗處，中空玻璃的室內照度值是兩側氣凝膠玻璃墻體的2倍；在遠窗處，中空玻璃的室內照度值雖仍高于兩側，但相差不大，這與前述1.2.2所模擬的結果一致。此外，由表3計算得整個房間的照度均勻度為0.47，表明室內照度分布均勻，這是因為氣凝膠為納米多孔骨架結構，直射光線進入氣凝膠后，在氣凝膠中經過無數次隨機的反射、折射及吸收后最終進入室內的輻射幾乎全部為散射輻射。此外，根據GB 50033—2013《建筑采光設計標準》[20]，室內天然光照度高于300 lx，說明該臥室所用外圍護結構完全滿足采光設計要求，這進一步說明了相較于中空玻璃，氣凝膠玻璃更能有效提升室內的采光質量。

3 結束語

通過對采用氣凝膠玻璃作為外圍護結構的建筑能耗及室內舒適時間百分比進行模擬可知，如氣凝膠玻璃建筑在夏季不采用遮陽措施，其優越性能將難以體現，建筑能耗與室內舒適性也達不到理想效果。因此，為了更好地發揮氣凝膠玻璃的建材性能，在用其做外圍護結構時，應在夏季設置外遮陽措施。此外，由于中空玻璃窗能透過大量太陽輻射，且存在“溫室效應”，如將其與氣凝膠玻璃一起使用時，也應在適當位置設置外遮陽。

1)綜合考慮建筑節能與室內熱環境，采用氣凝膠玻璃圍護結構的建筑在夏季應采取遮陽設施；

2)建筑實際使用中存在不開窗通風的情況，為防止夏季室外熱量過多進入室內，在得熱量多的立面同時使用氣凝膠玻璃與中空玻璃時，都應采取遮陽設施；

3)氣凝膠玻璃雖不可透過視線，且可見光透射比較中空玻璃低，但其室內光線柔和，完全能達到采光設計要求。