透光型围护结构对建筑能耗的影响

    随着经济发展、社会进步及审美水平的提高，现代建筑外形不断求新、求异。玻璃窗、玻璃幕墙等透光型围护结构占建筑外表面的比例越来越高，已成为建筑本体能源消耗的最主要因素。而透光型围护结构对建筑能耗影响的复杂性。透光型围护结构本身的动态热过程特点、建筑物外墙的窗墙比、节能玻璃的选用、窗框及幕墙支撑的材料以及可调节遮阳装置的使用是该类围护结构影响建筑能耗的主要方面。


    1　透光型围护结构的动态热过程
    对于建筑中的房间而言，其热过程主要包括4个方面：外扰通过围护结构的热传递过程、内扰的热传递过程、室内外通风和空调投入的热量[1]。一个孤立房间的外扰包括空气温度、太阳辐射强度、主导风向风速等室外气象条件，以及周围环境表面温度、小区风环境等建筑群微气候。这些扰量通过围护结构热传递影响房间内表面温度，并通过对流、辐射影响室内空气温度。发生在透光型围护结构表面的热过程包括太阳辐射的透过过程及传热过程。由于太阳光在穿透透过体系过程中，能量还会被玻璃窗框等吸收，因此辐射透过过程影响传热过程。夏季，太阳辐射使室内温度显著升高，增大空调冷负荷和建筑能耗；冬季，太阳辐射有利于提高室内温度，减小供暖负荷和建筑能耗。在同样的太阳辐射入射条件下，不同类型的透过体系(窗、玻璃幕墙及其附带的遮阳构件的整体)对太阳辐射的反射、吸收与透过量有所不同，使得最终传入室内的太阳辐射量存在很大差别[2](普通单玻窗对太阳辐射的透过率约为80％，而单层反射玻璃只有20％)。以往，透过体系的传热计算，将温差传热和因玻璃吸收了太阳辐射温度升高而引起的传热分开处理，没有考虑玻璃吸收的太阳辐射对其温差的影响，把互相耦合的传热过程分开，是近似的方法。准确描述透光型围护结构的动态热过程需要考虑建筑内表面吸收情况对透过体系透过率的影响，用基于能量平衡推导的方法，计算复杂透过体系对太阳辐射的透过、吸收及其与室内的传热，从而建立透过体系的传热模型、透过和吸收模型及K-Sc模型。


    2　透光型围护结构对建筑能耗的影响
    2.1 窗墙比对建筑能耗的影响
    近年来，住宅建筑的开窗面积不断增大，公共建筑为了建筑立面美观，建筑形态丰富，更是大面积的采用透明幕墙。窗墙比对建筑能耗高低的影响更直接。

    但是，在不同的气候分区内，窗墙比对建筑能耗的影响程度不同。例如通过对夏热冬冷地区9个代表城市的单体建筑的窗墙比对建筑能耗的影响研究，发现全年空调耗冷量与窗墙比呈线性关系；冬季日照率低于0，3的地区，各朝向全年采暖耗热量与窗墙比呈线性关系，外墙面向南、东南、西南时全年采暖耗热量与窗墙比呈二次函数关系。外墙朝南时能耗最低，应在南向开窗，东西向不宜开窗。一定窗墙比范围内耗电量不变[3]。而夏热冬暖地区，窗墙比需要优先考虑其对建筑物通风、遮阳的影响。

    因此，建筑窗墙比对建筑能耗的影响要综合考虑多方面的因素，如不同地区冬、夏季日照情况(日照时间长短、太阳总辐射强度、阳光入射角大小)、季风影响、室外空气温度、室内采光设计标准等。

    2.2　玻璃性能对建筑能耗的影响
    玻璃的热工性能直接影响太阳辐射热的透过、吸收和反射。通常情况下(太阳入射角小于60o)，太阳光照射到普通玻璃表面后，7.3％的能量被反射，不会成为房间的得热；79％直接透过玻璃进入室内，全部成为房间的热量，还有13.7％则被玻璃吸收，而使玻璃温度提高。被吸收的这部分能量中，4.9％又将以长波热辐射和对流方式传至室内，而余下的8.8％同样以长波热辐射和对流方式散至室外，不会成为房间的得热。因此，玻璃的反射率越高，透过率和吸收率越低，太阳辐射得热量就越少。实验表明，夏季空调负荷中，实体墙传热量仅占整个墙面传热量的30％，通过窗的传热量所占比例最大，主要是太阳辐射得热。

    为了减少通过玻璃的热辐射，使玻璃具有尽可能低的表面发射率，节能建筑中广泛应用了镀膜玻璃。镀膜玻璃可分热反射玻璃、低辐射玻璃(Low-E玻璃)、导电膜玻璃等。通过镀膜可改变玻璃的光学性能，进而改善玻璃的传热特性，以降低建筑能耗。同时为了提高玻璃窗的热阻，除了在玻璃表面镀膜外，还可采用中空玻璃。尽管镀膜、中空玻璃都是节能玻璃，但对于不同的地理位置，玻璃的光学性能和热工性能对建筑能耗的影响程度不同，如果不考虑地域的气候特点，盲目选择“节能”玻璃，往往达不到良好的节能效果。

    采用EnergyPlus软件模拟普通平板玻璃、吸热玻璃、热反射玻璃、低辐射中空玻璃作幕墙时建筑的设计日冷热负荷，月能耗和全年能耗。发现不同地理位置下不同玻璃类型的幕墙对建筑能耗影响很大。热反射玻璃和低辐射中空玻璃夏季可大幅度降低峰值冷负荷和总冷负荷，性能最优的是低辐射中空玻璃，能耗仅是普通平板玻璃的23％；普通中空玻璃和低辐射中空玻璃冬季热负荷较其它玻璃小[4]。各种单层玻璃的能耗差别主要与透射比、反射比等玻璃的光学性能有关，双层玻璃不但遮光性能增强，传热系数也大幅度下降。在玻璃幕墙中玻璃类型的选取应着重从夏季热舒适及供冷能耗角度考虑。

    另外，通过模拟计算Low-E玻璃在北京和深圳使用时对全年建筑能耗的影响，发现Low—E玻璃在南方使用节能效果明显，Low-E中空玻璃与普通3 mm白玻璃相比，空调负荷可降低20％左右，全年空调能耗降低24％左右。在北京，使用Low-E中空玻璃可降低32％的空调能耗和20％空调负荷，却增加了2％的供暖能耗。特别是单片在线镀膜玻璃，由于传热系数的限制，不适合在北方地区使用。北方采暖地区选择传热系数较小的Low-E玻璃较合适。


    2.3　遮阳方式对建筑能耗的影响
    大量的调查和测试表明，太阳辐射通过窗进入室内的热量是造成夏季室内过热的主要原因。日本、美国、欧洲以及香港地区都把提高窗的热工性能和阳光控制作为夏季防热及建筑节能的重点。国内外研究表明，窗户遮阳可获得节能收益10％~24％，而用于遮阳的建筑投资则不足2％[6]。夏季不同朝向墙面辐射变化很复杂，不同墙面日辐射强度和峰值出现的时间不同，因此，不同的遮阳方式直接影响建筑能耗大小。

    从遮阳的方式和放置位置来看，主要分选择性透光遮阳、内置式活动遮阳(包括内遮阳、嵌入式遮阳、双层皮夹层遮阳)、绿化遮阳、外遮阳。选择性透光遮阳即利用玻璃或某些镶嵌材料对阳光具有选择性吸收、反射和透过的特性来达到控制太阳辐射的目的，如磨砂玻璃、折光玻璃、彩色玻璃、热反射镀膜玻璃等，这种遮阳方式的缺陷是玻璃性能不随季节变化，夏季能避免室内过热，却会影响冬季对太阳能的利用。利用门窗的透光材料本身遮阳，有一定的局限性[7]。内置式活动遮阳(包括内遮阳、嵌入式遮阳、双层皮夹层遮阳)经济易行，调节灵活，方便安装和拆卸，但其隔热性能有限。考虑采用相同的遮阳百叶分别作为内外遮阳时，对于外遮阳系统，主要的太阳辐射被遮阳百叶挡在了室外侧，仅有15％左右的热量进入室内。而内遮阳尽管有透过玻璃后的太阳辐射量的l／3被遮阳百叶反射后回到室外，仍有近50％的太阳辐射透过内遮阳系统进入室内。外遮阳的隔热性能明显优于内遮阳。

    同时，遮阳设计应综合考虑建筑气候、窗口朝向、房间用途[6]。以北京地区住宅为例，水平遮阳、综合遮阳适用于南向窗户，而垂直、挡板以及外置卷帘遮阳适用于东西向窗户。

    2.4　窗框和幕墙支撑对建筑能耗的影响
    透光型围护结构不仅由透明材料如玻璃制成，还包括固定这些透明材料的窗框及相关的支撑结构，窗框、幕墙支撑型材的不同，会使窗户的性能特点有很大差别。采用单层玻璃时，金属窗框散热的比例占整个窗户散热的15％～25％，采用Lg)W—E膜中空玻璃后，通过窗框的散热将达到整窗散热的50％。提高玻璃保温性能的同时，提高其相关固定支撑构件的隔热性能，是降低透明围护结构耗能的有效措施。采用断热技术的铝合金窗框可将外窗传热系数降低到2.4～3.2W／m2·k，采用新型玻璃钢窗框的窗传热系数可低至1.5W/m2·k。


    3　降低透光型围护结构建筑能耗的途径
   (1)在建筑方案设计阶段，利用动态模拟技术计算各种方案的能耗情况，从而使透光型围护结构占外墙比例、节能玻璃类型、窗及幕墙构造、遮阳方式等达到节能最优。

    (2)广泛开发推广外窗和玻璃幕墙的节能型新产品、新技术。如有效降低长波辐射增强保温的低辐射镀膜玻璃与玻璃夹层充惰性气体的隔热技术、断热式窗框、断热式玻璃幕墙支撑技术。

   (3)采用有效的遮阳设施，减少夏季通过外窗和玻璃幕墙的太阳辐射，而在冬季又适当地接收太阳辐射。如可调节外遮阳技术，玻璃夹层中间设置可调节遮阳技术。

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