幕墙热工性能对北京公共建筑能耗的影响

颜鼎峰 刘剑涛 刘彤

中国建筑科学研究院有限公司

0 引言

在现代高层建筑中，玻璃幕墙由于其较好的装饰效果、现代化的外观、多样化的形式而被作为高层建筑的外围护结构广泛采用。它将建筑外围护结构中的墙与窗合二为一，同时也巧妙地把建筑围护结构的使用功能与装饰功融为一体，有效提高了建筑物更的现代感与装饰艺术性。据统计，现阶段我国每年新增建筑幕墙面积达到1000 万m2，玻璃幕墙重量轻因而减轻了建筑的承重压力从而节约成本，并且还有采光率高、结构简单更换方便等优点。由于玻璃的高热传导能力，玻璃幕墙造成的建筑整体能耗远远大于混凝土结构[1]。

我国建筑能耗的总量逐年上升，在能源总消费量中所占的比例已从上世纪70 年代末的10%上升到27.45%。而发达国家的建筑能耗一般占全国总能耗的33%左右。国家建设部科技司研究表明，随着城市化进程的加快和人民生活质量的改善，我国建筑耗能比例最终还将上升至35%左右。如此大的比重，建筑耗能已经成为我国经济发展的软肋，然而建筑外窗是外墙围护结构的薄弱环节，大片的玻璃幕墙无疑又加重了能量的流失[2]。

于是，本文以北京某全幕墙办公楼为例，使用PKPM 能耗模拟软件，分析不同玻璃的热工性能的全年累计冷热负荷。同时将单位面积的负荷指标与幕墙传热系数和遮阳系数作二元线性回归分析。为北京地区幕墙建筑的玻璃选型提供工程理论指导。

1 计算工具及模型

1.1 计算工具

幕墙传热是导热，对流传热和热辐射传热三者共同的结果。建筑幕墙对建筑能耗高低的影响主要有两个方面：一方面是夏季空调和冬季供暖时室内外的温差传热，另一方面是通过建筑透明玻璃材料引起的太阳辐射热造成的建筑室内得热。因此，要全面分析我国幕墙的能耗性能需要以各个地区的气候条件为基础，详细分析幕墙各性能因素对不同地区建筑能耗的影响。本文使用PKPM 能耗模拟软件，该软件采用DOE-2 计算内核，通过建设部科技发展促进中心产品鉴定和中国建筑科学研究院性能测试，能动态计算全年逐时的冷热负荷。

1.2 计算模型及参数

以北京地区某幕墙公建，用PKPM 软件建立模型，建筑层数为10 层，层高4.2 m，建筑为正南朝向，建筑面积16293 m2，各朝向的窗墙面积比都为0.89，该建筑模型如图1、2 所示。室内计算信息及时间表选择《北京市公共建筑节能设计标准》DB11/687-2015，房间信息如表1 所示。为分析幕墙对建筑能耗的影响，屋顶采用120 mm 钢筋混凝土+80 mm 挤塑聚苯板。

图1 模型建筑立体图

图2 模型建筑平面图

表1 室内计算参数

2 幕墙的热工性能对能耗的影响

选取玻璃幕墙传热系数K=1 W/(m2·K)到K=6 W/(m2·K)步长为1 W/(m2·K)，遮阳系数0.3 到0.8 步长为0.1，36 组工况进行模拟计算，从而得出幕墙热工性能对能耗的影响。

2.1 幕墙传热系数对能耗的影响

选择遮阳系数为0.6，传热系数K=1～6 W/(m2·K)，其他参数固定不变，其单位面积全年累计冷、热负荷指标如图3：

图3 传热系数对单位面积全年负荷的影响

由图3 可以看出，当遮阳系数不变，随着传热系数的增加，单位面积热负荷指标增加。在冬季供暖季节，幕墙的传热系数越小，单位时间通过单位面积传递的热量越小，从而热负荷越小。随着传热系数的增加，单位面积冷负荷呈递减趋势。在夏季的供冷季节，幕墙的传热系数小，不利于室内向室外散热，从而是冷负荷增加。随着传热系数的增加，单位面积总负荷呈递增的趋势，由于传热系数增加，对热负荷的增加程度大于冷负荷减少程度。

2.2 幕墙遮阳系数对能耗的影响

选择传热系数K=4 W/(m2·K)，遮阳系数SC=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 其他参数固定不变，其单位面积全年累计冷、热负荷指标如图4：

图4 遮阳系数对单位面积全年负荷的影响

由图4 可以看出，当传热系数不变，随着遮阳系数的增加，单位面积冷负荷指标增加。在夏季的供冷季节，幕墙的遮阳系数大，通过幕墙的太阳辐射得热量也越大，从而是冷负荷增加。随着遮阳系数的增加，单位面积热负荷呈递减趋势，在冬季供暖季节，幕墙的遮阳系数越大，幕墙的太阳辐射得热量也越大，从而减少了热负荷。随着遮阳系数的增加，单位面积总负荷呈递增的趋势，由于遮阳系数增加，对冷负荷的增加程度大于热负荷减少程度。

2.3 幕墙传热系数、遮阳系数对单位面积冷热负荷指标的二元回归分析

选取玻璃幕墙传热系数K=1 W/(m2·K)到K=6 W/(m2·K)步长为1 W/(m2·K)，遮阳系数0.3 到0.8 步长为0.1，36 组工况进行模拟计算。得到如图5～7 的三维曲面图。

图5 遮阳系数级传热系数对单位面积热负荷的影响

图6 遮阳系数级传热系数对单位面积冷负荷的影响

图7 遮阳系数级传热系数对单位面积总负荷的影响

由图5～7 可以看出，单位面积热负荷随着传热系数增加而增加，随着遮阳系数增加而减少。单位面积冷负荷随着传热系数增加而减少，随着遮阳系数增加而增加。单位面积总负荷随着传热系数及遮阳系数的增加而增加。通过Origin 分析软件将单位面积热负荷，单位面积冷负荷，单位面积总负荷与传热系数K，遮阳系数SC 作为二元线性回归计算得到二元线性回归方程如表2 所示：

表2 单位面积冷热、总负荷的二元回归方程

图8 总负荷拟合公式与实际结果误差

通过总负荷拟合公式与实际结果误差（图8）及表2 的分析结果可以得到，建筑冷、热总负荷与外窗传热系数和遮阳系数呈良好的线性关系，通过回归方程的影响系数可以看出，对于北京地区的全幕墙建筑，玻璃的遮阳系数较传热系数对建筑总负荷影响更大。

3 结论

分析不同遮阳系数及传热系数玻璃的全年累计冷热负荷，同时将单位面积的负荷指标与幕墙传热系数和遮阳系数作二元线性回归分析。得出结论如下：

1）当遮阳系数不变，随着传热系数的增加，单位面积热负荷指标增加，在冬季供暖季节，幕墙的传热系数越小，单位时间通过单位面积传递的热量越小，从而热负荷越小。随着传热系数的增加，单位面积冷负荷呈递减趋势，在夏季的供冷季节，幕墙的传热系数小，不利于室内向室外散热，从而是冷负荷增加。随着传热系数的增加，单位面积总负荷呈递增的趋势。由于传热系数的增加，对热负荷的增加程度大于冷负荷减少程度。

2）当传热系数不变，随着遮阳系数的增加，单位面积冷负荷指标增加。在夏季的供冷季节，幕墙的遮阳系数大，通过幕墙的太阳辐射得热量也越大，从而是冷负荷增加。随着遮阳系数的增加，单位面积热负荷呈递减趋势，在冬季供暖季节，幕墙的遮阳系数越大，幕墙的太阳辐射得热量也越大，从而减少了热负荷。随着遮阳系数的增加，单位面积总负荷呈递增的趋势，由于遮阳系数增加，对冷负荷的增加程度大于热负荷减少程度。

3）单位面积热负荷随着传热系数增加而增加，随着遮阳系数增加而减少。单位面积冷负荷随着传热系数增加而减少，随着遮阳系数增加而增加。单位面积总负荷随着传热系数及遮阳系数的增加而增加，并得到二元回归方程。建筑冷、热总负荷与外窗传热系数和遮阳系数呈良好的线性关系，通过回归方程的影响系数可以看出，对于北京地区的全幕墙建筑，玻璃的遮阳系数较传热系数对建筑总负荷影响更大。