某项目蓄水玻璃屋面节能性分析

金津 欧佳伟

1 湖南大学设计研究院有限公司

2 咸宁南玻节能玻璃有限公司

0 引言

蓄水玻璃屋面的热量传递是一个复杂的不稳定传热过程，它包括蓄水层表面与室外空气间的热湿交换，蓄水层内部的对流换热和导热，蓄水层底部与下层玻璃表面温差传热和对流换热以及透过蓄水层和玻璃屋面进入室内的太阳辐射热[1]。因此，无法利用国内常用的节能软件对该方案的节能性进行模拟分析。

本文根据蓄水玻璃屋面的构造，分别计算透明区和非透明区形成的冷负荷，两者之和与参照屋面形成的冷负荷比较，对其节能性进行权衡判断。屋面透明区根据能量守恒定律，简化内部热流动态过程，将屋面分解为上下两层进行计算：蓄水层两侧室外环境（外）和玻璃屋面（内）的热量传递。玻璃屋面两侧蓄水层（外）和室内环境（内）的热量传递。屋面非透明区域按常规温差传热计算。

1 项目概况

广州某艺术展馆总建筑面积8100 m2，层高4.5 m，采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构和钢结构形式。展馆为单层水下通道式展览建筑，由展示区和通道及相关配套用房组成，中心区域为直径67 m 的圆形露天花园。展馆展示区考虑室内空间展示效果，人员参观区域设计为蓄水透明屋面，面积为4495 m2，其他区域为夹芯板保温屋面，面积为2724 m2。

根据设计方案，蓄水屋面透明区拟采用三层夹胶玻璃抵抗上层水压，即3 层12 mm 夹胶玻璃表面覆水深度500 mm。非透明区拟采用夹芯板保温屋面：建筑钢材2 mm+玻璃棉板120 mm+建筑钢材2 mm。另就近在地下设有一个300 m3市政中水，雨水集水池和一个600 m3的超滤系统配水池，利用2 台循环水泵24小时运行，保持屋面水体流动、循环净化，确保水体的透明度。

2 节能分析

项目位于夏热冬暖地区，无需考虑供热需求，因此主要是对该方案中屋面透明区和非透明区形成的逐时冷负荷分别计算并求和。

2.1 屋面透明区

忽略水层与周围环境间辐射换热的影响，根据蓄水玻璃屋面室内外热流动态过程将屋面形成的冷负荷分解为：在夏季自然通风条件下，当空气温度大于蓄水层温度时，通过温差传热空气传递给蓄水层的显热量与到达水面的太阳辐射热量，一部分用于水的蒸发，一部分用于加热蓄水层，另一部分透过蓄水层到达下层玻璃表面。透过玻璃屋面进入室内的太阳辐射得热，蓄水层与玻璃表面之间的对流换热量，以及通过玻璃屋面进入室内的温差传热。

2.1.1 蓄水层热量传递

蓄水层热量传递主要包括室外空气-蓄水层温差传热、吸收的太阳辐射热和水面蒸发耗热量。

空气-蓄水层温差传热：

吸收的太阳辐射热：

水面蒸发耗热量：

式中：Qc，out为空气与蓄水层的温差传热量，W；Qs，x为蓄水层吸收的太阳辐射热，W；Qe为水面蒸发耗热量，W；t(w,τ)为蓄水层逐时温度，°C；t(a,τ)为夏季空调室外计算逐时温度，°C；a 为空气与蓄水层表面的显热交换系数，W/ (m2·°C)；Qs为到达蓄水层的太阳辐射热，W；Qs''为透过蓄水玻璃屋面进入室内太阳辐射热，W；γ(tw,τ)为蓄水层瞬时温度下的饱和水汽化潜热，kJ/kg；m 为蒸发水量，kg/h。

进入蓄水层的太阳辐射热由于水体的吸收和散射逐渐减弱，仅有一部分到达下层玻璃屋面。太阳辐射能中可见光（波长0.4～0.76 滋m）区域占总能量约50%，红外（波长＞0.76 滋m）区域占约43%，紫外（波长＜0.4 滋m）区域占总量约7%。经相关物理学对太阳辐射能透射率研究得出，由于反射和吸收的结果，太阳辐射能在射入水面后，随深度增加会大大的衰弱（详表1[4]），仅少部分到达并透过玻璃屋面进入室内形成空调冷负荷[4]。

表1 不同波段的太阳辐射能透过水深后的能量百分比

透过了500 mm 的蓄水层到达玻璃表面的太阳辐射热：

式中：Qs'为透过蓄水层到达玻璃表面的太阳辐射热，W；F 为蓄水层表面积，m2；Jz为单位面积蓄水层表面夏季太阳总辐射照度，W/m2。

当未饱和空气和蓄水层表面接触时，因水面水蒸气分压力高于未饱和空气的水蒸气分压力，产生液面水汽蒸发，吸收大量的热。根据道尔顿定理推导出的水面蒸发量计算经验公式，计算出蓄水层表面的蒸发水量。

式中：W 为单位面积水面蒸发量，mm/(d·m2)；E 为水面温度下的饱和水汽压，hPa；e150为水面以上150 cm 高处的实际水汽压，hPa；u150为水面以上150 cm 高处的风速，m/s。

2.1.2 玻璃屋面热量传递

玻璃屋面热量传递主要包括透过玻璃屋面进入室内的太阳辐射得热，蓄水层与玻璃表面之间的对流换热量，通过蓄水层传递给室内空气的显热量。

进入室内的太阳辐射热：

蓄水层-玻璃屋面的对流换热：

进入室内的温差传热：

式中：Qf为对流传热量，W；Qc,in为温差传热量，W；；xg为玻璃屋面窗框比；SHGC 为玻璃屋面的太阳得热系数；h 为水的对流换热系数，W/(m2·K)；Kg为玻璃屋面传热系数，W/(m2·K)；Fg为玻璃屋面面积，m2；T 为蓄水层平均温度，K；Tin为室内空调设计温度，K。

根据无遮阳设施外窗的太阳辐射冷负荷计算公式[2]和透过玻璃窗进入的太阳辐射得热形成的逐时冷负荷计算公式[3]，逐时计算出透过下层玻璃屋面进入室内的太阳辐射热Qs''。

该地区夏季持续日照，日间室外空气温度高于水面温度，忽略水面反射作用，上层水体吸收的太阳辐射热和环境空气温差传热扣除水面蒸发耗热量后，仍有部分热量被水体吸收。水体吸热后不易迅速向下传导，在延时迭加效应的影响下水温缓慢变化。且为了保持水量恒定和水体透明度，自动过滤补水装置和超滤水池就近设在地下，池内水温按该地区地下水温20°C取值。低温水持续从蓄水层底部注入，减缓了上层水体温度变化对下层玻璃屋面的影响。为简化计算忽略蓄水层内部的温度梯度，假定水体温度变化至均匀，按平均温度进行相关计算。

蓄水层吸收热量：

蓄水层平均温度：

式中：Qx为蓄水层吸收热量，W；M 为屋面蓄水量，kg；t为蓄水层平均温度，°C；mb为补水量，kg/h；tb为补水温度，°C；C 为水的比热容，kJ/(kg·°C)；t(w,τ)为蓄水层逐时温度，°C。

当蓄水层平均温度大于室内空调设计温度时，屋面透明区形成的逐时冷负荷为Qz''、Qf以及Qc,in之和。当蓄水层平均温度小于等于室内空调设计温度时，则透明区域逐时冷负荷不大于Qz''。

2.2 屋面非透明区

根据通过围护结构传入的非稳态传热形成的逐时冷负荷计算公式[3]，计算非透明区域温差传热：

式中：Qw为屋面非透明区形成的逐时冷负荷，W；Kw为屋面非透明区传热系数，W/(m2·K)；Fwm为屋面非透明区面积，m2；T(wm,τ)为屋面非透明区的逐时冷负荷计算温度，°C。

综上，该项目蓄水玻璃屋面形成的逐时冷负荷为Qz''、Qf、Qc,in以及Qw之和。

3 权衡判断

按《广东省公共建筑节能设计标准》DBJ15-51-2020 设定参照屋面热工参数，总面积为7219 m2，透光部分面积721.9 m2，传热系数3.0 W/(m2·K)，太阳得热系数0.30。非透光部分面积为6497.1 m2，传热系数0.90 W/(m2·K)。参照屋面最大逐时冷负荷值包括透过玻璃天窗进入的太阳辐射得热形成的逐时冷负荷和屋面传热形成的逐时冷负荷。根据无遮阳设施外窗的太阳辐射冷负荷计算公式[2]计算透过无遮阳玻璃天窗的太阳辐射形成的逐时冷负荷，根据围护结构传入的非稳态传热形成的逐时冷负荷计算公式[3]分别计算透光部分和非透光部分屋面传热形成的逐时冷负荷。对比算得的蓄水玻璃屋面日累计制冷需求与参照屋面日累计制冷需求，进行权衡判断。

按照上述计算方法，算得该项目蓄水玻璃屋面方案日累计制冷需求为4773.54kW，参照屋面日累计制冷需求为3795.87 kW，蓄水玻璃屋面超出参照屋面日制冷需求25.76%，权衡判断为不满足节能要求。

蓄水玻璃屋面形成的冷负荷各项计算结果显示：蓄水层底部持续注入低温补水，可有效减缓水体温度上升，确保了下层玻璃导热面温度不大于室内空调设计温度。太阳辐射热的影响最大，透明区面积和玻璃屋面的太阳得热系数是决定节能效果的主要因素。因此，可通过减少透明区面积或降低下层玻璃屋面的太阳得热系数来提高蓄水玻璃屋面的节能性能。经计算，将原屋面方案的透明区域面积与屋面总面积比值降至47.5%，日制冷需求降为3772.45 kW。根据咸宁南玻提供相关数据，将玻璃屋面改为中空夹胶玻璃（8 双银高透+12A+8C/1.52PVB/8C），太阳得热系数由0.59 降至0.435，屋面的日制冷需求降为3565.1 kW。采取这两种措施后屋面形成的冷负荷逐时计算结果对比如图1 所示，较参照屋面日制冷需求权衡判断均可满足节能要求。

图1 逐时冷负荷计算结果对比

4 结论

蓄水玻璃屋面虽然利用蓄水层减少了太阳辐射的热作用，但在实际应用中还应合理设计屋面透明部分面积和合理选择玻璃屋面的太阳得热系数才能满足节能要求。此外，持续稳定的低温补水不仅保证了蓄水层水量和水体透明度，更是降低上层水体与室内空间换热的有效措施。