可变透光ETFE 气枕光热性能研究
2021-12-26郑晓宇何伟赵万方庾汉成秦明辉
郑晓宇 何伟 赵万方 庾汉成 秦明辉
1 合肥工业大学土木与水利工程学院
2 青海建筑职业技术学院
0 引言
目前，根据国际能源署的数据，建筑行业占全球能源消耗的36%和温室气体排放量的近40%[1]。不断增长的能源需求进一步说明了降低建筑能耗的重要性。围护结构作为建筑内外环境的隔断，对建筑热性能和室内舒适度有重要影响[2]。膜结构因其在构型和功能上的灵活性逐渐地流行起来。其中，ETFE（Ethylene-Tetrafluoroethylene）膜因其质轻、透明、强度高、自洁性等特性而被广泛应用[3]。2008 年北京奥运会游泳馆“水立方”是中国首座ETFE 膜结构建筑。这种以多层膜缝合成的气枕构成的半透明围护结构，兼具采光、结构、保温等功能，打破了传统建筑窗和墙的界限。但是这也意味着现有的建筑节能策略可能不适用于ETFE 建筑。同时，有研究表明ETFE 膜的高透光性会导致夏季室内温度过高[4]。为避免这种隐患，工程中通常采用印刷镀点的方式来调节ETFE 膜材透光率[5]。Robbin[6]提出了一种可变透光ETFE 气枕结构以实现对太阳辐射的控制（图1）。气枕的外层表面和中间层表面印刷有相间的遮光材料，通过两个空腔的气压差调整中间层的位置，从而实现对透光率的控制[7]。尽管该系统已经被应用于国外一些建筑（如Duales System世博馆、Festo 技术中心、Kingsdale 小学）[8-9]之中，但是关于这种适应性机制的建筑物理学的信息非常少，并且仍然不清楚这种可变透光气枕能在多大程度上改善建筑的光学和能耗表现。
图1 可变透光ETFE 气枕
本研究基于合肥市气候条件定制了一种可变透光ETFE 气枕，旨在探究其对办公建筑室内的光热环境影响。采用Grasshopper 设计平台，建立一个典型办公室模型，通过Ladybug 和Honeybee 插件调用Radiance，Daysim 和EnergyPlus 内核进行光照和能耗模拟。此外，在合肥地区搭建等比例缩小的办公室模拟，通过实验验证软件模拟结果。
1 研究方法
通过对一个典型的安装有ETFE 气枕外窗的办公室进行建模，研究室内光学环境和能耗水平。同时，在合肥地区搭建等比例缩小办公室模型，测量室内光学环境变化，并与模拟结果对比分析。模拟采用Rhino 6软件建模，基于Grasshopper 编程语言，通过Ladybug与Honeybee 插件调用Radiance、Daysim 进行光学计算，调用EnergyPlus 进行能耗计算，旨在得到室内照度、有效采光照度（UDI）、太阳得热系数（SHGC）、全年建筑能耗等关键值。
1.1 气象参数
合肥市地处中国华东地区，四季分明，属于夏热冬冷建筑气候区和Ⅳ级光气候区。本模拟采用中国标准气象数据CSWD（Chinese standard weather data）中合肥市的气象参数进行计算，计算时长全年，计算步长为一小时。合肥市的每月平均气温和南立面的太阳直接辐射月累计值如图2 所示。本实验测量数据获取于2020 年5 月27 日，地点为合肥市，天气晴朗。
图2 合肥市每月平均温度和南立面太阳直接辐射月累计值
1.2 模拟设置
1.2.1 模型建立
本研究在Rhino 6 软件中建造了一个外部尺寸为6 m×4.5 m×3 m（长×宽×高）的典型办公室（见图3），南墙开窗尺寸为2.4 m×2.4 m，窗台高0.m。这个房间被设定为多层建筑中一个中间层朝南的办公室。假设建筑内设置理想空调，室温一致，目标办公室只有南墙暴露在室外条件下，其他房间表面不产生热量传递。
图3 典型办公室模型
1.2.2 参数设置
围护结构主要光学及热工参数输入值如表1 所示。为简化计算，对未提及计算参数采用软件默认设置参数。
表1 围护结构光学及热工参数
根据《照明测量方法》（GB/T 5700-2008），本研究照度计算采用中心布点法，计算网格划分与测点布置如图4 所示。计算网格位于距地面0.75 m 平面生成，网格尺寸为0.75 m×0.75 m，测点位于网格中心点。
图4 网格划分与测点布置图
为直观反映建筑能量特性，办公室设置理想空调系统，室内设计参数参数见表2。全年工作时间为上午9 点至下午5 点，人员逐时在室率，设备、新风工作时间表按《合肥市公共建筑节能设计标准》（DB34/T5060-2016）中办公室相关时间表设置。选择测点19 布置感光传感器，当照度低于450lux 时自动开灯，当照度高于450lux 时自动关灯。通过全年动态采光模拟，生成照明时间表导入能耗计算中。
表2 室内设计参数
1.3 实验准备
1.3.1 ETFE 气枕制作
本实验采用的三层ETFE 气枕购于上海太阳膜结构有限公司，气枕上层与中层采用厚度为250 μm，圆形银色镀点覆盖面积为63%的透明ETFE 膜材，气枕下层采用250 μm 的无色透明ETFE 膜材。三层ETFE膜材由宽度为0.1 m 的铝合金边框层压固定，气枕外部尺寸为1 m×1 m，透明窗口尺寸为0.8 m×0.8 m。
1.3.2 实验台搭建
典型办公室等比例缩小模型（见图5）搭建于合肥市。框架采用钢管脚手架搭建，围护结构材料采用10 mm 厚灰色PVC 发泡板。实验台为典型办公室等比例缩小模型，外部尺寸为2 m×1.5 m×1 m（长×宽×高）。照度测点布置与图4 保持一致，测量平面距地面0.25 m，测量网格尺寸为0.25 m，测点位于网格中心点。照度测量采用泰仕电子工业股份有限公司生产的TES-1330A 数位式照度计。
图5 典型办公室等比例缩小模型
1.4 评价标准
中心布点法的平均照度可由下式计算：
式中：Eav为平均照度，lux；Ei在第i 个测点上的照度，lux；M 纵向测点数；N 横向测点数。
有效采光照度UDI（Useful Daylight Illuminance）是指工作平面上的照度值落入给定照度范围之一的时间分数。照度范围是由分析周期内照度下限和照度上限来界定。根据前文所设置的办公室照度标准值450lux，划分UDI 范围为450～2000lux。UDI 作为动态评价指标，意味着：1）在室内照度低于450lux 时，天然采光不足以满足室内照度需求，需要人工照明作为补充光源。2）在室内照度位于450lux 与2000lux 之间，室内照度属于理想的或至少可容忍的水平，不需要人工照明。3）当室内照度超过2000lux 时，天然采光可能会产生视觉或热不适，可能需要遮光措施。
太阳得热系数SHGC（Solar Heat Gain Coefficient）是指通过透光围护结构（门窗或透光幕墙）的太阳辐射室内得热量与投射到透光围护结构（门窗或透光幕墙）外表面上的太阳辐射量的比值。太阳辐射室内得热量包括太阳辐射通过辐射投射的得热量和太阳辐射被构件吸收再传入室内的得热量两部分。
2 建筑光环境分析
2.1 模型验证
实验记录了9:00 时至17:00 时的室内各测点照度值，经过计算处理，所得各时段平均照度与软件模拟值进行对比，所得结果如图6 所示。室内平均照度自9:00时逐渐升高，12:00 时达到全天最高水平后逐渐下降。软件模拟所得的室内照度水平变化趋势与实际观测值相近，最大误差10.4%出现在12:00 时。观测所得数据经过处理生成的伪色图与软件模拟生成的室内照度分布图对比如图7 所示。以11:00 时所得数据图为例，室内实测照度略高于模拟值，但整体照度分布趋势一致，验证模拟结果较为可信。
图6 室内平均照度实测值与模拟值对比图
图7 同一时刻室内实测照度与模拟照度
2.2 有效采光照度分析
为研究ETFE 气枕在全年的采光性能，本文采用全年动态采光模拟，计算各采光测点的有效采光照度（UDI）数据，并与标准双层玻璃窗进行对比。
应用双层玻璃窗建筑室内有效采光照度如图8所示，有效采光照度UDI450
图8 应用双层玻璃窗建筑室内有效采光照度
图9 和图10 分别为ETFE 气枕开启模式和关闭模式的有效采光照度伪色图。不同于双层玻璃窗，应用ETFE 气枕的室内在靠近窗的区域UDI450
图9 应用ETFE 气枕（开启模式）建筑室内有效采光照度
图10 应用ETFE 气枕（关闭模式）建筑室内有效采光照度
通过有效采光照度分析，ETFE 气枕具有改善调节室内采光环境的能力，可以有效降低室内产生因采光导致的过热或者眩光风险，但也会导致室内离窗较远的工作平面采光不足。采光不足的区域需要补充人工照明，由此产生的能耗需要进一步评估，以确定ETFE 气枕的光热性能。
3 建筑能耗模拟分析
3.1 太阳得热系数分析
图11 显示了在合肥气候条件下，可变透光ETFE气枕与双层玻璃窗的全年工作时段逐时窗户得热和入射太阳辐射。图中的每一点都代表相应类型窗的太阳得热及其相应的入射太阳辐射。每种类型窗户的太阳得热系数（SHGC）由斜率（k）表示。该斜率代表了一定范围的太阳辐射入射率下窗户单元的得热率的趋势。双层玻璃窗（k1）的斜率大约为0.61，并且全年保持恒定水平。k2 和k3 的值是可变透光的ETFE 气枕在打开模式和关闭模式下获得的，大约为0.31 和0.23。这意味着，本文所研究的ETFE 气枕实际太阳得热系数范围为0.23 至0.31。可以预测随着太阳辐射率的增加，室内照度逐渐达到高水平，ETFE 气枕可以从开启模式逐渐转换到关闭模式，从而减少通过窗户传递的太阳能。
图11 透明双层玻璃窗和可变透光ETFE气枕的太阳得热系数（SHGC）
3.2 能耗模拟分析
在合肥气候条件下，通过全年逐时能耗模拟，应用可变透光ETFE 气枕和双层玻璃窗的建筑能耗模拟结果如图12 所示。窗户系统会显著影响制冷，供暖和照明的能源需求，从而影响建筑总能耗。因此，本文以每平米能耗指标表示结果，主要在制冷，供暖和照明方面讨论应用不同类型窗户系统建筑的能耗水平。合肥属于夏热冬冷地区，应用透明双层玻璃窗系统的建筑预计总能耗达到128.97 kWh/m2，其中冷负荷指标为90.35 kWh/m2，热负荷指标为32.40 kWh/m2，照明能耗为6.22 kWh/m2。而应用可变透光ETFE 气枕的建筑可以减少能耗需求，总能耗指标降至107.91 kWh/m2，冷负荷指标降至70 kWh/m2，热负荷指标降至30.37 kWh/m2，照明能耗有所上升至7.54 kWh/m2。相较于透明双层玻璃窗系统，可变透光ETFE 气枕降低了16.33%的建筑能耗。由图13 可知，节能效果主要归功于制冷能耗的大幅降低。可能的解释为所研究的ETFE 气枕拥有更低的太阳得热系数（SHGC），从而能在制冷季较好地降低进入室内的太阳辐射量。对于供暖能耗来说，ETFE 气枕节能效果并不显著，这可能是气枕保温和太阳得热的综合结果。ETFE 气枕拥有比透明双层玻璃窗更好的保温效果，可以降低冬季室内供暖的需求，但较低的SHGC 会减少太阳能的利用。至于应用ETFE 气枕导致照明能耗升高，这符合前文对于有效采光照度（UDI）的分析结果。
图12 应用ETFE 气枕和双层玻璃窗建筑全年能耗
4 结论
可变透光ETFE 气枕与透明双层玻璃窗相比，具有改善建筑能耗性能和视觉舒适性的潜力。本研究通过Grasshopper 平台，对应用ETFE 气枕的建筑模型进行光热联合模拟，并与透明双层玻璃窗系统进行比较。同时，在合肥市搭建了等比例缩小的办公室模型，通过照度测量验证了计算机模型的准确性。研究结果表明：
1）室内靠近窗户区域常因超出照度舒适值（lux>2000）而产生过热和眩光的风险。可变透光ETFE气枕可以有效降低临窗区域照度，从而增加全年有效采光（450 2）可变透光ETFE 气枕相较于透明双层玻璃窗拥有更低的太阳得热系数（SHGC）。随着室外太阳辐射率的增加，ETFE 气枕的SHGC 可以由开启模式的0.31 逐渐降低至0.23，从而减少通过窗户的太阳得热。 3）在合肥地区气候条件下，本研究所选用的可变透光ETFE 气枕相较于透明双层玻璃窗可以减低建筑全年16.33%的能耗。ETFE 气枕较低的SHGC 和可见光透射率，在显著降低制冷能耗的同时，也导致照明能耗增加。 本研究所得结论是基于特定地点、特定材料参数。不同参数ETFE 气枕在不同地区可能会产生不同的应用效果。因此，需要进一步研究为可变透光ETFE 气枕更广泛应用提供理论基础。
