玻璃幕墙类型对房屋能耗的影响

曾佳

（浙江省建设投资集团股份有限公司海外部 浙江杭州 310013）

1 绪论

1.1 研究背景及意义

全球变暖的形势日益严峻，不仅危害了自然生态系统的平衡，更威胁了全球经济和人类生存。到目前为止，大气中二氧化碳的浓度水平在很大程度上远远超过了过去80 万年的水平。大气中二氧化碳的浓度从1740 年的277ppm 快速增长至如今的418ppm［1］。2015 年，英国二氧化碳的净排放量约达4.04 亿t，占了英国温室气体排放总量的81.4%［2］。虽然全球变暖的现象看似无关乎于房屋建筑，但其实它和建筑物之间有着密不可分的关系。在欧洲，有超过40%的能源消耗及36%的二氧化碳排放量来源于建筑物［3］。早在20世纪，一些西方发达国家就提出了节能建筑设计的理念，可以通过多种措施来提高建筑资源的利用率，从而提高建筑的经济效益［4］。如何有效地利用能源是可持续建筑发展的最基本条件，它有助于减少能源消耗，从而减少燃烧化石燃料产生的温室气体［5］。节能建筑的发展可以通过采用自然通风、最大化利用太阳能、采用不同功能的建筑外墙立面系统等来实现。建筑立面作为建筑物和外部空间的屏障，它可以通过控制室内的光照和温度来影响建筑物的耗能情况。

自1990年起，中欧和北欧地区出现了各式各样的高科技外墙立面，这个现象导致了整个欧洲能源价格的提高，随后有关部门出台了更严格的建筑规范，对建筑设计和建筑环境规定了高质量的要求［6］。由于所有欧洲国家对空调使用有限制，因此在房屋外观立面设计上，设计师非常重视如何最大化地发挥自然采光和自然通风性能。如今，相比陈旧的办公大楼，许多现代办公楼或许不需要很多能源用于冬季供暖，却往往需要非常多的电力用于夏季空调制冷及通风换气。这个现象在许多欧洲国家都非常明显，主要是越来越多的建筑为了美观等一系列原因而采用了玻璃幕墙［7］。然而，由于传统的玻璃幕墙有许多不尽如人意的地方，例如室内的热舒适不够或者强光刺眼等问题，因此越来越多的设计师开始使用双层玻璃幕墙取而代之。

双层玻璃幕墙由内外两层立面构造组成，形成一个室内外之间的空气缓冲层。两层立面之间的距离可由10cm 至2m 不等。外层可由明框、隐框或点支式幕墙构成，内层可由明框、隐框幕墙或具有开启扇和检修通道的门窗组成，也可以在一个独立支承结构的两侧设置玻璃面层，形成空间距离较小的双层立面构造［8］。双层玻璃幕墙可以通过两层立面间的空气缓冲层起到节能效果，同时也有助于自然通风和隔声防噪。此外，它还易于调整改善室内热环境，也可以通过百叶调整室内光线。Eriksson和Blomsterberg研究了许多带有百叶窗的双层玻璃幕墙下的室内热舒适度，他们发现，从室内热舒适和能源使用方面来讲，采用双层玻璃幕墙的办公楼相对于采用普通幕墙的办公楼要更节能、舒适度更高［9］。

1.2 研究目的

本文的主要研究目的是调查研究不同建筑立面类型对房屋能耗的影响。建筑立面是指建筑和建筑的外部空间直接接触的界面，以及其展现出来的形象和构成的方式，是一个至关重要的建筑外部元素。不同种类的建筑立面类型会导致不同的房屋能耗表现，尤其体现在房屋的能耗量和室内热环境质量上。本文主要通过模拟分析在不同的玻璃幕墙立面下建筑中每年供暖和制冷消耗的能量，来研究不同建筑立面类型对房屋能耗的影响。

1.3 研究方法

本文通过使用ECOTECT和EDSL TAS软件模拟和分析了英国伦敦地区一个二层办公楼在不同玻璃幕墙立面下的能耗表现。在本文的分析模拟中，ECOTECT和EDSL TAS 软件均主要通过分析建筑室内热环境质量来比较不同的能耗表现。本文通过比较两种模拟计算结果来分析不同玻璃幕墙立面性能对房屋能耗的影响，并为今后进行科学的节能建筑立面设计提供指导。

2 模拟分析

2.1 ECOTECT 软件模拟

本文主要用ECOTECT 软件进行模拟分析室内的热环境质量、太阳辐射和通风情况。

2.1.1 理论

ECOTECT提供了一系列的建筑热环境分析功能，其中涵盖了室内温度、舒适度、太阳辐射等诸多内容。ECOTECT 中的热环境分析基于英国注册工程师协会（CIBSE）所核定的准入法，这是一种动态负荷计算方法，具有计算速度快且操作简单的特点，其精度完全能够满足建筑设计各阶段的不同要求。准入法的另一个特点是非常灵活，其对于建筑物的体形及模拟分析区域的数量没有限制。

从某种意义上来说，建筑热环境分析就是求解室内外各种扰动作用下的室内热环境参数，其中外扰主要是指室内的各种气候影响因素，包括了室外气温、湿度、太阳辐射强度等内容。外扰主要作用于建筑的围护结构之上，并通过各种不同的传热方式影响室内热环境。在ECOTECT中，对于外扰的描述主要来源于逐时气象数据，对于内扰则来源于用户的相关设定，其包括了室内人数、设备发热量及运行时间表等。

2.1.2 模拟模型描述

模拟模型是英国伦敦地区一个二层办公楼，每层楼面积约320m2。如图1 所示，房屋一楼、二楼正南面的中间均设有16m×2.4m的玻璃窗，正西面的中间均设有8m×2.4m的玻璃窗。设置正南面的玻璃窗是为了可以充分吸收太阳能，设置正西面的玻璃窗是为了美观和日常采光。此外，由于现在许多现代办公楼都非常喜欢采用大面积玻璃作为立面，因此这个模拟模型在一定程度上是很有代表性的。

图1 ECOTECT 模型（自绘）

2.1.3 设计要求

模拟模型是英国伦敦地区一个二层办公楼，其尺寸为：每层楼高2.4m，房屋长20m，宽16m，每层楼面积约320m2。当地天气数据采用ECOTECT 数据库中2011年的伦敦天气进行模拟。内墙、地板和天花板均采用隔热材料，设置外墙为轻质结构，其热阻性能值为0.35W/（m2·K）。为了充分研究不同立面类型对房屋能耗的影响，本文模拟了单层玻璃幕墙、双层玻璃幕墙，以及外层玻璃组合双层玻璃幕墙，这些立面类型均有不同的热阻性能值和太阳光透射率，见表1。此外，根据CIBSE规范，玻璃面板的一般热阻性能值为1.6W/（m2·K）。

表1 不同立面类型的热阻性能值和太阳光透射率

设定模拟模型的内扰因素如表2所示。设定工作时间为工作日早上8 点至下午5 点，其中午休时间为12 点至下午1 点。为了更好地分析房屋能耗情况，室内外空气交换系数为0.5ach，整个办公楼无自然通风，温度调节全部由空调进行。根据伦敦地区的空气线图，房屋室内的适宜温度区间为19～23℃。

表2 模拟模型的内扰因素

2.1.4 供暖及制冷能耗情况

ECOTECT模拟G1A、G2A、G2B、G2C、G3A、G3B的平均每月供暖和制冷能耗结果如表3所示。

表3 不同立面类型的每月能耗结果

根据表3 所示，可以发现单层玻璃幕墙要比双层玻璃幕墙和外层玻璃组合双层玻璃幕墙全年耗能少，它在春季和冬季的制冷上节省了很多能源消耗。然而，单层玻璃幕墙在1—5月、9—12月期间需要更多的供暖能耗，在7 月、8 月需要更多的制冷能耗。尽管单层玻璃幕墙在全年总能耗上要少于双层玻璃幕墙和外层玻璃组合双层玻璃幕墙，但是相比起来，它的室内热环境舒适度会有所欠缺，人们在夏季可能会觉得闷热，而在冬季又会觉得寒冷。由于单层玻璃幕墙的热阻性能值比较大，导致它的保温隔热性能相对没有双层玻璃幕墙和外层玻璃组合双层玻璃幕墙那么好，因此它需要全年（除了7月）供暖，这占了其全年能耗的17%。

对于双层玻璃幕墙，G2A 全年耗能最少，约为14 336kWh，G2B全年耗能最多。从各个立面的热阻性能值来看，G2A的热阻性能值最大，却消耗最少能量。从太阳光透射率方面看，太阳光透射率越小，全年所消耗的能量就越少。

对比单层玻璃幕墙G1A和双层玻璃幕墙G2A的每月平均供暖和制冷能耗，从中可以发现，无论何种玻璃幕墙，二楼的能耗主要都用于夏季制冷上；而对于单层玻璃幕墙，一楼从当年10月至次年5月几乎都不需要制冷能耗。尽管较低热阻性能值的立面有较好的保温隔热性能和相对高的热环境舒适度，但是它全年的制冷能耗也会相应增加。因此设计师需要综合考虑房屋的能耗表现，而不是一味地追求立面的低热阻性能值，同时也可以采取一些措施来减少春季、秋季的制冷能耗。

2.2 EDSL TAS 软件模拟

2.2.1 理论

EDSL TAS是一个建筑热能分析软件，用于模拟建筑物的热力学性能。EDSL TAS 几乎可以模拟在不同条件、位置、天气状况下的任何建筑物。EDSL TAS 很容易上手和操作，它比较擅长于分析环境状况及自然通风、能源消耗等方面，主要包括3 个主要软件，分别是3D建模、建筑物模拟和结果查看器。其中，3D建模主要用于模拟创建模型；建筑物模拟主要用于计算室内的空气流通情况、热环境质量及其他设备产热情况等；结果查看器可以采用图表方式对各类结果进行比对和成列。

供暖制冷能耗是EDSL TAS软件的一个重要功能，EDSL TAS 采用CIBSE 规范的原理对模拟建筑物进行热环境状况分析。EDSL TAS 软件曾和CIBSE 规范所算出的结果进行过比对，研究人员运行TAS 软件20d后得出供热能耗为8.56kW，而CIBSE 规范的结果为8.72kW，结果表明其精确度较高。

2.2.2 模拟模型描述

模型设置及设计要求均与ECOTECT 模型设置一致。当地天气数据采用EDSL TAS数据库中2010年的伦敦天气进行模拟。模型参见图2。

图2 EDSL TAS 模型（自绘）

2.2.3 供暖及制冷能耗情况

模拟结果表明单层玻璃幕墙（G1A）全年消耗的能量最多，与双层玻璃幕墙以及外层玻璃组合双层玻璃幕墙相比，它需要更多的能耗用于夏季制冷和冬季供暖。从双层玻璃幕墙结果来看，G2A 的热阻性能值最大，太阳光透射率最小，所需要的全年能耗最少，为16 884kW·h。G2B和G2C的热阻性能值和太阳光透射率均差不多，它们的全年耗能量也相差不大。对于外层玻璃组合双层玻璃幕墙，G3A的热阻性能值为1.606W/（m2·K），太阳光透射率为0.433；G3B 的热阻性能值为1.503W/（m2·K），太阳光透射率为0.206。G3B 的全年耗能量为15051kW·h，是6个试验中耗能最少的。

由此可以总结出，对于伦敦地区的天气情况，相对较低的太阳光透射率的立面性能是必不可少的，但是较低的热阻性能值却不是非常有必要，这是因为办公楼基本上为全封闭的空间，其室内的内扰因素发热量非常高，而伦敦的气候相对较冷，全年都不会过于炎热或寒冷，因此并不需要非常低的热阻性能材料来实现非常好的保温隔热效果，然而相对较低的太阳光透射率非常有必要，它可以帮助减缓太阳光的直射。

2.3 结果分析

ECOTECT 模拟的室内内扰发热量为16858W，EDSL TAS 模拟的室内内扰发热量为16488W，两者相差不大。

两个软件计算的月平均太阳能吸收量，TAS 软件的结果普遍要比ECOTECT 的结果高，但是相差不大，这可能是由于ECOTECT 软件的天气数据和TAS 软件的天气数据有一些差异。对于月平均通风换热量，两个软件的结果相差不明显，差别可能是由于室内外的温度差所引起，两个软件所计算的室外温度有所差异。月平均传导换热量两个软件的结果也差别不明显，除了1月和2月的差距有点大，这仍然是由于两者不同的室外温度所引起的。

3 结语

总体来说，两个软件模拟的结果差别不大。从模拟结果上看，尽管单层玻璃幕墙在全年总能耗上要少于双层玻璃幕墙和外层玻璃组合双层玻璃幕墙，但是相比起来，它的室内热环境舒适度会有所欠缺，人们在夏季可能会觉得闷热，而在冬季又会觉得寒冷。对于双层玻璃幕墙和外层玻璃组合双层玻璃幕墙，单一从立面的热阻性能值或者太阳能透射率来看，并不能总结出一些规律，但是结合两者便可以得出：相对于英国伦敦地区的天气状况，当两个立面的热阻性能值差不多时，太阳能透射率越小的，耗能较少；而当两个立面的太阳能透射率差不多时，热阻性能值越小反而耗能越多。