透光型圍護結構對建筑能耗的影響

    隨著經濟發展、社會進步及審美水平的提高，現代建筑外形不斷求新、求異。玻璃窗、玻璃幕墻等透光型圍護結構占建筑外表面的比例越來越高，已成為建筑本體能源消耗的最主要因素。而透光型圍護結構對建筑能耗影響的復雜性。透光型圍護結構本身的動態熱過程特點、建筑物外墻的窗墻比、節能玻璃的選用、窗框及幕墻支撐的材料以及可調節遮陽裝置的使用是該類圍護結構影響建筑能耗的主要方面。


    1　透光型圍護結構的動態熱過程
    對于建筑中的房間而言，其熱過程主要包括4個方面：外擾通過圍護結構的熱傳遞過程、內擾的熱傳遞過程、室內外通風和空調投入的熱量[1]。一個孤立房間的外擾包括空氣溫度、太陽輻射強度、主導風向風速等室外氣象條件，以及周圍環境表面溫度、小區風環境等建筑群微氣候。這些擾量通過圍護結構熱傳遞影響房間內表面溫度，并通過對流、輻射影響室內空氣溫度。發生在透光型圍護結構表面的熱過程包括太陽輻射的透過過程及傳熱過程。由于太陽光在穿透透過體系過程中，能量還會被玻璃窗框等吸收，因此輻射透過過程影響傳熱過程。夏季，太陽輻射使室內溫度顯著升高，增大空調冷負荷和建筑能耗；冬季，太陽輻射有利于提高室內溫度，減小供暖負荷和建筑能耗。在同樣的太陽輻射入射條件下，不同類型的透過體系(窗、玻璃幕墻及其附帶的遮陽構件的整體)對太陽輻射的反射、吸收與透過量有所不同，使得最終傳入室內的太陽輻射量存在很大差別[2](普通單玻窗對太陽輻射的透過率約為80％，而單層反射玻璃只有20％)。以往，透過體系的傳熱計算，將溫差傳熱和因玻璃吸收了太陽輻射溫度升高而引起的傳熱分開處理，沒有考慮玻璃吸收的太陽輻射對其溫差的影響，把互相耦合的傳熱過程分開，是近似的方法。準確描述透光型圍護結構的動態熱過程需要考慮建筑內表面吸收情況對透過體系透過率的影響，用基于能量平衡推導的方法，計算復雜透過體系對太陽輻射的透過、吸收及其與室內的傳熱，從而建立透過體系的傳熱模型、透過和吸收模型及K-Sc模型。


    2　透光型圍護結構對建筑能耗的影響
    2.1 窗墻比對建筑能耗的影響
    近年來，住宅建筑的開窗面積不斷增大，公共建筑為了建筑立面美觀，建筑形態豐富，更是大面積的采用透明幕墻。窗墻比對建筑能耗高低的影響更直接。

    但是，在不同的氣候分區內，窗墻比對建筑能耗的影響程度不同。例如通過對夏熱冬冷地區9個代表城市的單體建筑的窗墻比對建筑能耗的影響研究，發現全年空調耗冷量與窗墻比呈線性關系；冬季日照率低于0，3的地區，各朝向全年采暖耗熱量與窗墻比呈線性關系，外墻面向南、東南、西南時全年采暖耗熱量與窗墻比呈二次函數關系。外墻朝南時能耗最低，應在南向開窗，東西向不宜開窗。一定窗墻比范圍內耗電量不變[3]。而夏熱冬暖地區，窗墻比需要優先考慮其對建筑物通風、遮陽的影響。

    因此，建筑窗墻比對建筑能耗的影響要綜合考慮多方面的因素，如不同地區冬、夏季日照情況(日照時間長短、太陽總輻射強度、陽光入射角大小)、季風影響、室外空氣溫度、室內采光設計標準等。

    2.2　玻璃性能對建筑能耗的影響
    玻璃的熱工性能直接影響太陽輻射熱的透過、吸收和反射。通常情況下(太陽入射角小于60o)，太陽光照射到普通玻璃表面后，7.3％的能量被反射，不會成為房間的得熱；79％直接透過玻璃進入室內，全部成為房間的熱量，還有13.7％則被玻璃吸收，而使玻璃溫度提高。被吸收的這部分能量中，4.9％又將以長波熱輻射和對流方式傳至室內，而余下的8.8％同樣以長波熱輻射和對流方式散至室外，不會成為房間的得熱。因此，玻璃的反射率越高，透過率和吸收率越低，太陽輻射得熱量就越少。實驗表明，夏季空調負荷中，實體墻傳熱量僅占整個墻面傳熱量的30％，通過窗的傳熱量所占比例最大，主要是太陽輻射得熱。

    為了減少通過玻璃的熱輻射，使玻璃具有盡可能低的表面發射率，節能建筑中廣泛應用了鍍膜玻璃。鍍膜玻璃可分熱反射玻璃、低輻射玻璃(Low-E玻璃)、導電膜玻璃等。通過鍍膜可改變玻璃的光學性能，進而改善玻璃的傳熱特性，以降低建筑能耗。同時為了提高玻璃窗的熱阻，除了在玻璃表面鍍膜外，還可采用中空玻璃。盡管鍍膜、中空玻璃都是節能玻璃，但對于不同的地理位置，玻璃的光學性能和熱工性能對建筑能耗的影響程度不同，如果不考慮地域的氣候特點，盲目選擇“節能”玻璃，往往達不到良好的節能效果。

    采用EnergyPlus軟件模擬普通平板玻璃、吸熱玻璃、熱反射玻璃、低輻射中空玻璃作幕墻時建筑的設計日冷熱負荷，月能耗和全年能耗。發現不同地理位置下不同玻璃類型的幕墻對建筑能耗影響很大。熱反射玻璃和低輻射中空玻璃夏季可大幅度降低峰值冷負荷和總冷負荷，性能最優的是低輻射中空玻璃，能耗僅是普通平板玻璃的23％；普通中空玻璃和低輻射中空玻璃冬季熱負荷較其它玻璃小[4]。各種單層玻璃的能耗差別主要與透射比、反射比等玻璃的光學性能有關，雙層玻璃不但遮光性能增強，傳熱系數也大幅度下降。在玻璃幕墻中玻璃類型的選取應著重從夏季熱舒適及供冷能耗角度考慮。

    另外，通過模擬計算Low-E玻璃在北京和深圳使用時對全年建筑能耗的影響，發現Low—E玻璃在南方使用節能效果明顯，Low-E中空玻璃與普通3 mm白玻璃相比，空調負荷可降低20％左右，全年空調能耗降低24％左右。在北京，使用Low-E中空玻璃可降低32％的空調能耗和20％空調負荷，卻增加了2％的供暖能耗。特別是單片在線鍍膜玻璃，由于傳熱系數的限制，不適合在北方地區使用。北方采暖地區選擇傳熱系數較小的Low-E玻璃較合適。


    2.3　遮陽方式對建筑能耗的影響
    大量的調查和測試表明，太陽輻射通過窗進入室內的熱量是造成夏季室內過熱的主要原因。日本、美國、歐洲以及香港地區都把提高窗的熱工性能和陽光控制作為夏季防熱及建筑節能的重點。國內外研究表明，窗戶遮陽可獲得節能收益10％~24％，而用于遮陽的建筑投資則不足2％[6]。夏季不同朝向墻面輻射變化很復雜，不同墻面日輻射強度和峰值出現的時間不同，因此，不同的遮陽方式直接影響建筑能耗大小。

    從遮陽的方式和放置位置來看，主要分選擇性透光遮陽、內置式活動遮陽(包括內遮陽、嵌入式遮陽、雙層皮夾層遮陽)、綠化遮陽、外遮陽。選擇性透光遮陽即利用玻璃或某些鑲嵌材料對陽光具有選擇性吸收、反射和透過的特性來達到控制太陽輻射的目的，如磨砂玻璃、折光玻璃、彩色玻璃、熱反射鍍膜玻璃等，這種遮陽方式的缺陷是玻璃性能不隨季節變化，夏季能避免室內過熱，卻會影響冬季對太陽能的利用。利用門窗的透光材料本身遮陽，有一定的局限性[7]。內置式活動遮陽(包括內遮陽、嵌入式遮陽、雙層皮夾層遮陽)經濟易行，調節靈活，方便安裝和拆卸，但其隔熱性能有限。考慮采用相同的遮陽百葉分別作為內外遮陽時，對于外遮陽系統，主要的太陽輻射被遮陽百葉擋在了室外側，僅有15％左右的熱量進入室內。而內遮陽盡管有透過玻璃后的太陽輻射量的l／3被遮陽百葉反射后回到室外，仍有近50％的太陽輻射透過內遮陽系統進入室內。外遮陽的隔熱性能明顯優于內遮陽。

    同時，遮陽設計應綜合考慮建筑氣候、窗口朝向、房間用途[6]。以北京地區住宅為例，水平遮陽、綜合遮陽適用于南向窗戶，而垂直、擋板以及外置卷簾遮陽適用于東西向窗戶。

    2.4　窗框和幕墻支撐對建筑能耗的影響
    透光型圍護結構不僅由透明材料如玻璃制成，還包括固定這些透明材料的窗框及相關的支撐結構，窗框、幕墻支撐型材的不同，會使窗戶的性能特點有很大差別。采用單層玻璃時，金屬窗框散熱的比例占整個窗戶散熱的15％～25％，采用Lg)W—E膜中空玻璃后，通過窗框的散熱將達到整窗散熱的50％。提高玻璃保溫性能的同時，提高其相關固定支撐構件的隔熱性能，是降低透明圍護結構耗能的有效措施。采用斷熱技術的鋁合金窗框可將外窗傳熱系數降低到2.4～3.2W／m2·k，采用新型玻璃鋼窗框的窗傳熱系數可低至1.5W/m2·k。


    3　降低透光型圍護結構建筑能耗的途徑
   (1)在建筑方案設計階段，利用動態模擬技術計算各種方案的能耗情況，從而使透光型圍護結構占外墻比例、節能玻璃類型、窗及幕墻構造、遮陽方式等達到節能最優。

    (2)廣泛開發推廣外窗和玻璃幕墻的節能型新產品、新技術。如有效降低長波輻射增強保溫的低輻射鍍膜玻璃與玻璃夾層充惰性氣體的隔熱技術、斷熱式窗框、斷熱式玻璃幕墻支撐技術。

   (3)采用有效的遮陽設施，減少夏季通過外窗和玻璃幕墻的太陽輻射，而在冬季又適當地接收太陽輻射。如可調節外遮陽技術，玻璃夾層中間設置可調節遮陽技術。

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