大面积玻璃幕墙建筑室内热环境研究

摘要：利用Energy Plus软件与自编的热舒适计算程序相结合模拟大空间玻璃幕墙建筑室内温度场，探讨玻璃类型及其参数对热环境的影响。分析该类建筑室内热环境的复杂性及热状况随时间、空间不断变化的特点。指出为满足室内热舒适度，大面积玻璃幕墙建筑对空调气流组织设计及分区温度控制提出了更高的要求。
关键词：玻璃幕墙室内热环境平均辐射温度场

玻璃幕墙在建筑中的广泛应用不但创造了艺术的视觉效果，同时也给室内热环境设计带来了新的挑战。大面积使用玻璃的建筑包括展览中心、四季厅、候机大楼、商业建筑等。玻璃幕墙建筑室内热环境发生改变的原因是玻璃材料的性能与传统围护结构不同，主要体现透射性和传热系数的差异上。传统围护结构只是通过传热来改变室内热环境，而玻璃幕墙不但是室内外传热的桥梁，它还能透射太阳辐射热，这两部分综合作用的结果使室内热环境发生很大变化，采用不同玻璃类型的玻璃幕墙建筑室内热环境特性也有不同。文中以展厅类建筑为例，通过模拟采用不同类型玻璃的幕墙建筑室内温度场和热舒适场，来分析这类建筑的室内热环境特征，为采暖空调设计提供参考。
1. 建筑模型
文中讨论玻璃幕墙建筑的室内热环境，以某名车博览中心一层西侧展厅作为建筑模型，结构尺寸为长×宽×高= 55.3m×73m×10.5m，南、西、北侧为外墙，采用玻璃作为围护结构，幕墙高9.5m，南北侧玻璃面积相同，窗墙比为66.6%，西侧窗墙比达到84.3%，东侧为内墙，天棚为二层的楼板，见图1所示。

图1 模拟房间平面图
2. 玻璃简介
随着玻璃加工工艺的进步，玻璃种类日益增多，其性能参数覆盖的范围也越来越宽，为充分了解不同玻璃的室内热环境情况，本文选择三种玻璃进行模拟，分别是普通平板玻璃、单层热反射玻璃、低辐射中空玻璃，代表较差、中等、较好三个层次的要求，性能参数见表1。其中，传热系数体现了玻璃的热工性能，反映了热传导部分热量的大小，主要跟玻璃厚度、表面辐射率有关；太阳能透射率、反射率、吸收率和遮阳系数代表玻璃的光学性能，即与不透明的传统围护结构相比所具有的特殊性能。
普通平板玻璃具有较高的太阳能透射率和传热系数，一般不单独作为幕墙使用，而常作为某些镀膜玻璃的原片，可以在模拟中作为比较的基准。热反射玻璃是在玻璃表面涂以金属或金属氧化物薄膜，具有较高热反射能力而又保持良好的透光性。低辐射玻璃是一种特殊的镀膜玻璃，既像透明玻璃一样能让室外太阳能透过，又像红外反射镜一样能将物体反射热能反射回室内，由于镀膜在空气中很容易被氧化，只能作为中空玻璃使用。
表1 玻璃性能参数
序号玻璃类型厚度
mm 太阳能透
射率% 太阳能吸
收率% 太阳能反射率长波辐射率传热系数
W/m2K 遮阳系数
SC
前侧% 后侧% 前侧% 后侧%
1 普通平板玻璃 3 0.848 0.076 0.076 0.076 0.84 0.84 5.915 1
2 热反射玻璃 5.7 0.496 0.198 0.306 0.251 0.85 0.84 5.822 0.638
3 低辐射+透明浮法玻璃 6+Air12+6 0.188 0.348 0.464 0.357 0.84 0.043 1.668 0.267
3. 模拟方法及条件
文中把能耗模拟软件Energy Plus[1]与自编的热舒适计算程序[2]相结合，利用Energy Plus通过热平衡法计算出的房间围护结构内表面温度作为室内舒适场模拟的输入来计算温度场，弥补软件只能计算房间个别位置热环境的不足，而自编程序的场模拟结果则充分体现出房间的热状况。
模拟分冬夏两个设计日进行，考虑到既要采暖，又要供冷，建筑地点选择在北京，气象参数见暖通规范，其它参数（如太阳辐射等）由能耗模拟工具中的IWEC（International Weather of Energy Calculation）提供。热舒适模拟程序采用Matlab编制程序，首先求得人处于房间内各点的角系数，进而求得工作区域的平均辐射温度场。
4. 模拟结果分析
在玻璃幕墙建筑中，受太阳辐射热影响，平均辐射温度成为影响室内热环境的主要因素。下面首先以3mm普通平板玻璃为例，计算室内在无温度控制时，全天不同时刻的平均辐射温度场；然后再以同样方法模拟6mm热反射玻璃和24mm低辐射中空玻璃的热状况，比较三者的差异。
4.1 3mm普通平板玻璃

图2a~2d为夏季设计日8点、11点、15点、16点时人体工作区的平均辐射温度场。由图可以看出，随着时间推移，各点平均辐射温度逐渐升高，幕墙附近温度变化最为明显。8点时三面幕墙内表面温度相对东内墙低，高温区以东内墙为基面，向外辐射，形成大面积桃形区域，而各朝向幕墙影响的区域为10m左右，与建筑模型中幕墙高度相当；11点时南幕墙附近平均辐射温度高于西、北两侧，但还是东内墙温度最高；到了15点，最高温度区已由房间东侧移动到西幕墙附近，桃形区消失；16点时各处温度达到更高，只是南幕墙附近温度升幅较其它区域小。四个图示比较，上午室内各点平均辐射温差要大于下午，上午最大温差为2~3℃，下午各区域平均辐射温度都有较大升高，但温差变小，在1℃范围以内，室内平均辐射温度变得比较均匀。室内全天的等辐射温度线形状随室外太阳高度角及方位角逐时发生变化。

冬季由于室外温度低，高温区始终出现在靠近东侧墙的中心区域，北侧幕墙得到的太阳辐射最少，温度一直处于全室最低，南侧幕墙温度从11点开始升高，西幕墙则在下午变化显著,这与前面分析的幕墙内表面温度变化趋势是一致的。从某一时刻各点的平均辐射温度来看，冬季内外区温差比夏季要大得多，全天都在4~5℃之间，但等温线形状没有显著变化（见图3a~3d）。由于低温、高温区相对位置没有显著变化，采暖时只需区分内外区就可以了。
4.2 三种玻璃比较
下面分别比较采用1#普通平板玻璃、2#热反射玻璃和3#低辐射中空玻璃的幕墙建筑的室内平均辐射温度场。室外气象条件分别选取在冬、夏季设计日。
4.2.1 冬季
在冬季设计日、上午9点室内无温度控制条件下，从图4可见，普通平板玻璃和热反射玻璃的平均辐射温度等温线形状相似，都是靠近东内墙并远离幕墙的区域温度较高，由于该建筑模型为三面幕墙，故形成桃形的高温区域，而离幕墙越近的地区温度越低，其影响范围与幕墙高度相当，约10米左右，在幕墙附近的低温区和核心处的高温区之间还存在一个过渡区，形状与建筑是几面幕墙、幕墙朝向、幕墙与外墙的相对位置以及幕墙面积有关；低辐射玻璃幕墙的等辐射温度线形状在房间北部与另两种玻璃相近，南部则明显不同，它没有形成与幕墙平面平行的带状等温区域，这是由于低辐射玻璃与其它玻璃的性能差别较大决定的，它不仅具有较低的遮阳系数，而且表面辐射率很小，能把室内的热量大量反射回去，减少了热损失，这表现为内墙及内区对整体环境的影响增大，从而使等辐射温度线形状发生变化；从整个房间的温度范围来看，普通平板玻璃和低辐射玻璃都在4℃左右，即内区温度最高的地方比幕墙附近高约4℃，并且低辐射中空玻璃的室内温度比普通平板玻璃普遍低1℃左右，低辐射中空玻璃的室内温度差距不足2℃，这进一步证明了低辐射中空玻璃的优越性，即室内温度均匀。

4.2.2 夏季
不同玻璃在夏季的表现与冬季是不同的，如图5，通过对设计日下午3点无室温控制下平均辐射温度场的模拟发现，普通平板玻璃的室内平均辐射温度普遍偏高，且比较均匀，各位置温差不到1℃，热反射玻璃与低辐射中空玻璃的等辐射温度线形状相似，但热反射玻璃的室内各点平均辐射温度要比低辐射中空玻璃高3℃以上；三种玻璃的最高平均辐射温度区域都出现在西幕墙附近，这是由模拟时刻西部太阳辐射最强决定的，即形成所谓的西晒；另外，从热反射玻璃的平均辐射温度图示5b可以看出，幕墙附近人所受到的平均辐射温度要高于普通平板玻璃，而内区平均辐射温度则比普通平板玻璃低很多，形成这种局面的原因是，低辐射玻璃减少了太阳透射热，使室内各表面吸收的热量大幅度降低，而在靠近幕墙的区域，由于热反射玻璃的吸热性能大于普通平板玻璃，它吸收的热量使玻璃本体温度上升，造成幕墙附近的平均辐射温度上升，因此说，透射率低、遮阳系数小的玻璃并不一定使室内各点平均辐射温度都低。低辐射中空玻璃在幕墙附近的平均辐射温度比其它类型低，但也比其在中心区域高很多，由于它更低的遮阳系数以及低辐射率等特性，使低辐射中空玻璃在各方面都优于其它玻璃。
通过上述模拟结果可以看出，玻璃幕墙类型在很大程度上影响着室内热舒适温度，同时也影响着内外区的划分，从平均辐射温度场分布可以看出，其外区进深范围大致与幕墙高度相当，并且内外区控制温度不尽相同。1#普通平板玻璃冬季内外区热状况差别很大，要分别控制，夏季温度较均匀，只有西幕墙附近需要特殊降温；2#热反射玻璃夏季内区设置温度可高于普通平板玻璃，但在外区却要更低；3#低辐射中空玻璃室内温度是最均匀的，设置温度冬季可以比多数玻璃低，夏季又可以高于其它玻璃，这说明从运行能耗上来看它还是最节能的，因此在低辐射中空玻璃身上，体现出热舒适和节能相一致的方面。
5 结论
（1）大面积玻璃幕墙建筑室内热环境复杂，幕墙附近的周边区域受外界环境影响尤为明显，该区域范围随时间不断变化，有时达10m左右，与幕墙高度相当，并且冬、夏季特点不尽相同。这说明在大空间玻璃幕墙建筑中不能只以中心点来确定室温，应该合理划分内外区，同时也对空调设计的气流组织和区域温度控制提出了更高的要求。
（2）不同类型玻璃对热环境影响很大，但不能简单地认为任何镀膜玻璃的室内各点热环境都一定优于普通平板玻璃，模拟表明采用热反射玻璃时，由于玻璃吸收率较高，幕墙附近区域的热环境较普通平板玻璃更差，这说明，影响室内热环境的不只是玻璃的遮阳系数和传热系数，必要时还要考虑玻璃的太阳吸收率和反射率。

参考文献
[1] Drury B. Crawley, Lingda K. Lawrie, W.F. Buhl et al. Energy Plus: creating a new-generation building energy simulation program. Energy and Building. 33(2001):319~331
[2] 杨贤荣, 马庆芳, 原庚新等. 北京：辐射换热角系数手册. 国防工业出版社, 1982: 209~222, 253~263