玻璃幕墻建筑室內(nèi)熱舒適性分析

玻璃幕墻建筑室內(nèi)熱舒適性分析

玻璃窗簾是近年來廣泛使用的建筑圍欄。該項目豐富，對室內(nèi)熱環(huán)境的研究帶來了新的課題。由于受地理位置、幕墻朝向、玻璃類型、安裝方式的影響,玻璃幕墻建筑室內(nèi)熱環(huán)境的變化非常復(fù)雜,因此要想對該類建筑進行合理的熱環(huán)境設(shè)計,使大部分區(qū)域盡可能滿足人體熱舒適要求,必須了解這些因素的作用特點及規(guī)律。本文就玻璃類型對玻璃幕墻建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響進行分析。1南、北、北健全、放售人與墻以某博覽中心一展廳作為建筑模型,平面尺寸55.3m×73m,南、西、北側(cè)為外墻,東側(cè)為內(nèi)墻,天棚為2層的地板。該展廳采用了大面積的玻璃幕墻作為圍護結(jié)構(gòu),其中南側(cè)和北側(cè)窗墻比為67%,西側(cè)達到84%。該建筑位于北京,博覽中心工作時間設(shè)定為8:00~18:00。首先,筆者利用能耗模擬軟件EnergyPlus計算了無溫度控制、采用13種不同玻璃時的室內(nèi)空氣溫度,并通過房間中心位置的PMV與室內(nèi)設(shè)定溫度ta、平均輻射溫度tmrt之間的關(guān)系,給出了滿足熱舒適限值要求的室內(nèi)控制溫度范圍;然后把EnergyPlus中由熱平衡法計算得出的房間圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度輸入到自編的熱舒適計算程序中,得到南側(cè)單面幕墻建筑不同窗墻比時,室內(nèi)不同位置的熱舒適情況。2影響因素分析2.1玻璃的組成及其主要性能參數(shù)由于加工工藝不同,玻璃可以分為普通平板玻璃、吸熱玻璃、熱反射玻璃、低輻射玻璃和一些有特殊用途的功能玻璃,其中,普通平板玻璃一般不單獨使用,常作為其他玻璃的加工原片或與其他玻璃組合構(gòu)成中空玻璃。玻璃作為圍護結(jié)構(gòu)的差異體現(xiàn)在其性能參數(shù)上,主要是熱工參數(shù)和光學(xué)參數(shù)。熱工參數(shù)即傳熱系數(shù),它決定了同等條件下室內(nèi)外傳熱量的大小;光學(xué)參數(shù)包括遮陽系數(shù),太陽能透射比、反射比、吸收比和可見光透射比、反射比、吸收比,這是與傳統(tǒng)圍護結(jié)構(gòu)的區(qū)別所在,玻璃透射熱量的多少在很大程度上影響著室內(nèi)熱舒適和建筑能耗。表1,2列出了不同玻璃類型及其組合的性能參數(shù),供模擬分析使用。由于顏色、厚度、使用要求不同,即使是同種類型的玻璃,性能參數(shù)也不盡相同,而是在一定范圍內(nèi)變化。如表1中,單1、單2分別為3mm,6mm普通平板玻璃;單3、單4相當(dāng)于吸熱玻璃;單5、單6相當(dāng)于熱反射玻璃;單7、單8相當(dāng)于低輻射玻璃,但低輻射玻璃很容易被氧化,必須與其他玻璃組合成中空玻璃使用,在模擬中作為中空玻璃出現(xiàn)。吸熱玻璃能吸收大量紅外輻射,透射比及遮陽系數(shù)較普通平板玻璃低;熱反射玻璃表面涂以金屬、金屬氧化物或非金屬氧化物薄膜,具有較高的反射能力,它與吸熱玻璃的區(qū)別在于吸收比與反射比的比值,大于1為吸熱玻璃,小于1為熱反射玻璃;低輻射玻璃是一種特殊的鍍膜玻璃,除具有較低的透射比、遮陽系數(shù)外,還具有較小的表面輻射率,使其傳熱系數(shù)大幅度降低。由上述單層玻璃組合而成的中空玻璃見表2,這些玻璃均以6mm普通平板玻璃作為內(nèi)層。2.1.1玻璃構(gòu)造的對比由圖1a可以看出,無溫度控制且不考慮室內(nèi)人員及其他得熱來源時,夏季各種單層玻璃建筑白天室內(nèi)溫度都在27.7℃以上,尤其下午溫度更高,其中采用單1普通平板玻璃時最高,達到36℃。采用雙層中空玻璃時室內(nèi)空氣溫度略有降低,但降低幅度均不超過1℃,見圖1b。采用由低輻射玻璃構(gòu)成的中空玻璃(雙7)時室內(nèi)溫度降低幅度最大,上午溫度都在28℃以下,下午最高溫度下降了6.4℃,只有29.6℃,且出現(xiàn)在18:00。由此可以推斷,夏季要想使室內(nèi)達到同樣的熱舒適條件,低輻射中空玻璃所需要的空調(diào)運行時間最短,消耗的運行費最少。對于單層玻璃而言,夏季單1~單4玻璃(普通平板玻璃和吸熱玻璃)的遮陽系數(shù)依次降低,但室內(nèi)空氣溫度相近,其中單4吸熱玻璃在12:00~15:00的溫度還略高于其他三種玻璃,這說明吸熱玻璃在夏季以白天為主要空氣調(diào)節(jié)時間段的建筑中所起到的作用與普通平板玻璃差別不大,同時也說明單一的遮陽系數(shù)不足以體現(xiàn)玻璃性能優(yōu)劣,不能單獨用來評價玻璃幕墻建筑室內(nèi)熱環(huán)境的好壞。單5、單6熱反射玻璃與前四者相比室溫有明顯降低,尤其是峰值溫度,這兩種玻璃與前四種的不同就是玻璃透射比降低、反射比顯著升高,可見玻璃的透射比和反射比對室內(nèi)熱環(huán)境的影響都很大。雙層中空玻璃夏季室溫變化的總體趨勢是隨遮陽系數(shù)減小,室溫降低。采用雙7、雙5玻璃時的極端溫度分別比普通平板玻璃低6.4℃和4.8℃;雙6盡管是低輻射中空玻璃,外層有較低的輻射率,但由于其透射比比雙5玻璃高,反射比比雙5玻璃低,因此室溫比采用雙5玻璃還要高;雙4、雙6玻璃夜間溫度接近的原因是雙6玻璃傳熱系數(shù)小,夜間向外傳遞的熱量少,致使室內(nèi)溫度較高。這表明,即使同種類型的玻璃,性能參數(shù)不同時也會使室內(nèi)熱環(huán)境差別很大;而不同類型的玻璃,更不能簡單地說孰好孰壞,例如并不是所有低輻射中空玻璃的隔熱性能都高于熱反射中空玻璃。對比圖2和圖1,可以發(fā)現(xiàn)冬夏季單層玻璃室溫變化趨勢一致,透射比大,反射比小的單1~單4玻璃白天室溫相近,都很高。采用反射比為45%的熱反射玻璃時室溫比普通平板玻璃低2~4℃,夏季可以節(jié)省冷量,冬季卻要耗費大量熱量;采用雙層玻璃時冬夏室溫變化趨勢不完全一致,雙6、雙7玻璃的傳熱系數(shù)比雙1~雙5小,因此冬季向室外傳出的熱量少,表現(xiàn)為室溫曲線明顯上移?？梢?低輻射中空玻璃不但可以使夏季室內(nèi)溫度維持很低,還可以使冬季室溫保持較高,單從性能上看對冬夏季都有利。2.1.2舒適溫度范圍對分別采用單1、單6和雙7玻璃的幕墻建筑,模擬了室內(nèi)中心位置的PMV和平均輻射溫度tmrt的變化情況,結(jié)果如圖3,4所示。從中可以看出這三種玻璃的全天最佳舒適溫度范圍。為使室內(nèi)達到熱舒適要求,不同玻璃應(yīng)采用不同的控制室溫ta,并且該溫度隨時間而變化。從圖3可以看出,晴天,幕墻為單1普通平板玻璃的建筑,白天室溫要維持在19℃以上,才能滿足熱舒適下限要求;單6熱反射玻璃要求的室溫還要略高于普通平板玻璃,這是因為熱反射玻璃反射了大量的太陽輻射熱,使室內(nèi)得熱相對減少;雙7低輻射中空玻璃維持室溫在18℃以上就可以滿足熱舒適要求,并且在達到熱舒適最低限要求PMV=-0.5時,其平均輻射溫度比另兩種玻璃高1~2℃,因此,采用這種玻璃冬季能明顯節(jié)能。從不同控制室溫下的全天平均輻射溫度變化范圍來看,隨著室外溫度的升高,如果控制室溫不變,必然使平均輻射溫度升高,人體熱感覺投票值增大,即PMV值增大;而對于不同的室內(nèi)控制溫度,在同一時刻,控制室溫高時對應(yīng)的平均輻射溫度也高,因此,隨著室內(nèi)控制溫度的升高,每條曲線的起始點向平均輻射溫度增大的方向偏移。在這三種玻璃中,低輻射中空玻璃全天平均輻射溫度波動范圍最小,約為4℃,熱反射玻璃、透明玻璃分別為5℃和6℃,這說明采用低輻射中空玻璃時室內(nèi)熱環(huán)境比采用其他玻璃時穩(wěn)定,其舒適區(qū)的溫度跨度也比其他玻璃小,調(diào)節(jié)時不用頻繁改變設(shè)定點溫度或空氣流量,有利于節(jié)能。與冬季相比,圖4所示的夏季平均輻射溫度變化范圍都較小,低輻射中空玻璃不足2℃,這主要是由室外氣象條件決定的,因為夏季室內(nèi)外溫差比冬季小得多。在同樣室內(nèi)設(shè)定溫度下,采用3mm普通平板玻璃、6mm熱反射玻璃、低輻射中空玻璃時的平均輻射溫度依次降低,如以普通平板玻璃為基準(zhǔn),降低幅度分別約為1.5℃和2.5℃。滿足熱舒適上限要求(PMV=0.5)的室內(nèi)溫度上限變化范圍分別是:23.5~22℃,24.5~23℃,24.8~23.9℃?？梢?在滿足熱舒適條件下,與其他玻璃相比,低輻射中空玻璃冬季要求的控制室溫最低,夏季最高;房間中心位置的空調(diào)控制室溫,冬季可以降低1℃,夏季可以提高1~2℃,因此,所消耗的供暖或制冷能量也就相應(yīng)較低,節(jié)約了運行費用;并且在同一舒適溫度控制時,低輻射中空玻璃能長時間維持熱舒適環(huán)境。重復(fù)上述模擬,可以得出各種玻璃的舒適溫度范圍,表3列出了13種玻璃在滿足熱舒適限值要求時的溫度區(qū)間。冬季舒適偏涼,夏季舒適偏暖符合限值要求,因此給出的舒適溫度范圍對應(yīng)的PMV值分別是冬季PMV∈(-0.5,0)和夏季PMV∈(0,0.5)。從模擬數(shù)據(jù)可以看出,晴天,冬季溫度為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的18~22℃時基本可以滿足要求,而夏季舒適溫度值都在24℃以下?？梢?玻璃幕墻建筑由于受太陽輻射熱的影響大,夏季空調(diào)控制室溫較標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值偏低。2.2建筑幕墻pmv的變化前面分析了房間中心處,不同類型玻璃幕墻對人體熱舒適的影響,該處距幕墻較遠,人體受太陽輻射熱的影響較小,因此,不同類型玻璃幕墻的舒適溫度差別很小。如果人離幕墻較近,受幕墻影響變大,熱舒適溫度可能差別很大。為反映室內(nèi)不同位置的熱舒適狀況,下面以單6熱反射玻璃為例,對南側(cè)單面幕墻建筑室內(nèi)不同位置(如圖5所示)的舒適性進行模擬分析,同時考慮窗墻比的影響,夏季室溫設(shè)為24℃。圖6a為距離南幕墻5m處,東西向不同位置人體的熱舒適情況?？梢钥闯?隨窗墻比增大,PMV增大,但不同位置PMV值增大的幅度不同。在幕墻垂直中心線的位置,即本算例的x≈28m處,無論幕墻面積多大,該處幾乎都能直接受到太陽輻射,因此窗墻比變化對它的影響相對較小;而在遠離幕墻垂直中心線的位置,隨著窗墻比變化,PMV變化相對較大。這說明與幕墻相對位置的變化對人體熱感覺有很大影響。圖6b,6c,6d是在與幕墻相對位置不同的三條線上,沿進深方向PMV的變化。從圖6b和6c可以看出,當(dāng)逐漸遠離幕墻時,PMV值明顯降低,距幕墻5m處要比房間中心位置的PMV值高約0.2;并且幕墻中心位置處所影響的區(qū)域比幕墻邊緣區(qū)要大,這從圖6b的曲線比6c的曲線陡可以得出;圖6d曲線的走向不一致,這是因為此處離西外墻較近,受到了多面圍護結(jié)構(gòu)的綜合影響,因此與前兩者變化趨勢不盡相同。由上述分析可以得出,在大面積玻璃幕墻建筑中,幕墻附近的周邊區(qū)熱環(huán)境與遠離幕墻的內(nèi)區(qū)差別很大,這給空調(diào)設(shè)計的氣流組織和溫度控制提出了更高的要求,必須降低外區(qū)的控制溫度或加大送風(fēng)量才能滿足其熱舒適要求,因此外區(qū)的送風(fēng)溫度可在前面計算得出的中心區(qū)舒適溫度范圍基礎(chǔ)上進行調(diào)整。圖6b,6c,6d也反映出了窗墻比變化對熱舒適的影響。由圖6b,x=28m處,窗墻比由小到大變化所影響的區(qū)域不斷增大,例如窗墻比從35%增大到50%時,受影響較大的區(qū)域是10~25m;窗墻比從50%增大到67%時,受影響較大的區(qū)域是15~30m;窗墻比繼續(xù)增大,所影響的區(qū)域繼續(xù)增大。在遠離幕墻垂直中心線的位置,窗墻比變化對幕墻附近的影響要明顯大于對內(nèi)區(qū)中心位置的影響,例如x=14m處,窗墻比從35%增大到79%時,在靠近幕墻10m以內(nèi)的區(qū)域,PMV增大了0.15,而在中心位置PMV只增大了0.06;x=7m處,窗墻比從35%增大到79%時,PMV增大了0.16,中心位置PMV只增大了0.05。對比圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn),冬季南向窗墻比變化對熱舒適的影響比夏季小得多,在圖上表現(xiàn)為PMV變化范圍縮小,如距幕墻5m處的PMV值比房間中心位置小0.13左右;與夏季相反,晴天窗墻比越大,人體舒適性越好,這是因為,冬季南面幕墻是太陽得熱的主要來源,冷輻射的影響相對減弱。圖7a為距南幕墻5m的平面上不同位置人體熱舒適情況。由圖可見,人在幕墻中心線上時,窗墻比變化對人體舒適性影響最小,距西墻10m左右影響最大,10m以外的區(qū)域影響逐漸變小,這主要是因為此時盡管幕墻面積在變,但人與幕墻的相對位置變化不大;對于確定的窗墻比,幕墻面積越大,中心線上與邊緣的舒適性差別越大。圖7b,7c,7d給出了與幕墻相對位置不同時的舒適性變化,其中在幕墻中心線上沿進深方向,窗墻比變化對幕墻附近和房間中心位置的影響都很小;在離西外墻較近時,窗墻比變化對幕墻附近的影響大于對進深較大區(qū)域的影響,例如在y=14m處,窗墻比從35%增大到79%時,距南幕墻5m處PMV增大0.08,而距離20m以外的地方,PMV只變化0.02左右;在y=7m處,25m以外的區(qū)域PMV變化幅度小。3玻璃幕墻建筑熱舒適3.1無溫度控制時,大多數(shù)玻璃幕墻建筑的室內(nèi)PMV值都大于1或小于-1,有的絕對值甚至超過2,超出了熱舒適范圍,室內(nèi)熱環(huán)境十分惡劣,因此要進行溫度調(diào)節(jié)。3.2玻璃類型對幕墻建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響顯著,僅以遠離幕墻的房間中心位置為例,性能最好的低輻射中空玻璃,冬季最佳舒適溫度比普通平板玻璃低1℃左右,夏季高1~2℃。根據(jù)分析,對于北京地區(qū),若室內(nèi)空調(diào)設(shè)計溫度從24℃提高到25℃,這一類幕墻