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摘 要:從不同方面總結了幕墻節能的建筑構造方法,并通過運用DOE - 2. 1 節能分析軟件及傳統的熱工學理論詳細地對比分析了幾種玻璃幕墻各項熱工性能的差別,并通過負荷峰值、太陽輻射、冷熱負荷定量地闡述了玻璃幕墻帶來的能耗損失。
關鍵詞:雙層循環幕墻;中掛百葉幕墻;節能
在當代建筑設計中,玻璃幕墻得到了廣泛的應用,但隨著綠色建筑概念的提出,幕墻因其在建筑節能中的瑕疵及光污染等問題而受到較大的質疑,因此近年來對玻璃幕墻應用的探討越來越深入。玻璃幕墻的節能措施已深入到建筑的第一個細部,但大多數的建筑師只能定性地了解,因此如何定量地分析和改善玻璃幕墻的節能方法和效益就顯得非常重要,也只有這樣才能引起建筑師的重視。
1 節能原理分析
關于改善幕墻的方法有多種,根據分析有兩種比較有效,第一種是利用雙層幕墻冬夏兩季形成不同循環環路,利用溫室原理及煙囪效應達到節能的目的,當然與單層幕墻相比,雙層幕墻的導熱系數本身就有相當幅度的降低。
其節能原理[1] 是,循環幕墻由雙層玻幕或一層玻幕及一層普通開窗墻體組成,內外兩層均上下設置通風口,夏季時打開外層上下通風口,在陽光的照射下,中間層空氣層溫度升高而自然上浮,形成自下而上的空氣流,由于煙囪效應帶走通道的熱量,降低內層表面溫度,降低室內冷負荷。冬季時,關閉外層通風口,打開內層通過,夾層中的空氣在陽光的照射下,溫度升高,形成一個小溫室有效提高內層玻璃及空氣溫度,氣體自然上浮,與室內形成微量氣體循環,提高室內溫度,減少熱負荷的需求。
另一種方案是對傳統百葉遮陽的綜合改進。由于太陽直射對建筑的冷熱負荷有直接影響,冬季的陽光進入室內,夏季遮陽都能有效地控制負荷總值。但傳統建筑中的百葉或掛于室內,難以高效控制已入室內的熱量;或懸于室外,不能形成循環通風道,或多或少地對建筑節能有一定的負面影響。中掛百葉是幕墻改革的一個較好方案,法蘭克福商業銀行總部大廈[2 ] 是其中一個較好的例子,見圖1。這種百葉幕墻解決了適時調節百葉的角度,以最佳狀態達到節能的目的。
事實上每個幕墻構造的具體做法都涉及當地的氣候條件。圖2 為筆者實際作品的一個例子,當時稱之為假性幕墻。由于當地屬嚴寒地區,只在內層設置通風口,也就是只有冬季循環,但其全年日照時間很長,夏季日照時數還是較大,中掛百葉也是解決問題的一種方案。但對于長江中下游夏熱冬冷地區,雙路循環則是必須的。只有這樣才能兼顧冬夏兩季室內環境的要求。綜合不同方案的優點,可以得出循環中掛百葉幕墻(簡稱中掛幕墻) 的構造,圖3 為中掛幕墻在不同狀態下的工作情況示意,仍然是一種定性的理解,下面就應對其做定量的分析。
2 分析方法及軟件
分析采用對比的方法,我們首先設置單層玻璃幕墻作為對比條件,然后將其與雙層循環幕墻及中掛百葉幕墻兩種狀態進行對比,定量地探討其節能的效益。
分析的內容采取兩組數據,一組是幕墻的變化對建筑整體負荷的影響,因為幕墻本身是不可能單獨存在的,相關的條件對幕墻變化的影響是相互聯系的,因此該數據具有一定的客觀性。另一組數據是針對幕墻本身變化的研究,也就是將以目前相關的一部分建筑負荷提出來,這組數據具有可比性,其節能效益具有直觀性。
采用的計算軟件為《夏熱冬冷地區居住建筑節能標準》(J GJ134 —2001) 中推薦的美國能源部發布的Doe - 2. 1。這種軟件的計算方法具有綜合性、系統性及相當的精確度,它將某一局部的變化置于整體環境中,測算其對環境總的影響力。
3 計算條件的假定
為了便于定量分析,假定一種簡化的建筑模型是必要的,假定的各種條件基于各種真實的資料。
3. 1 建筑的地理位置及氣象資料
建筑假定在湖北潛江市江漢油田, 東經112°53′,北緯30°25′,屬夏熱冬冷地區。
該區域年平均氣溫為16. 5 ℃,年最高溫度為37 ℃,最低溫度約- 3. 2 ℃。年平均降雨量為1150mm左右,年日照時數為1855h ,主導風向為NE ,頻率為16 ,總云量為80. 7 成,低云量為25. 1 成。
3. 2 建筑物理模型
建筑假定為一個18m ×18m 的獨立大廳,層高7m ,如圖4 :北、東、西窗戶為3m ×3m 的大窗,南部設18m ×614m 幕墻,計算分單層幕墻、循環幕墻、中掛幕墻三個模型分別進行。
3. 3 建筑能耗計算的基本條件
(1) 外墻,240 磚墻兩面抹灰,傳熱系數2103WP(m2·K) ,延遲時間8h。
(2) 外門窗,單層金屬門窗,單層幕墻,傳熱系數6140WP(m2·K) 。雙層幕墻按兩層玻璃計算。循環通風口上下均為015m2 (多口總面積) 。
(3) 新風按門窗滲透風量計算。
(4) 普通屋面按當地常用通風屋面計算,傳熱系數按1. 54WP(m2·K) 計算。
(5) 地面傳熱系數0. 2WPm2 。
(6) 冷負荷室內計算溫度26 ℃,熱負荷室內計算溫度18 ℃。
4 負荷峰值
冷熱負荷峰值是建筑負荷計算值,涉及安裝設備功率的大小,除了有直接節能的意義外,對降低選用設備功率,從而減少一次性直接投資,也有相當的意義。因此負峰的降低在建筑節能方面具有重要的意義,是一個必須討論的問題。單獨分析該幕墻在負荷(或其峰值) 形成中所起的作用,更能直觀反映節能的效率。
