事实上每个幕墙构造的具体做法都涉及当地的气候条件。图2 为笔者实际作品的一个例子,当时称之为假性幕墙。由于当地属严寒地区,只在内层设置通风口,也就是只有冬季循环,但其全年日照时间很长,夏季日照时数还是较大,中挂百叶也是解决问题的一种方案。但对于长江中下游夏热冬冷地区,双路循环则是必须的。只有这样才能兼顾冬夏两季室内环境的要求。综合不同方案的优点,可以得出循环中挂百叶幕墙(简称中挂幕墙) 的构造,图3 为中挂幕墙在不同状态下的工作情况示意,仍然是一种定性的理解,下面就应对其做定量的分析。

2 分析方法及软件

分析采用对比的方法,我们首先设置单层玻璃幕墙作为对比条件,然后将其与双层循环幕墙及中挂百叶幕墙两种状态进行对比,定量地探讨其节能的效益。

分析的内容采取两组数据,一组是幕墙的变化对建筑整体负荷的影响,因为幕墙本身是不可能单独存在的,相关的条件对幕墙变化的影响是相互联系的,因此该数据具有一定的客观性。另一组数据是针对幕墙本身变化的研究,也就是将以目前相关的一部分建筑负荷提出来,这组数据具有可比性,其节能效益具有直观性。

采用的计算软件为《夏热冬冷地区居住建筑节能标准》(J GJ134 —2001) 中推荐的美国能源部发布的Doe - 2. 1。这种软件的计算方法具有综合性、系
统性及相当的精确度,它将某一局部的变化置于整体环境中,测算其对环境总的影响力。

3 计算条件的假定

为了便于定量分析,假定一种简化的建筑模型是必要的,假定的各种条件基于各种真实的资料。

3. 1 建筑的地理位置及气象资料

建筑假定在湖北潜江市江汉油田, 东经112°53′,北纬30°25′,属夏热冬冷地区。

该区域年平均气温为16. 5 ℃,年最高温度为37 ℃,最低温度约- 3. 2 ℃。年平均降雨量为1150mm左右,年日照时数为1855h ,主导风向为NE ,频率为16 ,总云量为80. 7 成,低云量为25. 1 成。

3. 2 建筑物理模型
建筑假定为一个18m ×18m 的独立大厅,层高7m ,如图4 :北、东、西窗户为3m ×3m 的大窗,南部设18m ×614m 幕墙,计算分单层幕墙、循环幕墙、中挂幕墙三个模型分别进行。

3. 3 建筑能耗计算的基本条件
(1) 外墙,240 砖墙两面抹灰,传热系数2103WP(m2·K) ,延迟时间8h。
(2) 外门窗,单层金属门窗,单层幕墙,传热系数6140WP(m2·K) 。双层幕墙按两层玻璃计算。循环通风口上下均为015m2 (多口总面积) 。
(3) 新风按门窗渗透风量计算。
(4) 普通屋面按当地常用通风屋面计算,传热系数按1. 54WP(m2·K) 计算。
(5) 地面传热系数0. 2WPm2 。
(6) 冷负荷室内计算温度26 ℃,热负荷室内计算温度18 ℃。

4 负荷峰值

冷热负荷峰值是建筑负荷计算值,涉及安装设备功率的大小,除了有直接节能的意义外,对降低选用设备功率,从而减少一次性直接投资,也有相当的意义。因此负峰的降低在建筑节能方面具有重要的意义,是一个必须讨论的问题。单独分析该幕墙在负荷(或其峰值) 形成中所起的作用,更能直观反映节能的效率。


表1 说明在夏热冬冷地区幕墙导致夏季冷负荷值超过冬季热负荷值,减少夏季热负荷成为该类型节能的首要问题。

通过对三种幕墙的比较,双层循环幕墙(简称循环幕墙) 冷负荷较普通单层幕墙降低10. 59 % ,而中挂硬幕墙降低18. 27 %;其值要比热负荷降低率(分别为8. 63 % ,13. 60 %) 高出一定的百分比,也说明两种幕墙对冷负荷峰值平衡能力高于对热负荷的平衡能力。


表2 可以反映两点事实,一是幕墙的影响成分在冷负荷中所占比例偏高,占26. 84 %～40. 20 % ,而热负荷所占比例偏低,占13. 91 %～25. 62 %。其原因是幕墙透过的太阳直射所形成的冷负荷值较普通墙偏高,而太阳直射是夏季冷负荷形成的主要原因,有的高达90 %以上。虽然冬季太阳直射可以大幅度减少建筑所需的热负荷,但由于太阳角偏小及日照时间缩短,其所占的比例关系也就不显得非常突出。二是两种幕墙节能效益无论冷热负荷峰值都非常明显,冬季略高于夏季。冬季热负荷循环幕墙下降33. 67 % ,而中挂幕墙为53. 0 %;夏季冷负荷则分别为26. 24 % ,45. 44 %。

5 太阳直射得热对负荷的影响

太阳直射得热在夏季产生冷负荷,在冬季有利于削减热负荷,这对冬夏两季具有非常重要的影响。特别是夏季,对于玻璃幕墙类的建筑,它对冷负荷的多少起到决定性的影响,对照表3 及综合负荷值(表6) 。太阳直射导致的冷负荷分别占建筑总负荷值的98. 14 % ,93. 33 % ,88. 97 %。因此降低太阳直射得热是降低冷负荷值必须考虑的一种方法。


表4 中幕墙的冷负荷与表6 比较,发现非常有趣的是,对单体幕墙来说,太阳直射引起的冷负荷已超过了该幕墙所形成的总负荷,分别为129. 96 % , 120. 25 % ,120. 85 %。超出的部分必须通过该幕墙及该片墙体上少梁砖墙体向外逸出,也就是说在冷负荷状态下该幕墙的流量是从内向外,而不是通常认为的从外至内的流向。

因此,改善太阳直射得热是降低冷负荷最首要的任务。通过表3 可知,循环幕墙下降率为16146 %,而中挂能耗降低率为30166 %,在该方面都有相当的表现。对于单片幕墙来说,降低率分别为11174 %, 34115 %,循环幕墙冷负荷的降低率与整个建筑相比还低,说明循环幕墙对改善直射得热产生冷负荷作用偏弱,而中挂百叶将显著地增加为34115 %,高于整个建筑负荷的降低率近4 个百分点。

太阳直射得热也是减少冬季热负荷的重要原因,直接得热减少的热负荷值占建筑热负荷总值比例三成左右,在单体幕墙其比例更高,在六成以上。但减少热负荷的方法同样导致了太阳直射的得热量,在其它数值下降的同时,冬季太阳得热也同时下降,建筑负荷下降率分别为15. 15 % ,23. 30 % ,单体幕墙负荷降低率分别为39. 87 % ,56. 80 %。中挂百叶在太阳得热问题上由于具有可控性,优于循环幕墙,其降低速度明显低于循环幕墙的降低速度。

图5 中幕墙的热负荷值均低于建筑热负荷值,两者差别清晰,说明幕墙所产生的热负荷值为建筑热负荷值的一部分,约为20 %～30 %。而对于冷负荷来说关系较为复杂,呈交叉状态,部分时间段幕墙的冷负荷高于整个建筑产生的冷负荷,必须通过其它构件消耗,产生热流反向运动,才能达到平衡。

6 玻璃导热及渗风冷热负荷的对比

影响幕墙建筑的另一个重要因素是玻璃导热问题。由于玻璃导热系数过高,为6. 40WP(m2 ·K) ,同时门窗幕墙玻璃的密封技术在国内还未得到根本解决,因此幕墙的节能问题一直困扰着建筑界。


在太阳直射得热部分分析了由于太阳直接得热过高,在冷负荷状态玻璃导热形成反向热流,从内至外,因此均为负值,由于太阳直射在冷负荷中起绝对作用,因此玻璃导热就显得不太突出。对于热负荷来讲,玻璃导热及渗风则是首要因素,在建筑负荷方面, 各自分别占总负荷的60119 % , 50191 % , 45198 % ,基本占总负荷的一半左右。

7 综合负荷

上面分析了影响负荷的几个主要因素,包括冷热负荷峰值、太阳直射、玻璃导热及渗风形成的负荷,事实上还有墙体、屋顶以及室内人体与照明形成的负荷,本文仅针对几个与幕墙相关的主要因素进行分析。

验算节能效益最终指标会落实在综合负荷上,因为它综合了各种正负两方面的影响,累积了不同程度的因素,因此作为衡量耗能指标应是最全面、最具说服力的一项。


与负荷峰值相反, 建筑冷负荷降低率为10.67 % ,22. 16 % ,与冷负荷相比建筑热负荷下降相对缓一些,下降分别为8. 60 % ,10. 28 %;说明改善幕墙的两种方法对于热负荷更为有效,同时也说明幕墙产生的冷负荷在建筑冷负荷中所占的比例非常大,三者分别为63. 88 % ,61. 46 %和52. 44 %。

8 结论

根据上述各项指标分析,可以得出以下结论(见表7) 。据有关资料记载,该类幕墙节能效益约38 % ～52 %[1 ] ,经Doe - 2. 1 验算与资料记载相符。幕墙本身导致大量冷负荷产生,降低冷负荷难度较大,是今后研究的重点。在夏热冬冷地区,协调冬夏两季的矛盾是玻璃幕墙节能的方向之一。