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透光型围护结构对建筑能耗的影响

随着经济发展、社会进步及审美水平的提高,现代建筑外形不断求新、求异。玻璃窗、玻

璃幕墙等透光型围护结构占建筑外表面的比例越来越高,已成为建筑本体能源消耗的最主

要因素。而透光型围护结构对建筑能耗影响的复杂性。透光型围护结构本身的动态热过程特

点、建筑物外墙的窗墙比、节能玻璃的选用、窗框及幕墙支撑的材料以及可调节遮阳装置

的使用是该类围护结构影响建筑能耗的主要方面。

1透光型围护结构的动态热过程

对于建筑中的房间而言,其热过程主要包括4个方面:外扰通过围护结构的热传递过程、

内扰的热传递过程、室内外通风和空调投入的热量[1]。一个孤立房间的外扰包括空气温度、

太阳辐射强度、主导风向风速等室外气象条件,以及周围环境表面温度、小区风环境等建筑

群微气候。这些扰量通过围护结构热传递影响房间内表面温度,并通过对流、辐射影响室内

空气温度。发生在透光型围护结构表面的热过程包括太阳辐射的透过过程及传热过程。由于

太阳光在穿透透过体系过程中,能量还会被玻璃窗框等吸收,因此辐射透过过程影响传热过

程。夏季,太阳辐射使室内温度显著升高,增大空调冷负荷和建筑能耗;冬季,太阳辐射有

利于提高室内温度,减小供暖负荷和建筑能耗。在同样的太阳辐射入射条件下,不同类型的

透过体系(窗、玻璃幕墙及其附带的遮阳构件的整体)对太阳辐射的反射、吸收与透过量有所

不同,使得最终传入室内的太阳辐射量存在很大差别[2](普通单玻窗对太阳辐射的透过率约

为80%,而单层反射玻璃只有20%)。以往,透过体系的传热计算,将温差传热和因玻璃吸

收了太阳辐射温度升高而引起的传热分开处理,没有考虑玻璃吸收的太阳辐射对其温差的影

响,把互相耦合的传热过程分开,是近似的方法。准确描述透光型围护结构的动态热过程需

要考虑建筑内表面吸收情况对透过体系透过率的影响,用基于能量平衡推导的方法,计算复

杂透过体系对太阳辐射的透过、吸收及其与室内的传热,从而建立透过体系的传热模型、透

过和吸收模型及K-Sc模型。

2透光型围护结构对建筑能耗的影响

2.1窗墙比对建筑能耗的影响

近年来,住宅建筑的开窗面积不断增大,公共建筑为了建筑立面美观,建筑形态丰富,

更是大面积的采用透明幕墙。窗墙比对建筑能耗高低的影响更直接。

但是,在不同的气候分区内,窗墙比对建筑能耗的影响程度不同。例如通过对夏热冬冷

地区9个代表城市的单体建筑的窗墙比对建筑能耗的影响研究,发现全年空调耗冷量与窗墙

比呈线性关系;冬季日照率低于0,3的地区,各朝向全年采暖耗热量与窗墙比呈线性关系,

外墙面向南、东南、西南时全年采暖耗热量与窗墙比呈二次函数关系。外墙朝南时能耗最低,

应在南向开窗,东西向不宜开窗。一定窗墙比范围内耗电量不变[3]。而夏热冬暖地区,窗

墙比需要优先考虑其对建筑物通风、遮阳的影响。

因此,建筑窗墙比对建筑能耗的影响要综合考虑多方面的因素,如不同地区冬、夏季日

照情况(日照时间长短、太阳总辐射强度、阳光入射角大小)、季风影响、室外空气温度、室

内采光设计标准等。

2.2玻璃性能对建筑能耗的影响

玻璃的热工性能直接影响太阳辐射热的透过、吸收和反射。通常情况下(太阳入射角小

于60o),太阳光照射到普通玻璃表面后,7.3%的能量被反射,不会成为房间的得热;79%

直接透过玻璃进入室内,全部成为房间的热量,还有13.7%则被玻璃吸收,而使玻璃温度提

高。被吸收的这部分能量中,4.9%又将以长波热辐射和对流方式传至室内,而余下的8.8%

同样以长波热辐射和对流方式散至室外,不会成为房间的得热。因此,玻璃的反射率越高,

透过率和吸收率越低,太阳辐射得热量就越少。实验表明,夏季空调负荷中,实体墙传热量

仅占整个墙面传热量的30%,通过窗的传热量所占比例最大,主要是太阳辐射得热。

为了减少通过玻璃的热辐射,使玻璃具有尽可能低的表面发射率,节能建筑中广泛应

用了镀膜玻璃。镀膜玻璃可分热反射玻璃、低辐射玻璃(Low-E玻璃)、导电膜玻璃等。通

过镀膜可改变玻璃的光学性能,进而改善玻璃的传热特性,以降低建筑能耗。同时为了提高

玻璃窗的热阻,除了在玻璃表面镀膜外,还可采用中空玻璃。尽管镀膜、中空玻璃都是节能

玻璃,但对于不同的地理位置,玻璃的光学性能和热工性能对建筑能耗的影响程度不同,如

果不考虑地域的气候特点,盲目选择“节能”玻璃,往往达不到良好的节能效果。

采用EnergyPlus软件模拟普通平板玻璃、吸热玻璃、热反射玻璃、低辐射中空

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