玻璃幕墙对室内热环境与能耗的影响

狄育慧，陈爱娟，王利端

(1.西安工程大学环境与化学工程学院，陕西西安710048;2.西安华宇建筑设计有限公司，陕西西安710068)

玻璃幕墙对室内热环境与能耗的影响

狄育慧1，陈爱娟1，王利端2

(1.西安工程大学环境与化学工程学院，陕西西安710048;2.西安华宇建筑设计有限公司，陕西西安710068)

通过测量室内外温湿度，分析西安市某办公建筑玻璃幕墙对室内热环境的影响.根据测试数据回归分析得出夏季室内温度与室外温度的拟合度，通过现场测试和计算得出PMV-PPD值，并调查了办公室内人们对室内热环境的满意度.认为该玻璃幕墙建筑室内热环境能满足大部分人的要求.根据设定不同围护结构，模拟围护结构对建筑能耗的影响，为玻璃幕墙办公建筑提出合理的节能措施和改造方案.

玻璃幕墙;热环境;建筑能耗;ECOTECT软件;预测平均热感觉指标

0 引言

随着建筑施工技术的迅速发展，玻璃幕墙外观独特、造型别致，被认为是一种特色的外墙装饰形式，越来越受到人们的广泛使用.办公建筑既应满足人们热舒适和健康要求，又应满足节能原则.随着社会的进步和人民生活水平的提高，再加上人们在室内度过的时间占人一生的80%以上，所以人们对室内热环境的要求也越来越高.影响人体热舒适的主要因素有服装热阻、空气温度和气流速度［1-3］.高甫生［4］分析了玻璃类型、窗墙比、表面平均辐射温度、遮阳措施等因素对人体舒适温度及空调能耗的影响.白莉［5］分析了玻璃幕墙与太阳能平均得热系数的关系和其综合传热系数等热工性能.杨春英［6］从Fanger热舒适方程角度出发，分析了玻璃幕墙建筑室内环境参数的选择和设计中的注意事项.由于玻璃幕墙与其他墙材有不同的热工性能，因此对其进行研究分析来掌握室内热环境的特性，进一步为改善室内热环境提供科学依据.本文从热舒适和能耗角度研究了西安市玻璃幕墙建筑的室内热环境.

1 实验测试

被测建筑位于南门外，临街，属于新建建筑，外围护结构均为玻璃幕墙，所测办公区域玻璃幕墙朝东，此幢建筑共12层，进行调查及测试的办公室位于第10层.该办公室面积约260m2，房间窗户类型为单层窗框双层玻璃，可开启面与整面玻璃幕墙面积之比基本为0，工作人员约60人，室内环境调节方式为风机盘管加新风系统.

现场测试所使用的仪器为清华同方的RHLOG系列的温湿度自记仪及SWEMA3000系列的微风速、温湿度及黑球温度测试仪.每次的测量周期为完整的72h，六、七、八月每月一次，所有温湿度仪的记录步长为1h.在这些时间段的整个测试过程中，室内工作人员都在正常办公，每人一台电脑，空调系统运行，门窗紧闭.

1.1 温度测试

室内外空气温度逐时变化曲线如图1所示.从图1可以看出，室外空气温度最低值出现在8月19日的早晨5：00，温度19.41℃，最高值出现在8月17号14：00，为44.34℃.室内温度最低23.5℃，最高31℃，集中分布于26℃～28℃，均值为26.9℃.由于室外空气的温度受到太阳辐射等因素影响，空气温度波动较大，但室内空调系统正常运行，所以室内温度的波动较小.

建筑室内温度受室外温度影响程度的大小可反映出该建筑围护结构热工性能的好坏.通过对测试数据进行回归分析，得出了夏季该幢建筑室内温度与室外温度的拟合方程：

式中ta为夏季室内温度(℃)，to为夏季室外温度(℃)，R2为室外温度与办公建筑室内温度拟合度.

1.2 相对湿度的测试

图1 室内外空气温度逐时变化曲线

图2 室内外空气相对湿度逐时变化曲线

室内外空气相对湿度如图2所示.从图2可以看出，被测建筑室内相对湿度集中分布于50%～70%，均值达到62.9%.室外空气由于受到气候等因素影响，空气的相对湿度波动较大.

2 PMV-PPD计算分析

预测平均热感觉指标PMV(Predicted Mean Vote)是在人体热平衡的理论基础上得出的，其理论依据即当人体处在稳定的热环境中时，此时如果人体的热负荷越大，那么人体偏离热舒适的状态就越远，PMV热感觉标尺分为七个等级，分别为热、暖、微暖、适中、微凉、凉、冷，并且分别用3，2，1，0，-1，-2，-3表示［7］.陈翠萍运用OBP算法来预测影响热舒适性的PMV指标，建立了PMV指标的神经网络预测模型，实现了PMV指标的智能化预测，为解决基于PMV指标的空调实时控制和硬件实现打下了基础［8］.

由于人与人在生理上存在差别，故Fanger又相应的提出了预测不满意百分比PPD(Predicted Percent Dissatisfied).1984年国际标准化组织提出室内热环境评价与测量的新标准化方法ISO7730，并推荐PPD为10%，即允许有10%的人感到不满意，此时对应的PMV在-0.5～+0.5之间［9］.

运用相关程序，把自记仪里每个月的温湿度数据导入电脑中，先对每月的无效数据进行剔除，然后同样运用SPSS软件进行数据图形的绘制比较.根据PMV-PPD的计算公式，并依据ASHRAE对相关参数进行赋值，编程进行PMV-PPD的计算，再次运用SPSS对PMV-PPD进行统计分析，绘制图形.查询相关标准，对办公人员的衣服热阻及代谢率进行赋值，并认为室内的辐射温度近似于干球温度，编程进行PMV与PPD的计算，重点分析温湿度对PMV-PPD的综合影响.相关参数的取值如下：衣服热阻Ic=0.35clo，风速取平均值V=0.2m/s，人体代谢率M=1.2met.

夏季PMV折线图如图3所示.从图3可以看出，被测建筑的PMV值随着时间推移整体趋势先上升再下降;被测建筑夏季PPD分布图如图4所示.从图4可以看出，对被测建筑室内热环境有37.90%的人可接受，29.7%的人较满意，13.5%的人不满意，10.8%的人较不满意，8.1%的人满意.

图3 夏季PMV折线图

图4 被测建筑夏季PPD分布图

3 模型建立与能耗分析

3.1 模型建立

ECOTECT是一款功能强大的建筑性能分析和优化软件，包括热环境分析、光环境分析、声环境分析、日照分析、可视度分析以及经济和环境影响分析等6个方面内容［10］.热工分析主要做全年的逐时能耗模拟(热量分析介绍)，房间舒适度分析(平均温度，PMV-PPD指数).根据调研时对办公区域格局以及建筑尺寸的测量，通过对相关人员的咨询和建筑资料的收集进行建模，加载西安市典型气象年气象数据进行建筑物逐月能耗分析.

表1 围护结构构造类型

3.2 能耗分析

本文以节能舒适为原则，在原模型的基础上分别更换墙体类型、窗户玻璃类型、天花板(屋顶)类型模拟建筑物能耗情况.玻璃幕墙是建筑围护结构中一个独特的组成部分，也是传热最活跃的部分.首先是因为组成玻璃幕墙材料自身的传热系数较大，在相同传热温差条件下传热量远远大于普通围护结构;其次是由于玻璃幕墙具有透光性，太阳辐射换热对传热的影响非常大，而太阳辐射换热与围护结构的朝向、季节有关.建筑墙体的传热系数大小关系到整幢建筑能耗的多少，尤其是外墙的传热系数;冬季，建筑外墙的传热系数要尽量小，这样可确保室内的热量不会大量地通过外墙向室外散发，这样空调的热负荷就会变小，即可节能;但夏季的情况却与冬季刚好相反，若外墙的传热系数同样小，室内的热量无法向室外散发，空调的冷负荷就会较大，此时反而不节能.

各类建筑的窗户不仅仅是为了建筑自身的采光、通风而设置，同时还具有保温、隔热以及太阳能利用等多种作用.处于对建筑热工、节能方面的考虑，窗户不但要具有通风性能，还要同时具有保温、防热的性能;地域不同，气候不同，不同的季节对窗户的性能要求各有不同.用软件模拟不同组合方式的建筑能耗情况.几种围护结构类型如图5～6所示.

针对被测建筑现有的位置朝向以及窗墙比，从表2及图7，8可以看出，在窗户类型选择1，地板和天花板类型选择2时，墙体类型选择1或者2，建筑能耗消耗量都比较大，为20 000kW·h;在墙体类型选择1，窗户和地板类型都选择2，天花板类型选择2时，建筑能耗消耗量为20 000kW·h.但天花板类型选择1时，建筑能耗消耗量为5 000kW·h，说明下方石膏天花板隔热性能的好坏对室内能耗的影响相对较大，天花板隔热性能好，则可节约大量能源.即该幢建筑的围护结构组合中的1#组合均为接近真实的围护结构，但能耗较高;围护结构采用4#组合时室内热环境舒适度最好，能耗消耗也最小，在缩短室内不舒适时间范围前提下达到了节能的目的.

图5 墙体构造类型一

图6 墙体构造类型二

图7 各组合全年能耗消耗量

图8 各组合能耗平均消耗量

4 结论

(1)通过实验测试和软件模拟，被测建筑的热舒适指标值令人满意，被测建筑室内热环境有37.90%的人可接受，29.7%的人较满意.因此，对玻璃幕墙建筑，只要设计合理，同样能达到热舒适.

(2)在墙体类型选择110mm砖，50mm空穴，110mm混凝土砌块，10mm石膏;窗户类型选择铝框双层low-e玻璃;地板类型选择100mm厚混凝土地板加瓷砖;天花板类型选择10mm石膏，50mm隔音、隔热板，150mm金属栅格内填混凝土时，建筑能耗较低.因此，对玻璃幕墙办公建筑推荐采用此种组合方式.

表2 被测建筑围护结构组合表

［1］DONNINI Giovanna，MOLINA Jean，MARTELLO Carlo，et al.Field study of occupant comfort and office thermal environments in a cold climate［J］.ASHRAE Trans，1997，103(2)：205-220.

［2］NICOL J F，HUMPHREY M.A.Adaptive thermal comfort and sustainable thermal standards for buildings［J］.Energy and Buildings，2002，34(6)：563-572.

［3］刘欧子，胡欲立，刘训谦.套室内人体热舒适的研究［J］.建筑热能通风空调，2002，21(1)：15-19.

［4］高甫生，周雪飞.玻璃幕墙建筑夏季室内热环境研究［J］.哈尔滨工业大学学报，2004，36(2)：250-254.

［5］白莉，齐子妹.玻璃幕墙对建筑室内热环境的影响［J］.哈尔滨商业大学学报，2002，22(5)：89-93.

［6］杨春英，孙丽颖.玻璃幕墙建筑夏季室内热环境分析［J］.应用科技，2003，30(5)：49-51.

［7］FANGER P O.Thermal comfort［M］.Florida：Robert E Krieger Publishing Company，1982：19-142.

［8］陈翠萍，李曼珍.基于BP网络改进算法的热舒适性指标预测方法［J］.建筑热能通风空调，2011，30(2)：21-24.

［9］宋芳宁.建筑室内热舒适的评价指标及标准［J］.科技信息，2009(26)：670-671.

［10］云朋.ECOTECT建筑环境设计教程［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007：40-163.

The influence of glass curtain wall on the indoor thermal environment and energy consumption

DI Yu-hui1，CHEN Ai-juan1，WANG Li-duan2

(1.School of Environmental and Chemical Engineering，Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048，China; 2.Xi'an Huayu Architecture Design Co.Ltd.，Xi'an 710068，China)

Based on the data of the indoor and outdoor temperature and humidity，the influence of the glass curtain wall on the internal office environment is analyzed.According to measurements，the degree of fitting between inside and outside temperature in summer is obtained.Based on the result of the PMV-PPD and the satisfaction of work environment，it is considered that the glass curtain wall building can meet requirements of most people.According to the different building envelope and the simulation of the influence of different maintenance structure on building energy consumption，the reasonable energy-saving measures and reform schemes of glass curtain wall are offered.

glass curtain wall;thermal environment;building energy eonsumption;ECOTECT;PMV-PPD

TU 831

A

1674-649X(2014)01-0050-05

编辑：武晖;校对：田莉

2013-09-04

陕西省科技厅攻关项目(2013K11-3);西安市城乡建设资助项目(SJW201324)

狄育慧(1964-)，女，陕西省西安市人，西安工程大学教授，博士.E-mail：yuhui_di@163.com