半透明混凝土板幕墙能耗分析

黄宝锋， 吴 鹏， 卢文胜

(1.南京工业大学 土木工程学院， 江苏 南京 211800; 2.同济大学 土木工程学院, 上海 200092)

轻质半透明混凝土板(TCP)是一种新型混凝土板材，通过采用有效措施在混凝土基材中布置导光元件，从而达到导光效果.2001年，匈牙利建筑师ron Losonczi将玻璃纤维和水泥混合在一起，发明了半透明混凝土，称其为“LiTraCon”[1].目前德国LiTraCon公司已经在生产一种半透明混凝土产品，该产品是经过光滑处理的混凝土块，含96%的混凝土和4%的光导纤维，有灰色、黑色和白色等多种颜色可选，其抗压强度为50MPa，抗弯强度为7MPa.在2010年上海世博会上，意大利馆采用4000块TCP为其外围护结构，每块透明混凝土块尺寸为100cm×50cm×50mm.较薄的TCP主要用于公共场所的LED广告显示屏，其连接方式与传统混凝土预制板相同，包括栓接、背栓式连接以及铝合金锚固件连接等.另外还有TCP采用塑料纤维作为导光元件，是由美国休斯敦大学的Bill Price教授发明的Pixel Panels，这种板材也具有透光功能，且由于塑料纤维直径很小(1mm左右)，光线透过该板，塑料纤维在板材中就像夜空中无数的星星，这些板材均可作为自承重板材，主要用于非结构墙体.Detroit-Mercy大学采用普通水泥、细砂和玻璃纤维，也开发了一种TCP，其中央厚度仅为2.5mm，足以使光线直接穿过板材.

中国TCP的研究起步较晚，相应的研究工作较少.He等[2]率先采用光导纤维、水泥、砂等制作了TCP立方体试块，并测试了不同纤维体积分数下试块的导光性能，还对其进行了光弹试验，但并未涉及包括能效在内的物理性能.黄宝锋[3]利用大直径光导纤维(3.0mm)和绿色轻质混凝土，制作了数批次TCP.对其物理性能(包括导光、承载力、保温隔热性能等)的研究也已经取得初步进展.Huang等[4]采用有限元分析软件Therm，对多功能板的热传导性能进行了分析，并建立了结构延性与能效之间的关系.Mosalam等[5]采用常规素混凝土和光导纤维制作了304.8mm×304.8mm×76.2mm的TCP，利用TracePro、Comsol等软件分别分析了其导光性能和热传导性能，同时测试了其日光传导性能，发现通过合理的设计，TCP完全可以实现导光和节能需求.Mosalam等[6]对试制的TCP开展了计算和试验分析，发现其具有良好的保温隔热和承载性能.Mosalam等[7]设计了1种具有聚光层、传导层和散光层的小尺寸有机玻璃板，发现其日光采集性能潜力较大.Ahuja等[8]建立了TCP中的光导纤维力学计算模型，分析表明其导光性能主要集中在1d中太阳直射的时段，有必要对光导纤维的空间布置进行改进.

TCP的制备和批量化生产是制约其发展和应用的关键问题之一.Huang等[9]开展了大量试验研究工作，解决了批量生产的问题，并对其保温隔热性能、力学性能和光学性能开展了分析和研究，结果表明：新型TCP的强度可以达到50MPa以上，质量却是一般板材的60%左右，通过改进，还可以进一步提高；导光率与光导纤维的数量和优化布置有关；采用新型添加剂的TCP保温隔热性能优良，相对于传统的围护板材，具有很强的竞争力.周智等[10]探讨了光导纤维排布间距、直径、不同波长对TCP透光性能的影响.陈瑶[11]和高锡鹏[12]分别开展了TCP的制备方法、性能以及在建筑设计中的应用.姜志国等[13]尝试了各种制备方法，并对其发展方向进行了展望.魏忠等[14]分析了光导纤维体积分数对TCP承载性能的影响.

当前的研究工作主要聚焦于制备工艺和工程应用方法，较少涉及TCP的能效分析和模拟，且TCP幕墙的保温隔热和能效性能尚不明确.本文采用白水泥、硅粉、空心微珠和聚乙烯醇(PVA)纤维等材料制备了轻质混凝土，并与大直径光导纤维整体浇筑成TCP，利用导热试验机测得其导热系数，用SketchUp建立了单间办公房屋模型，外立面分别用TCP幕墙、玻璃幕墙、砖墙等其他常用围护材料，运用EnergyPlusTM软件分析其全年的能耗，并将能耗转化为电费，从而可以直观地反映TCP幕墙优越的能效性.

1 TCP及其导热系数

1.1 TCP的制备

TCP的原材料包括白水泥、硅粉、空心微珠、PVA纤维等，减水剂的用量为7.2L/m3,黏度调和剂的用量为5L/m3，其他材料配合比见表1.表1中：白水泥的出厂设计强度为50MPa，和易性好；硅粉的作用在于提高混凝土的强度、密实性和耐久性；空心微珠可以降低凝土的密度，从而减少TCP的自重，有利于施工；PVA纤维的作用为提高混凝土的抗裂性能.采用该配合比浇筑的圆柱体试件的单轴抗压强度为35MPa，相当于C30混凝土的级别，且其密度仅有1300kg/m3，约为普通混凝土密度的一半，属于轻质混凝土[15].导光元件采用φ12的大直径光导纤维，以6×6的排列方式将光导纤维等间距均匀分布在单块TCP上，相邻光导纤维中心距约为50mm，边缘光导纤维中心与板边距离约为25mm，单款TCP的尺寸为300mm×300mm×30mm，其照片如图1所示.

表1 TCP的配合比

图1 TCP的照片Fig.1 Photo of TCP

TCP的制备与光导纤维尺寸有关，光导纤维直径越大，越容易通过模板固定，直径越小，对模板的技术要求越高；纤维的排列方向一般为垂直于板面方向，这样一方面容易将纤维约束于模板，另一方面可以节省纤维用量，减少造价.PVA纤维的尺寸也要与光导纤维净距和所用骨料直径相适应，否则将对建筑混凝土造成困难.此外，TCP作为幕墙板时，需要承受自重、风或地震等作用，TCP自身的强度可以承受一定的压力，但抗拉和抗弯性能比较差.一般情况下，在制作TCP板材时，用双层打孔钢板作为固定光导纤维的工具，同时还可以作为一般混凝土板材中的钢筋承受拉力作用，从而可以提高TCP抗弯承载力.TCP一般采用高性能混凝土，其他力学性能如抗裂性能、冲击性能等均可参考高性能混凝土，性能参数须通过具体的试验获得，以满足各种实际工程需求.

1.2 TCP的导热系数

按GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法》，选择3组共6块TCP，测试其导热系数.考虑当温度高于65℃ 时，TCP中光导纤维膨胀较大，将影响纤维附近的混凝土材料，并可能导致其开裂，为了避免这一后果，将烘干温度设定为50℃，烘干时间设为96h.烘干完成后立即将板材放置于相对湿度低于30%的恒温恒湿箱中静置24h，冷却至室温.用沈阳合兴检测公司的DRCD-3030型智能化导热系数测定仪，采用双试件布置，防护热板组包括加热单元和冷却单元，加热单元由分离的计量单元与围绕着计量单元的防护板组成，冷却单元是连续平板.

(1)

(2)

式中:d为TCP的平均厚度，m.

图2为TCP的导热系数曲线.由图2可见：TCP的导热系数整体非常平稳，平均值为0.2114W/(m·K)，与其他常用的幕墙材料相比，具有较大的优势.

图2 TCP的导热系数曲线Fig.2 Thermal conductivity of TCP

2 能耗模拟

2.1 软件平台的选择

目前，建筑能效分析常用的软件平台有DOE-2、eQUEST和EnergyPlusTM等.DOE-2由James J. Hirsch & Associates(JJH)和劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)共同研发，eQUEST是DOE-2的升级版，EnergyPlusTM由美国能源部和LBNL共同开发，三者均在世界范围内广泛运用，可以模拟和分析房屋采暖、制冷、照明、通风以及其它建筑功能所产生的能耗，亦可分析相关经济性指标.EnergyPlusTM能够根据房屋材料和机电设备(暖通空调系统等)计算建筑的冷热负荷，包括遮阳、自然采光、暖通和空调系统、围护结构传热等计算模块，每个计算模块采用数值分析的算法，通过导入或设定围护结构的物理和几何参数、室内指定温度等关键参数，可计算获得非常详细的各项数据，如每天各时间段耗能等.EnergyPlusTM采用的集成同步模拟在3个模块(负荷、系统、设备)之间都有反馈，因此比较合理，而DOE-2采用顺序的模拟方法，3个模块之间没有反馈，容易造成较大误差[16].因此，本文选用EnergyPlusTM对TCP幕墙进行能效模拟和分析.

2.2 房屋模型的设计

为了探讨TCP幕墙的能效性能，设计了单层房屋模型，具体尺寸见图3.房屋的尺寸根据JGJ 67—2006《办公建筑设计规范》进行设计，具体模拟参数见表2，屋面、楼板和砖墙的建筑作法见图4(图中水泥砂浆的比值为水与水泥的体积比)、幕墙立面图见图5.朝南的方向为建筑幕墙所在立面(图3中有玻璃窗的一面)，分别模拟了3种幕墙，即砖墙开窗洞、TCP幕墙和玻璃幕墙(图5)，并计算3种幕墙的能耗.

2.2.1砖墙开窗洞立面

外立面采用240mm砖墙，并考虑有、无保温层2种情况.根据文献[17]，南京属于夏热冬冷地区，冬季日照率一般大于0.35，空调制冷耗能随窗墙面积比增大而上升的速度比采暖快，且全年空调耗电量随窗墙面积比的增加呈阶梯状跃升，跃升频率较采暖耗电量快，窗墙面积比最好不超过0.6.因此，在砖墙上开设1.2m×2.1m窗洞，窗台高0.9m，窗墙面积比约为0.21，窗户结构为5mm单层玻璃+6mm空气+5mm 单层玻璃.

图3 单层房屋模型的具体尺寸Fig.3 Specific dimensions of single house model(size:mm)

表2 单层房屋模拟参数

2.2.2TCP幕墙立面

外立面采用240mm厚TCP幕墙板，光导纤维在板中均匀布置，通过修改光导纤维间距，光导纤维体积分数φOF分别为5%、10%、15%、20%、30%、40%、43%、45%、50%，φOF=10%的TCP幕墙板各项性能参数尤其是导热系数均由试验测定，不同φOF下的TCP幕墙导热系数变化不大，因此，导热系数均采用上文的试验值.

2.2.3玻璃幕墙立面

外立面全部采用玻璃幕墙，尺寸为3.1m×3.4m.玻璃面板采用中空玻璃，结构为8mm单层玻璃+5mm 空气+8mm单层玻璃，玻璃面板除厚度外，其他性能参数与窗户玻璃相同，均采用软件默认参数.

图4 屋面、楼板和砖墙的建筑作法Fig.4 Cross sectional view of the roof, floor and brick wall

图5 幕墙立面图Fig.5 Elevation view of the curtain wall

2.3 模拟方法与参数设置

2.3.1建模方法

使用SketchUp拓展程序Eculid建立单间房屋的3D模型(图3)，并保存为*.idf文件.该文件是EnergyPlusTM的数据读入管理器，为表单输入格式，包含了建筑和设备性能参数的全部信息：地点、建筑结构参数、设备性能曲线、HVAC设备系统参数，以及自定义的输出变量等信息.在IDF Editor中导入*.idf文件，在菜单栏中选择材质、结构、空调系统、输出参数等选项设置模拟参数.在EP-Launch界面选择设置参数后的*.idf文件以及模拟的天气数据*.epw文件.使用EnergyPlusTM模拟得到冷热耗能；使用IDF Editor设置模型材料参数(见表3)，计算对应幕墙的年度能耗情况.

表3 模型材料参数

2.3.2空调系统参数

能耗时间段为1a，计算时间步长为1h(即按小时计算能耗)，采用EnergyPlus Weather Data Sources提供的南京地区气象数据(Jiangsu Nanjing 582380 SWERA)，设定房屋恒定温度为人体舒适温度18～26℃，空调全年开放，空调空气系统参数均采用软件默认值.

2.3.3墙体参数

根据GB 50176—2016与DGJ32/J 96—2010《江苏省公共建筑节能设计标准》确定3种幕墙材料的物理参数(见表3).窗户与玻璃幕墙各项参数均采用软件默认值，同时考虑太阳光入射和反射对能耗的影响.

3 能耗结果与分析

3.1 全年能耗

表4为不同幕墙的全年能耗和电费.由表4可见：当砖墙不采用保温层时(长江以南的房屋一般均不采用)，TCP幕墙全年的能耗总量最小，对应的电耗也最小；相对于目前较为常用的玻璃幕墙，能耗可以节省14%左右.图6为不同幕墙的能耗与时间的关系.由图6可见，从全年来看TCP幕墙的房屋在冬季的能耗比其他2种幕墙稍高，但在其他季节能耗较低.

3.2 电费与造价

将单间小屋的能耗转化为电费，可以分析3种幕墙的年度电费.以江苏省南京市为例，根据江苏省梯度电价实行方案，南京市电费采用先“先谷峰后阶梯”的原则进行计价：上午8:00到晚上9:00峰值电价为0.5583元/(kW·h)；晚上9:00 到次日上午8:00谷值电价为0.3583元/(kW·h).阶梯电价：每户每月低于230kW·h的部分实行标准价，230～400kW·h 的每kW·h加价0.05元，超过400kW·h每kW·h加价0.03元.据此，计算获得的不同幕墙的年度能耗与电费见表4.由表4可见，采用TCP幕墙比玻璃幕墙每年可以节省100元左右.图7为不同幕墙的月度电费.由图7可见，冬天由于采暖需求，TCP幕墙电费略高于玻璃幕墙，其他月份电费则节省许多.目前大城市办公建筑一般为高层或超高层建筑，有的拥有200余个类似本文单间办公室模型，每栋建筑预计每年至少可节省数万元人民币.

表4 不同幕墙的年度能耗和电费

图6 不同幕墙的能耗与时间的关系Fig.6 Relationship between energy consumption and time of different curtain walls

图7 不同幕墙的月度电费Fig.7 Monthly electricity cost of different curtain walls

此外，考虑到砖墙、玻璃幕墙与TCP幕墙的造价，砖墙与玻璃幕墙中的建筑材料价格以江苏省工程造价信息网提供的2019年双月报第2期数据为依据，TCP材料价格以试验所用的TCP材料购买价格为依据，砖墙、玻璃幕墙、TCP幕墙的单位面积材料价格分别为174.7、807.0、459.6元/m2，TCP幕墙单位面积造价约为砖墙2.6倍、玻璃幕墙的0.6倍，而采用TCP幕墙比玻璃幕墙每年可以节省电费100元左右，因此TCP幕墙从保温性与单位面积造价2个方面均明显优于玻璃幕墙.虽然砖墙单位面积造价明显低于TCP幕墙，但砖墙材料制作过程中对环境带来的负担较重，而TCP幕墙制作过程无任何环境污染，有利于环境保护.需要指出的是，3种幕墙实际造价还需要根据各地区的自然资源、劳动力成本、技术指标等因素综合确定.

3.3 光导纤维体积分数对能耗的影响

在TCP幕墙板中，光导纤维主要作用是导光，即把室外太阳光传导至室内，从而减少室内照明的负荷，还可以达到节能的效果.不同光导纤维体积分数φOF的TCP幕墙板导光性能有所不同，对室内照明荷载的影响也不同.

图8为不同光导纤维体积分数TCP幕墙的能耗.由图8可见，φOF越大，其冬季能耗越低，夏季能耗越大，且冬季能耗降幅普遍低于夏季增幅.随着φOF增大，采光量增多，幕墙吸收的太阳辐射能增多，弥补了部分因传热温差或室内向室外辐射的热损耗，整面幕墙为保持恒温区间温度所需的热量减少，减少了室内热负荷，房屋冬季能耗降低.在夏季制冷季节，室内温度高于所设置的恒温区间温度，热量传递方向为室外向室内，随着φOF增大，采光量增多，幕墙吸收的太阳辐射能与因传热温差或室外向室内辐射的热量共同作用，增加了室内冷负荷，房屋夏季能耗增大.夏季温度较高，早晚温差大，室内外热量传递作用更为明显，φOF变化对能耗影响较大，夏季能耗增幅大于冬季能耗降幅.

图8 不同光导纤维体积分数TCP幕墙的能耗Fig.8 Energy consumption of TCP curtain wall with different with different φOF

由图9为不同光导纤维体积分数TCP幕墙的年度能耗.由图9可见：当φOF<40%时，φOF越大，总能耗越低；当φOF>40%时，φOF越大，总能耗越高.当φOF较小时，TCP幕墙除去光导纤维的幕墙部分在热量传递中占主导地位，随着φOF增大，采光量增大，夏季能耗增大，冬季能耗减小，由于此时冬季能耗占总能耗比例较夏季大，冬季能耗降低量大于夏季能耗增加量，总能耗表现为降低；但当φOF增大到一定程度，夏季能耗增幅大于冬季能耗降幅，夏季能耗增加量将会大于冬季能耗降低量，总能耗表现为增大.由图9还可见：TCP幕墙的总能耗低于玻璃幕墙的总能耗(1347.18kW·h)；当φOF为30%～50%时，其总能耗低于砖墙总能耗(1047.13kW·h).

图9 不同光导纤维体积分数TCP幕墙的年度能耗Fig.9 Annual energy consumption of TCP curtain wall with different φOF

4 结论

(1)TCP导热系数在0.21W/(m·K)左右，较其他常用幕墙材料(玻璃、砖)性能优越，具有较大的可开发潜力.

(2)TCP幕墙较玻璃幕墙在冬季耗能大，但夏季能耗明显低于玻璃幕墙，总耗能约为玻璃幕墙的85%，保温效果总体优于玻璃幕墙；相比砖墙(无保温层)，光导纤维体积分数为10%的TCP幕墙总能耗减略高但通过增加光导纤维的体积分数，可以进一步降低TCP幕墙的能耗.

(3)TCP幕墙年度能耗较玻璃幕墙具有明显优势，如采取其他有效措施或进一步提高TCP的保温隔热性能，可进一步节省用电成本.

(4)TCP内光导纤维体积分数越大，其冬季能耗越低，夏季能耗越大，且冬季能耗降幅值普遍低于夏季增幅值.

(5)本文仅介绍了单层TCP幕墙的能效性能，此外，可以通过组成材料、截面组合方式或采用高能效的锚固和连接方式(如销钉式连接)等手段提高其能效.