金津 歐佳偉

1 湖南大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司

2 咸寧南玻節(jié)能玻璃有限公司

0 引言

蓄水玻璃屋面的熱量傳遞是一個(gè)復(fù)雜的不穩(wěn)定傳熱過(guò)程，它包括蓄水層表面與室外空氣間的熱濕交換，蓄水層內(nèi)部的對(duì)流換熱和導(dǎo)熱，蓄水層底部與下層玻璃表面溫差傳熱和對(duì)流換熱以及透過(guò)蓄水層和玻璃屋面進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射熱[1]。因此，無(wú)法利用國(guó)內(nèi)常用的節(jié)能軟件對(duì)該方案的節(jié)能性進(jìn)行模擬分析。

本文根據(jù)蓄水玻璃屋面的構(gòu)造，分別計(jì)算透明區(qū)和非透明區(qū)形成的冷負(fù)荷，兩者之和與參照屋面形成的冷負(fù)荷比較，對(duì)其節(jié)能性進(jìn)行權(quán)衡判斷。屋面透明區(qū)根據(jù)能量守恒定律，簡(jiǎn)化內(nèi)部熱流動(dòng)態(tài)過(guò)程，將屋面分解為上下兩層進(jìn)行計(jì)算：蓄水層兩側(cè)室外環(huán)境（外）和玻璃屋面（內(nèi)）的熱量傳遞。玻璃屋面兩側(cè)蓄水層（外）和室內(nèi)環(huán)境（內(nèi)）的熱量傳遞。屋面非透明區(qū)域按常規(guī)溫差傳熱計(jì)算。

1 項(xiàng)目概況

廣州某藝術(shù)展館總建筑面積8100 m2，層高4.5 m，采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)形式。展館為單層水下通道式展覽建筑，由展示區(qū)和通道及相關(guān)配套用房組成，中心區(qū)域?yàn)橹睆?7 m 的圓形露天花園。展館展示區(qū)考慮室內(nèi)空間展示效果，人員參觀區(qū)域設(shè)計(jì)為蓄水透明屋面，面積為4495 m2，其他區(qū)域?yàn)閵A芯板保溫屋面，面積為2724 m2。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，蓄水屋面透明區(qū)擬采用三層夾膠玻璃抵抗上層水壓，即3 層12 mm 夾膠玻璃表面覆水深度500 mm。非透明區(qū)擬采用夾芯板保溫屋面：建筑鋼材2 mm+玻璃棉板120 mm+建筑鋼材2 mm。另就近在地下設(shè)有一個(gè)300 m3市政中水，雨水集水池和一個(gè)600 m3的超濾系統(tǒng)配水池，利用2 臺(tái)循環(huán)水泵24小時(shí)運(yùn)行，保持屋面水體流動(dòng)、循環(huán)凈化，確保水體的透明度。

2 節(jié)能分析

項(xiàng)目位于夏熱冬暖地區(qū)，無(wú)需考慮供熱需求，因此主要是對(duì)該方案中屋面透明區(qū)和非透明區(qū)形成的逐時(shí)冷負(fù)荷分別計(jì)算并求和。

2.1 屋面透明區(qū)

忽略水層與周?chē)h(huán)境間輻射換熱的影響，根據(jù)蓄水玻璃屋面室內(nèi)外熱流動(dòng)態(tài)過(guò)程將屋面形成的冷負(fù)荷分解為：在夏季自然通風(fēng)條件下，當(dāng)空氣溫度大于蓄水層溫度時(shí)，通過(guò)溫差傳熱空氣傳遞給蓄水層的顯熱量與到達(dá)水面的太陽(yáng)輻射熱量，一部分用于水的蒸發(fā)，一部分用于加熱蓄水層，另一部分透過(guò)蓄水層到達(dá)下層玻璃表面。透過(guò)玻璃屋面進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射得熱，蓄水層與玻璃表面之間的對(duì)流換熱量，以及通過(guò)玻璃屋面進(jìn)入室內(nèi)的溫差傳熱。

2.1.1 蓄水層熱量傳遞

蓄水層熱量傳遞主要包括室外空氣-蓄水層溫差傳熱、吸收的太陽(yáng)輻射熱和水面蒸發(fā)耗熱量。

空氣-蓄水層溫差傳熱：

吸收的太陽(yáng)輻射熱：

水面蒸發(fā)耗熱量：

式中：Qc，out為空氣與蓄水層的溫差傳熱量，W；Qs，x為蓄水層吸收的太陽(yáng)輻射熱，W；Qe為水面蒸發(fā)耗熱量，W；t(w,τ)為蓄水層逐時(shí)溫度，°C；t(a,τ)為夏季空調(diào)室外計(jì)算逐時(shí)溫度，°C；a 為空氣與蓄水層表面的顯熱交換系數(shù)，W/ (m2·°C)；Qs為到達(dá)蓄水層的太陽(yáng)輻射熱，W；Qs''為透過(guò)蓄水玻璃屋面進(jìn)入室內(nèi)太陽(yáng)輻射熱，W；γ(tw,τ)為蓄水層瞬時(shí)溫度下的飽和水汽化潛熱，kJ/kg；m 為蒸發(fā)水量，kg/h。

進(jìn)入蓄水層的太陽(yáng)輻射熱由于水體的吸收和散射逐漸減弱，僅有一部分到達(dá)下層玻璃屋面。太陽(yáng)輻射能中可見(jiàn)光（波長(zhǎng)0.4～0.76 滋m）區(qū)域占總能量約50%，紅外（波長(zhǎng)＞0.76 滋m）區(qū)域占約43%，紫外（波長(zhǎng)＜0.4 滋m）區(qū)域占總量約7%。經(jīng)相關(guān)物理學(xué)對(duì)太陽(yáng)輻射能透射率研究得出，由于反射和吸收的結(jié)果，太陽(yáng)輻射能在射入水面后，隨深度增加會(huì)大大的衰弱（詳表1[4]），僅少部分到達(dá)并透過(guò)玻璃屋面進(jìn)入室內(nèi)形成空調(diào)冷負(fù)荷[4]。

表1 不同波段的太陽(yáng)輻射能透過(guò)水深后的能量百分比

透過(guò)了500 mm 的蓄水層到達(dá)玻璃表面的太陽(yáng)輻射熱：

式中：Qs'為透過(guò)蓄水層到達(dá)玻璃表面的太陽(yáng)輻射熱，W；F 為蓄水層表面積，m2；Jz為單位面積蓄水層表面夏季太陽(yáng)總輻射照度，W/m2。

當(dāng)未飽和空氣和蓄水層表面接觸時(shí)，因水面水蒸氣分壓力高于未飽和空氣的水蒸氣分壓力，產(chǎn)生液面水汽蒸發(fā)，吸收大量的熱。根據(jù)道爾頓定理推導(dǎo)出的水面蒸發(fā)量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出蓄水層表面的蒸發(fā)水量。

式中：W 為單位面積水面蒸發(fā)量，mm/(d·m2)；E 為水面溫度下的飽和水汽壓，hPa；e150為水面以上150 cm 高處的實(shí)際水汽壓，hPa；u150為水面以上150 cm 高處的風(fēng)速，m/s。

2.1.2 玻璃屋面熱量傳遞

玻璃屋面熱量傳遞主要包括透過(guò)玻璃屋面進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射得熱，蓄水層與玻璃表面之間的對(duì)流換熱量，通過(guò)蓄水層傳遞給室內(nèi)空氣的顯熱量。

進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射熱：

蓄水層-玻璃屋面的對(duì)流換熱：

進(jìn)入室內(nèi)的溫差傳熱：

式中：Qf為對(duì)流傳熱量，W；Qc,in為溫差傳熱量，W；；xg為玻璃屋面窗框比；SHGC 為玻璃屋面的太陽(yáng)得熱系數(shù)；h 為水的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Kg為玻璃屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；Fg為玻璃屋面面積，m2；T 為蓄水層平均溫度，K；Tin為室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度，K。

根據(jù)無(wú)遮陽(yáng)設(shè)施外窗的太陽(yáng)輻射冷負(fù)荷計(jì)算公式[2]和透過(guò)玻璃窗進(jìn)入的太陽(yáng)輻射得熱形成的逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算公式[3]，逐時(shí)計(jì)算出透過(guò)下層玻璃屋面進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射熱Qs''。

該地區(qū)夏季持續(xù)日照，日間室外空氣溫度高于水面溫度，忽略水面反射作用，上層水體吸收的太陽(yáng)輻射熱和環(huán)境空氣溫差傳熱扣除水面蒸發(fā)耗熱量后，仍有部分熱量被水體吸收。水體吸熱后不易迅速向下傳導(dǎo)，在延時(shí)迭加效應(yīng)的影響下水溫緩慢變化。且為了保持水量恒定和水體透明度，自動(dòng)過(guò)濾補(bǔ)水裝置和超濾水池就近設(shè)在地下，池內(nèi)水溫按該地區(qū)地下水溫20°C取值。低溫水持續(xù)從蓄水層底部注入，減緩了上層水體溫度變化對(duì)下層玻璃屋面的影響。為簡(jiǎn)化計(jì)算忽略蓄水層內(nèi)部的溫度梯度，假定水體溫度變化至均勻，按平均溫度進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

蓄水層吸收熱量：

蓄水層平均溫度：

式中：Qx為蓄水層吸收熱量，W；M 為屋面蓄水量，kg；t為蓄水層平均溫度，°C；mb為補(bǔ)水量，kg/h；tb為補(bǔ)水溫度，°C；C 為水的比熱容，kJ/(kg·°C)；t(w,τ)為蓄水層逐時(shí)溫度，°C。

當(dāng)蓄水層平均溫度大于室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度時(shí)，屋面透明區(qū)形成的逐時(shí)冷負(fù)荷為Qz''、Qf以及Qc,in之和。當(dāng)蓄水層平均溫度小于等于室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度時(shí)，則透明區(qū)域逐時(shí)冷負(fù)荷不大于Qz''。

2.2 屋面非透明區(qū)

根據(jù)通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的非穩(wěn)態(tài)傳熱形成的逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算公式[3]，計(jì)算非透明區(qū)域溫差傳熱：

式中：Qw為屋面非透明區(qū)形成的逐時(shí)冷負(fù)荷，W；Kw為屋面非透明區(qū)傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Fwm為屋面非透明區(qū)面積，m2；T(wm,τ)為屋面非透明區(qū)的逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算溫度，°C。

綜上，該項(xiàng)目蓄水玻璃屋面形成的逐時(shí)冷負(fù)荷為Qz''、Qf、Qc,in以及Qw之和。

3 權(quán)衡判斷

按《廣東省公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DBJ15-51-2020 設(shè)定參照屋面熱工參數(shù)，總面積為7219 m2，透光部分面積721.9 m2，傳熱系數(shù)3.0 W/(m2·K)，太陽(yáng)得熱系數(shù)0.30。非透光部分面積為6497.1 m2，傳熱系數(shù)0.90 W/(m2·K)。參照屋面最大逐時(shí)冷負(fù)荷值包括透過(guò)玻璃天窗進(jìn)入的太陽(yáng)輻射得熱形成的逐時(shí)冷負(fù)荷和屋面?zhèn)鳠嵝纬傻闹饡r(shí)冷負(fù)荷。根據(jù)無(wú)遮陽(yáng)設(shè)施外窗的太陽(yáng)輻射冷負(fù)荷計(jì)算公式[2]計(jì)算透過(guò)無(wú)遮陽(yáng)玻璃天窗的太陽(yáng)輻射形成的逐時(shí)冷負(fù)荷，根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的非穩(wěn)態(tài)傳熱形成的逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算公式[3]分別計(jì)算透光部分和非透光部分屋面?zhèn)鳠嵝纬傻闹饡r(shí)冷負(fù)荷。對(duì)比算得的蓄水玻璃屋面日累計(jì)制冷需求與參照屋面日累計(jì)制冷需求，進(jìn)行權(quán)衡判斷。

按照上述計(jì)算方法，算得該項(xiàng)目蓄水玻璃屋面方案日累計(jì)制冷需求為4773.54kW，參照屋面日累計(jì)制冷需求為3795.87 kW，蓄水玻璃屋面超出參照屋面日制冷需求25.76%，權(quán)衡判斷為不滿(mǎn)足節(jié)能要求。

蓄水玻璃屋面形成的冷負(fù)荷各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果顯示：蓄水層底部持續(xù)注入低溫補(bǔ)水，可有效減緩水體溫度上升，確保了下層玻璃導(dǎo)熱面溫度不大于室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度。太陽(yáng)輻射熱的影響最大，透明區(qū)面積和玻璃屋面的太陽(yáng)得熱系數(shù)是決定節(jié)能效果的主要因素。因此，可通過(guò)減少透明區(qū)面積或降低下層玻璃屋面的太陽(yáng)得熱系數(shù)來(lái)提高蓄水玻璃屋面的節(jié)能性能。經(jīng)計(jì)算，將原屋面方案的透明區(qū)域面積與屋面總面積比值降至47.5%，日制冷需求降為3772.45 kW。根據(jù)咸寧南玻提供相關(guān)數(shù)據(jù)，將玻璃屋面改為中空夾膠玻璃（8 雙銀高透+12A+8C/1.52PVB/8C），太陽(yáng)得熱系數(shù)由0.59 降至0.435，屋面的日制冷需求降為3565.1 kW。采取這兩種措施后屋面形成的冷負(fù)荷逐時(shí)計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖1 所示，較參照屋面日制冷需求權(quán)衡判斷均可滿(mǎn)足節(jié)能要求。

圖1 逐時(shí)冷負(fù)荷計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

蓄水玻璃屋面雖然利用蓄水層減少了太陽(yáng)輻射的熱作用，但在實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)合理設(shè)計(jì)屋面透明部分面積和合理選擇玻璃屋面的太陽(yáng)得熱系數(shù)才能滿(mǎn)足節(jié)能要求。此外，持續(xù)穩(wěn)定的低溫補(bǔ)水不僅保證了蓄水層水量和水體透明度，更是降低上層水體與室內(nèi)空間換熱的有效措施。