115 天津西站高架候车厅玻璃幕太阳能透过率对室内舒适性影响模拟研究

天津西站高架候车厅玻璃幕太阳能透过率对室内舒适性影响模拟研究天津大学环境科学与工程学院 张欢，杨筱静，李博佳 摘要本文首先借助于Airpak软件模拟计算了天津西站高架候车厅在不同屋顶玻璃幕的太阳能透过率条件下，候车厅的温度、相对湿度、空气速度分布以及候车厅的夏季冷负荷变化。然后，由于Airpak软件中无法计算太阳直接照射到人体表面情况下的热舒适性，本文根据Airpak模拟结果和PMV、PPD热舒适性指标方程，利用VB软件对该候车厅人员所处区域进行了热舒适性模拟计算。最后，根据模拟结果得出该候车厅玻璃幕太阳能透过率为不高于0.1时才能保证室内的热舒适性要求。关键词 Airpak、玻璃幕太阳能透过率、天津西站高架候车厅、热舒适性指标1 前言由于追求外形的现代感与内部空间的通透感，外立面采用玻璃幕墙的建筑物越来越多。自1998年北京国家会计学院建造了国内第一个双层皮玻璃幕墙以来，近几年国内的大中城市比如北京、深圳、沈阳、南京、上海等地相继建造了一批双层玻璃幕墙，并陆续投入使用。我国的建筑玻璃幕墙，在它短短20多年里，已经占据了极大地市场份额，目前我国每年玻璃幕墙的建筑面积达到500万m2左右1。玻璃幕墙是现代高层建筑较多采用的外围护结构，也是建筑物换热、热传导最活跃、最敏感的部位，是传统墙体热损失的56倍，单层玻璃幕墙的能耗约占整个建筑能耗的40%左右2。衡量通过玻璃进行的能量传递的参数有玻璃的传热系数、太阳能透过率、遮蔽系数和相对热增益等，可以通过改变玻璃的上述几部分热性能参数提高其热工性能。透过玻璃传递的太阳能主要为太阳光直接透过玻璃的能量和太阳光被玻璃吸收使玻璃升温后通过对流传热进入室内的能量。目前，采用Low-E玻璃、热反射玻璃、中空玻璃等玻璃处理技术减少太阳透过玻璃的直接辐射，但对室内的采光、室内环境的热舒适性和空调的运行成本带来不同层次的影响。因此，对于大面积玻璃幕墙的建筑进行幕墙热工设计时，必须从多方面进行考虑分析，选取经济节能的幕墙。本文以天津西站高架候车厅为研究对象，利用Airpak模拟软件，分析研究候车厅屋顶玻璃幕墙的太阳能透过率对室内负荷的影响。同时利用人体热平衡方程和PMV、PPD指标方程评价分析不同玻璃幕墙太阳能透过率下候车厅的热舒适性。2 工程概况天津西站工程由铁路西客站工程和西站配套工程两部分组成，占地面积约68万m2。其中，站厅主体结构为地上两层、地下3层，建筑总面积18万m2。高架候车厅总长度380m，为左右对称结构，顶部为玻璃穹顶，玻璃占到整个顶部围护结构面积的53.9%，如图1所示。从图1可以看出，西站高架候车厅屋顶整体采用玻璃幕形式，从美观角度出发，不设置附属的内外遮阳设施，因此，降低玻璃幕太阳能透射率成为提高夏季舒适度的主要措施之一。夏季降低玻璃幕太阳能透过率既能有效提高室内候车人员的舒适水平，又能减少夏季冷负荷，但是对冬季则不然，随着玻璃幕透射率的降低，由于太阳辐射得热减少，冬季供暖负荷会有所增加。因此，应该从节能和舒适两方面综合考虑，合理确定玻璃的太阳能透射率。 图1 西站高架候车厅示意图 图 2 西站高架候车厅物理模型3 Airpak模拟计算3.1 物理模型天津西站高架候车厅为左右对称结构，屋顶53.9%为玻璃幕，其余为铝合金钢结构。考虑到该候车厅结构和室内空调气流的对称性以及目前计算机的计算能力，现取候车厅的一部分作为模拟研究对象，Airpak物理模型如图 2 所示。3.2 数学模型紊流计算采用雷诺时均模型进行。边界条件的设定主要包括围护结构的传热、外部太阳辐射强度、人体散热、散湿、设备散热以及送回风参数。具体各部分边界设定如下：（1）围护结构传热边界屋顶玻璃（8+6+6三层）传热系数 1.65W/(m2.k) 吸收率0.64 屋顶铝合金钢结构部分（吸收率取0.6）传热系数 0.42 W/(m2.k) 地面传热系数 0.4 W/(m2.k)（2）室内热、湿源室内人员密度 0.3 p/m2室内照明功率 10 W/m2，其中白天不考虑室内设备功率 15 W/m2室内人员新风量标准 20 m3/(ph) （3）太阳辐射强度采用不保证50小时为计算依据。根据天津6月至9月气象数据，太阳总辐射强度应为875W/m2，大气透明度等级为5级。3.3 计算结果及分析为了研究不同玻璃幕太阳能透过率和送风参数对候车厅室内热舒适性的影响，利用Airpak数值模拟计算软件分别针对玻璃太阳能透射率为0.3、0.25、0.2、0.17、0.1时，不同送风参数情况下候车厅的温度、速度和相对湿度分布进行了模拟计算。由于该候车厅长度较长，空调送风口均采用射程较长的射流风口，并且送风速度较高。为使人员停留区域风速均匀，站厅两侧墙壁上最边上的风口以及中间电梯上方朝向站厅墙壁的送风的最边上的风口，采用水平方向上向两侧偏离中心线15送风；玻璃太阳能透射率为0.3、0.25时中间电梯上方朝向出站测的送风的最边上的风口，采用垂直方向偏离中心线向下10送风；其余风口采用水平方向沿中心线送风。其中当玻璃太阳能透过率为0.25，送风温度为15，站厅两侧墙壁上风口以及中间电梯上方朝向站厅两侧墙壁的送风口的送风速度为16m/s，其余送风口送风速度为14m/s时，该高架候车厅的室内温度、相对湿度和速度分布见图3图5。图3 天津西站高架候车厅1.1m高度处温度分布图图4 天津西站高架候车厅1.1m高度处相对湿度分布图图5 天津西站高架候车厅1.1m高度处空气速度分布图从图3中可以看出，1.1m高度的温度分布基本均匀，只是站厅中央电梯之间的区域（图右下角）温度比其他区域稍低，总体温度基本在25.527之间，平均温度为26.0。由图4可知，该区域相对湿度总体在47%52%之间，平均相对湿度为50%。从图5可看出，该区域风速大部分区域在0.5m/s以下，局部风口下面的区域因为送风速度过大的原因风速达到1m/s，但是超过1m/s风速的区域主要位于非人员停留区，平均风速为0.35m/s。不同玻璃幕太阳能透过率、送风温度、送风速度下，候车厅工作区域的热环境指标结果如表1所示。通过调整送风速度、送风温度，均能将工作区的温度控制在2628范围内，相对湿度控制在45%65%的范围内。随着玻璃幕太阳能透射率的增加，室内冷负荷增加，为了保证室内温湿度要求，送风温度逐渐降低、送风量逐渐增加。此外，随着玻璃幕透射率的增加，室内各壁面的平均温度逐渐升高。由于屋顶玻璃幕和铝合金框的吸收率较高，分别为0.64和0.6，屋顶玻璃幕和铝合金框的内表面温度较高，分别为45和35左右。表1 Airpak数值模拟计算结果汇总玻璃幕太阳能透过率送风温度送风速度m/s1-1.5m平面平均值温度相对湿度%速度m/s0.315161427.5460.390.2516161427.249.40.390.2515161426500.350.21614.512.527500.370.171613.51227.2500.390.116121126.452.50.29注： Airpak数值模拟计算结果中左栏送风速度为站厅两侧墙壁上风口以及中间电梯上方朝向站厅两侧墙壁的送风口的送风速度，右栏为其它送风口的送风速度。4 热舒适性模拟计算天津西站高架候车厅屋顶大部分为玻璃幕，因此候车人员与外界的换热形式不仅包括与候车厅的空气的对流换热、与候车厅各个墙壁的辐射换热，还包括人体对太阳辐射的吸收热。由于Airpak软件无法计算太阳直接照射到人体表面情况下的热舒适性，因此本文利用人体热平衡方程和PMV、PPD热舒适性指标方程进行热舒适性计算。PMV指标是将反映人体对热平衡的偏离程度的人体热负荷TL引入得出的。Fanger收集了1396名美国和丹麦受试者的冷热感觉资料，得出： （1）式中人体热负荷的定义为人体产热量与人体向外界散出的热量之间的差值。即为人体热平衡方程中的蓄热率，因此有： （2）3式中 人体能量代谢率，W/m2，人体静坐时为58.2 W/m2，站立时为70 W/m2；人体所做的机械功，W/m2，一般取为0；人体周围水蒸汽分压力, kPa；人体周围空气温度，；服装的面积系数，夏季服装一般为1.15；对流换热系数，w/(m2.k),为人体周围空气速度，m/s；衣服外表面温度，；为人体与周围壁面的长波辐射换热量, W/m2； （3）式中,人体表面的发射率，一般取0.97；斯蒂芬玻耳兹曼常数为(5.67x10-8Wm2K4)；人体姿态影响有效表面积的修正系数，人体静坐和站立时分别为0.7和0.72；环境的平均辐射温度，。为人体对太阳辐射的吸收热量, W/m2； （4）式中，人体对太阳辐射的吸收率，夏季着装中性肤色的吸收率应介于0.4和0.7之间； 人体吸收太阳辐射的人体投影面积系数，建筑水平面积与人体面积比；当人员密度为0.4m2/人，一成年男子人体面积为1.8m2时，为0.22；屋顶玻璃幕太阳能透过率； 太阳直射辐射量，取875Wm2。PMV指标代表了同一环境下绝大多数人的感觉，但是人与人之间存在生理差别，因此PMV指标并不一定能够代表所有个人的感觉。Fanger又提出了预测不满意百分比PPD4指标来表示人群对热环境不满意的百分数，并利用概率分析方法，给出PMV与PPD之间的关系： （5）根据Airpak气流组织数值计算结果可知，候车厅在不同玻璃幕太阳能透过率情况下，通过改变送风参数均能保证工作区温度为26、相对湿度为55%、速度保持在0.4m/s左右。此外，该候车厅还设置有地板供冷用于作为辅助备用冷源，其开启状态下地板温度按22计。根据上述已知参数和热舒适性指标PMV、PPD方程，利用VB软件编程模拟计算，在屋顶玻璃幕采用不同太阳能透射率条件下，人体分别处于静坐和站立时，地板供冷开启与否情况下候车厅工作区的热舒适性指标，其计算结果分别见表2和表3。表2 静坐条件下的舒适度理论计算结果玻璃的太阳能透过率实际透过屋顶玻璃的 太阳辐射得热 W/m2PMVPPD%热舒适评价备注0.3262 1.8770.65暖地板供冷关闭0.3262 1.4850.05微暖地板供冷开启0.25219 1.6760.03暖地板供冷关闭0.25219 1.2939.72微暖地板供冷开启0.2175 1.4648.97微暖地板供冷关闭0.2175 1.0829.84微暖地板供冷开启0.15131 1.2638.25微暖地板供冷关闭0.15131 0.8821.39适中地板供冷开启0.187 1.0728.94微暖地板供冷关闭0.187 0.6814.62适中地板供冷开启表3 站立条件下的舒适度理论计算结果玻璃的太阳能透过率实际透过屋顶玻璃的 太阳辐射得热 W/m2PMVPPD%热舒适评价备注0.3262 1.93 73.44 暖地板供冷关闭0.3262 1.62 57.35 暖地板供冷开启0.25219 1.77 65.23 暖地板供冷关闭0.25219 1.46 48.85 微暖地板供冷开启0.2175 1.60 56.48 暖地板供冷关闭0.2175 1.30 40.20 微暖地板供冷开启0.15131 1.44 47.61 微暖地板供冷关闭0.15131 1.15 32.14 微暖地板供冷开启0.187 1.28 39.02 微暖地板供冷关闭0.187 0.97 24.93 适中地板供冷开启从表2和3可以看出：（1）开启地板辐射供冷对于提高人体舒适度具有明显作用，对于处于坐姿情况下的人员，开启地板辐射供冷后，保证27%以内不满意率所需的玻璃太阳能透过率为0.15；不开启地板辐射供冷时，玻璃太阳能透过率需降到0.1以下才能保证27%以内不满意率。（2）人体代谢率对舒适度影响较大，由于站姿代谢率高于坐姿的代谢率，因此处于站姿时保证舒适所需的玻璃太阳能透射率更低。开启地板供冷系统的条件下，对于处于坐姿的人，玻璃的太阳能透射率降到0.15时能够保证27%以内的不满意率；对于处于站姿的人，玻璃太阳能透射率为0.1时还不能保证27%的不满意率。5 结语（1）利用Airpak模拟软件对不同屋顶玻璃幕太阳能透过率情况下的天津西站高架候车厅室内热环境进行了模拟计算，得知随着玻璃幕太阳能透射率的增加，为了保证室内温湿度要求，送风温度逐渐降低、送风量逐渐增加。但通过调整送风参数，均能将工作区的温度控制在2628范围内，相对湿度控制在45%65%的范围内。（2）根据Airpak气流组织模拟结果和热舒适性指标方程，利用VB软件编程计算了人体分别处于静坐和站立时，不同屋顶玻璃幕太阳能透过率情况下的候车厅工作区的热舒适度。结果表明，地板辐射供冷开启与否对人体舒适度影响较大，人体代谢率对热舒适性也有较显著的作用。（3）考虑到天津西站人流量较大，虽然站厅内安装有大量座椅，但是仍然会有一部分人站立。因此，从安全角度考虑，采用站姿下的热舒适评价值作为确定玻璃太阳能透射率的依据。因此，为了提高热舒适度，开启地板辐射供冷系统，在工作区平均速度0.4m/s、平均温度26、平均相对湿度55%条件下，保证舒适度所需的玻璃太阳能透过率为不高于0.1。参考文献1 刘俊跃 田智华 李雨桐.深圳电视中心通道式幕墙遮阳性能的实验测试C.2006全国暖通空调制冷学术年会2 赵明军.小议建筑玻璃幕墙的节能设计J. 建筑设计,2009年,总第28期3 朱颖心.建筑环境学（第二版）M.中国建筑工业出版社，20054 P.O.Fanger, Thermal ComfortM, Robert E. Krieger Publishing Company, Malabar, Fl, 1982