半透明混凝土板幕墻能耗分析

黃寶鋒， 吳 鵬， 盧文勝

(1.南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 211800; 2.同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院, 上海 200092)

輕質(zhì)半透明混凝土板(TCP)是一種新型混凝土板材，通過采用有效措施在混凝土基材中布置導(dǎo)光元件，從而達到導(dǎo)光效果.2001年，匈牙利建筑師ron Losonczi將玻璃纖維和水泥混合在一起，發(fā)明了半透明混凝土，稱其為“LiTraCon”[1].目前德國LiTraCon公司已經(jīng)在生產(chǎn)一種半透明混凝土產(chǎn)品，該產(chǎn)品是經(jīng)過光滑處理的混凝土塊，含96%的混凝土和4%的光導(dǎo)纖維，有灰色、黑色和白色等多種顏色可選，其抗壓強度為50MPa，抗彎強度為7MPa.在2010年上海世博會上，意大利館采用4000塊TCP為其外圍護結(jié)構(gòu)，每塊透明混凝土塊尺寸為100cm×50cm×50mm.較薄的TCP主要用于公共場所的LED廣告顯示屏，其連接方式與傳統(tǒng)混凝土預(yù)制板相同，包括栓接、背栓式連接以及鋁合金錨固件連接等.另外還有TCP采用塑料纖維作為導(dǎo)光元件，是由美國休斯敦大學(xué)的Bill Price教授發(fā)明的Pixel Panels，這種板材也具有透光功能，且由于塑料纖維直徑很小(1mm左右)，光線透過該板，塑料纖維在板材中就像夜空中無數(shù)的星星，這些板材均可作為自承重板材，主要用于非結(jié)構(gòu)墻體.Detroit-Mercy大學(xué)采用普通水泥、細砂和玻璃纖維，也開發(fā)了一種TCP，其中央厚度僅為2.5mm，足以使光線直接穿過板材.

中國TCP的研究起步較晚，相應(yīng)的研究工作較少.He等[2]率先采用光導(dǎo)纖維、水泥、砂等制作了TCP立方體試塊，并測試了不同纖維體積分數(shù)下試塊的導(dǎo)光性能，還對其進行了光彈試驗，但并未涉及包括能效在內(nèi)的物理性能.黃寶鋒[3]利用大直徑光導(dǎo)纖維(3.0mm)和綠色輕質(zhì)混凝土，制作了數(shù)批次TCP.對其物理性能(包括導(dǎo)光、承載力、保溫隔熱性能等)的研究也已經(jīng)取得初步進展.Huang等[4]采用有限元分析軟件Therm，對多功能板的熱傳導(dǎo)性能進行了分析，并建立了結(jié)構(gòu)延性與能效之間的關(guān)系.Mosalam等[5]采用常規(guī)素混凝土和光導(dǎo)纖維制作了304.8mm×304.8mm×76.2mm的TCP，利用TracePro、Comsol等軟件分別分析了其導(dǎo)光性能和熱傳導(dǎo)性能，同時測試了其日光傳導(dǎo)性能，發(fā)現(xiàn)通過合理的設(shè)計，TCP完全可以實現(xiàn)導(dǎo)光和節(jié)能需求.Mosalam等[6]對試制的TCP開展了計算和試驗分析，發(fā)現(xiàn)其具有良好的保溫隔熱和承載性能.Mosalam等[7]設(shè)計了1種具有聚光層、傳導(dǎo)層和散光層的小尺寸有機玻璃板，發(fā)現(xiàn)其日光采集性能潛力較大.Ahuja等[8]建立了TCP中的光導(dǎo)纖維力學(xué)計算模型，分析表明其導(dǎo)光性能主要集中在1d中太陽直射的時段，有必要對光導(dǎo)纖維的空間布置進行改進.

TCP的制備和批量化生產(chǎn)是制約其發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一.Huang等[9]開展了大量試驗研究工作，解決了批量生產(chǎn)的問題，并對其保溫隔熱性能、力學(xué)性能和光學(xué)性能開展了分析和研究，結(jié)果表明：新型TCP的強度可以達到50MPa以上，質(zhì)量卻是一般板材的60%左右，通過改進，還可以進一步提高；導(dǎo)光率與光導(dǎo)纖維的數(shù)量和優(yōu)化布置有關(guān)；采用新型添加劑的TCP保溫隔熱性能優(yōu)良，相對于傳統(tǒng)的圍護板材，具有很強的競爭力.周智等[10]探討了光導(dǎo)纖維排布間距、直徑、不同波長對TCP透光性能的影響.陳瑤[11]和高錫鵬[12]分別開展了TCP的制備方法、性能以及在建筑設(shè)計中的應(yīng)用.姜志國等[13]嘗試了各種制備方法，并對其發(fā)展方向進行了展望.魏忠等[14]分析了光導(dǎo)纖維體積分數(shù)對TCP承載性能的影響.

當(dāng)前的研究工作主要聚焦于制備工藝和工程應(yīng)用方法，較少涉及TCP的能效分析和模擬，且TCP幕墻的保溫隔熱和能效性能尚不明確.本文采用白水泥、硅粉、空心微珠和聚乙烯醇(PVA)纖維等材料制備了輕質(zhì)混凝土，并與大直徑光導(dǎo)纖維整體澆筑成TCP，利用導(dǎo)熱試驗機測得其導(dǎo)熱系數(shù)，用SketchUp建立了單間辦公房屋模型，外立面分別用TCP幕墻、玻璃幕墻、磚墻等其他常用圍護材料，運用EnergyPlusTM軟件分析其全年的能耗，并將能耗轉(zhuǎn)化為電費，從而可以直觀地反映TCP幕墻優(yōu)越的能效性.

1 TCP及其導(dǎo)熱系數(shù)

1.1 TCP的制備

TCP的原材料包括白水泥、硅粉、空心微珠、PVA纖維等，減水劑的用量為7.2L/m3,黏度調(diào)和劑的用量為5L/m3，其他材料配合比見表1.表1中：白水泥的出廠設(shè)計強度為50MPa，和易性好；硅粉的作用在于提高混凝土的強度、密實性和耐久性；空心微珠可以降低凝土的密度，從而減少TCP的自重，有利于施工；PVA纖維的作用為提高混凝土的抗裂性能.采用該配合比澆筑的圓柱體試件的單軸抗壓強度為35MPa，相當(dāng)于C30混凝土的級別，且其密度僅有1300kg/m3，約為普通混凝土密度的一半，屬于輕質(zhì)混凝土[15].導(dǎo)光元件采用φ12的大直徑光導(dǎo)纖維，以6×6的排列方式將光導(dǎo)纖維等間距均勻分布在單塊TCP上，相鄰光導(dǎo)纖維中心距約為50mm，邊緣光導(dǎo)纖維中心與板邊距離約為25mm，單款TCP的尺寸為300mm×300mm×30mm，其照片如圖1所示.

表1 TCP的配合比

圖1 TCP的照片F(xiàn)ig.1 Photo of TCP

TCP的制備與光導(dǎo)纖維尺寸有關(guān)，光導(dǎo)纖維直徑越大，越容易通過模板固定，直徑越小，對模板的技術(shù)要求越高；纖維的排列方向一般為垂直于板面方向，這樣一方面容易將纖維約束于模板，另一方面可以節(jié)省纖維用量，減少造價.PVA纖維的尺寸也要與光導(dǎo)纖維凈距和所用骨料直徑相適應(yīng)，否則將對建筑混凝土造成困難.此外，TCP作為幕墻板時，需要承受自重、風(fēng)或地震等作用，TCP自身的強度可以承受一定的壓力，但抗拉和抗彎性能比較差.一般情況下，在制作TCP板材時，用雙層打孔鋼板作為固定光導(dǎo)纖維的工具，同時還可以作為一般混凝土板材中的鋼筋承受拉力作用，從而可以提高TCP抗彎承載力.TCP一般采用高性能混凝土，其他力學(xué)性能如抗裂性能、沖擊性能等均可參考高性能混凝土，性能參數(shù)須通過具體的試驗獲得，以滿足各種實際工程需求.

1.2 TCP的導(dǎo)熱系數(shù)

按GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定 防護熱板法》，選擇3組共6塊TCP，測試其導(dǎo)熱系數(shù).考慮當(dāng)溫度高于65℃ 時，TCP中光導(dǎo)纖維膨脹較大，將影響纖維附近的混凝土材料，并可能導(dǎo)致其開裂，為了避免這一后果，將烘干溫度設(shè)定為50℃，烘干時間設(shè)為96h.烘干完成后立即將板材放置于相對濕度低于30%的恒溫恒濕箱中靜置24h，冷卻至室溫.用沈陽合興檢測公司的DRCD-3030型智能化導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，采用雙試件布置，防護熱板組包括加熱單元和冷卻單元，加熱單元由分離的計量單元與圍繞著計量單元的防護板組成，冷卻單元是連續(xù)平板.

(1)

(2)

式中:d為TCP的平均厚度，m.

圖2為TCP的導(dǎo)熱系數(shù)曲線.由圖2可見：TCP的導(dǎo)熱系數(shù)整體非常平穩(wěn)，平均值為0.2114W/(m·K)，與其他常用的幕墻材料相比，具有較大的優(yōu)勢.

圖2 TCP的導(dǎo)熱系數(shù)曲線Fig.2 Thermal conductivity of TCP

2 能耗模擬

2.1 軟件平臺的選擇

目前，建筑能效分析常用的軟件平臺有DOE-2、eQUEST和EnergyPlusTM等.DOE-2由James J. Hirsch & Associates(JJH)和勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)共同研發(fā)，eQUEST是DOE-2的升級版，EnergyPlusTM由美國能源部和LBNL共同開發(fā)，三者均在世界范圍內(nèi)廣泛運用，可以模擬和分析房屋采暖、制冷、照明、通風(fēng)以及其它建筑功能所產(chǎn)生的能耗，亦可分析相關(guān)經(jīng)濟性指標(biāo).EnergyPlusTM能夠根據(jù)房屋材料和機電設(shè)備(暖通空調(diào)系統(tǒng)等)計算建筑的冷熱負荷，包括遮陽、自然采光、暖通和空調(diào)系統(tǒng)、圍護結(jié)構(gòu)傳熱等計算模塊，每個計算模塊采用數(shù)值分析的算法，通過導(dǎo)入或設(shè)定圍護結(jié)構(gòu)的物理和幾何參數(shù)、室內(nèi)指定溫度等關(guān)鍵參數(shù)，可計算獲得非常詳細的各項數(shù)據(jù)，如每天各時間段耗能等.EnergyPlusTM采用的集成同步模擬在3個模塊(負荷、系統(tǒng)、設(shè)備)之間都有反饋，因此比較合理，而DOE-2采用順序的模擬方法，3個模塊之間沒有反饋，容易造成較大誤差[16].因此，本文選用EnergyPlusTM對TCP幕墻進行能效模擬和分析.

2.2 房屋模型的設(shè)計

為了探討TCP幕墻的能效性能，設(shè)計了單層房屋模型，具體尺寸見圖3.房屋的尺寸根據(jù)JGJ 67—2006《辦公建筑設(shè)計規(guī)范》進行設(shè)計，具體模擬參數(shù)見表2，屋面、樓板和磚墻的建筑作法見圖4(圖中水泥砂漿的比值為水與水泥的體積比)、幕墻立面圖見圖5.朝南的方向為建筑幕墻所在立面(圖3中有玻璃窗的一面)，分別模擬了3種幕墻，即磚墻開窗洞、TCP幕墻和玻璃幕墻(圖5)，并計算3種幕墻的能耗.

2.2.1磚墻開窗洞立面

外立面采用240mm磚墻，并考慮有、無保溫層2種情況.根據(jù)文獻[17]，南京屬于夏熱冬冷地區(qū)，冬季日照率一般大于0.35，空調(diào)制冷耗能隨窗墻面積比增大而上升的速度比采暖快，且全年空調(diào)耗電量隨窗墻面積比的增加呈階梯狀躍升，躍升頻率較采暖耗電量快，窗墻面積比最好不超過0.6.因此，在磚墻上開設(shè)1.2m×2.1m窗洞，窗臺高0.9m，窗墻面積比約為0.21，窗戶結(jié)構(gòu)為5mm單層玻璃+6mm空氣+5mm 單層玻璃.

圖3 單層房屋模型的具體尺寸Fig.3 Specific dimensions of single house model(size:mm)

表2 單層房屋模擬參數(shù)

2.2.2TCP幕墻立面

外立面采用240mm厚TCP幕墻板，光導(dǎo)纖維在板中均勻布置，通過修改光導(dǎo)纖維間距，光導(dǎo)纖維體積分數(shù)φOF分別為5%、10%、15%、20%、30%、40%、43%、45%、50%，φOF=10%的TCP幕墻板各項性能參數(shù)尤其是導(dǎo)熱系數(shù)均由試驗測定，不同φOF下的TCP幕墻導(dǎo)熱系數(shù)變化不大，因此，導(dǎo)熱系數(shù)均采用上文的試驗值.

2.2.3玻璃幕墻立面

外立面全部采用玻璃幕墻，尺寸為3.1m×3.4m.玻璃面板采用中空玻璃，結(jié)構(gòu)為8mm單層玻璃+5mm 空氣+8mm單層玻璃，玻璃面板除厚度外，其他性能參數(shù)與窗戶玻璃相同，均采用軟件默認參數(shù).

圖4 屋面、樓板和磚墻的建筑作法Fig.4 Cross sectional view of the roof, floor and brick wall

圖5 幕墻立面圖Fig.5 Elevation view of the curtain wall

2.3 模擬方法與參數(shù)設(shè)置

2.3.1建模方法

使用SketchUp拓展程序Eculid建立單間房屋的3D模型(圖3)，并保存為*.idf文件.該文件是EnergyPlusTM的數(shù)據(jù)讀入管理器，為表單輸入格式，包含了建筑和設(shè)備性能參數(shù)的全部信息：地點、建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)、設(shè)備性能曲線、HVAC設(shè)備系統(tǒng)參數(shù)，以及自定義的輸出變量等信息.在IDF Editor中導(dǎo)入*.idf文件，在菜單欄中選擇材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)、輸出參數(shù)等選項設(shè)置模擬參數(shù).在EP-Launch界面選擇設(shè)置參數(shù)后的*.idf文件以及模擬的天氣數(shù)據(jù)*.epw文件.使用EnergyPlusTM模擬得到冷熱耗能；使用IDF Editor設(shè)置模型材料參數(shù)(見表3)，計算對應(yīng)幕墻的年度能耗情況.

表3 模型材料參數(shù)

2.3.2空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)

能耗時間段為1a，計算時間步長為1h(即按小時計算能耗)，采用EnergyPlus Weather Data Sources提供的南京地區(qū)氣象數(shù)據(jù)(Jiangsu Nanjing 582380 SWERA)，設(shè)定房屋恒定溫度為人體舒適溫度18～26℃，空調(diào)全年開放，空調(diào)空氣系統(tǒng)參數(shù)均采用軟件默認值.

2.3.3墻體參數(shù)

根據(jù)GB 50176—2016與DGJ32/J 96—2010《江蘇省公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》確定3種幕墻材料的物理參數(shù)(見表3).窗戶與玻璃幕墻各項參數(shù)均采用軟件默認值，同時考慮太陽光入射和反射對能耗的影響.

3 能耗結(jié)果與分析

3.1 全年能耗

表4為不同幕墻的全年能耗和電費.由表4可見：當(dāng)磚墻不采用保溫層時(長江以南的房屋一般均不采用)，TCP幕墻全年的能耗總量最小，對應(yīng)的電耗也最??；相對于目前較為常用的玻璃幕墻，能耗可以節(jié)省14%左右.圖6為不同幕墻的能耗與時間的關(guān)系.由圖6可見，從全年來看TCP幕墻的房屋在冬季的能耗比其他2種幕墻稍高，但在其他季節(jié)能耗較低.

3.2 電費與造價

將單間小屋的能耗轉(zhuǎn)化為電費，可以分析3種幕墻的年度電費.以江蘇省南京市為例，根據(jù)江蘇省梯度電價實行方案，南京市電費采用先“先谷峰后階梯”的原則進行計價：上午8:00到晚上9:00峰值電價為0.5583元/(kW·h)；晚上9:00 到次日上午8:00谷值電價為0.3583元/(kW·h).階梯電價：每戶每月低于230kW·h的部分實行標(biāo)準(zhǔn)價，230～400kW·h 的每kW·h加價0.05元，超過400kW·h每kW·h加價0.03元.據(jù)此，計算獲得的不同幕墻的年度能耗與電費見表4.由表4可見，采用TCP幕墻比玻璃幕墻每年可以節(jié)省100元左右.圖7為不同幕墻的月度電費.由圖7可見，冬天由于采暖需求，TCP幕墻電費略高于玻璃幕墻，其他月份電費則節(jié)省許多.目前大城市辦公建筑一般為高層或超高層建筑，有的擁有200余個類似本文單間辦公室模型，每棟建筑預(yù)計每年至少可節(jié)省數(shù)萬元人民幣.

表4 不同幕墻的年度能耗和電費

圖6 不同幕墻的能耗與時間的關(guān)系Fig.6 Relationship between energy consumption and time of different curtain walls

圖7 不同幕墻的月度電費Fig.7 Monthly electricity cost of different curtain walls

此外，考慮到磚墻、玻璃幕墻與TCP幕墻的造價，磚墻與玻璃幕墻中的建筑材料價格以江蘇省工程造價信息網(wǎng)提供的2019年雙月報第2期數(shù)據(jù)為依據(jù)，TCP材料價格以試驗所用的TCP材料購買價格為依據(jù)，磚墻、玻璃幕墻、TCP幕墻的單位面積材料價格分別為174.7、807.0、459.6元/m2，TCP幕墻單位面積造價約為磚墻2.6倍、玻璃幕墻的0.6倍，而采用TCP幕墻比玻璃幕墻每年可以節(jié)省電費100元左右，因此TCP幕墻從保溫性與單位面積造價2個方面均明顯優(yōu)于玻璃幕墻.雖然磚墻單位面積造價明顯低于TCP幕墻，但磚墻材料制作過程中對環(huán)境帶來的負擔(dān)較重，而TCP幕墻制作過程無任何環(huán)境污染，有利于環(huán)境保護.需要指出的是，3種幕墻實際造價還需要根據(jù)各地區(qū)的自然資源、勞動力成本、技術(shù)指標(biāo)等因素綜合確定.

3.3 光導(dǎo)纖維體積分數(shù)對能耗的影響

在TCP幕墻板中，光導(dǎo)纖維主要作用是導(dǎo)光，即把室外太陽光傳導(dǎo)至室內(nèi)，從而減少室內(nèi)照明的負荷，還可以達到節(jié)能的效果.不同光導(dǎo)纖維體積分數(shù)φOF的TCP幕墻板導(dǎo)光性能有所不同，對室內(nèi)照明荷載的影響也不同.

圖8為不同光導(dǎo)纖維體積分數(shù)TCP幕墻的能耗.由圖8可見，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.隨著φOF增大，采光量增多，幕墻吸收的太陽輻射能增多，彌補了部分因傳熱溫差或室內(nèi)向室外輻射的熱損耗，整面幕墻為保持恒溫區(qū)間溫度所需的熱量減少，減少了室內(nèi)熱負荷，房屋冬季能耗降低.在夏季制冷季節(jié)，室內(nèi)溫度高于所設(shè)置的恒溫區(qū)間溫度，熱量傳遞方向為室外向室內(nèi)，隨著φOF增大，采光量增多，幕墻吸收的太陽輻射能與因傳熱溫差或室外向室內(nèi)輻射的熱量共同作用，增加了室內(nèi)冷負荷，房屋夏季能耗增大.夏季溫度較高，早晚溫差大，室內(nèi)外熱量傳遞作用更為明顯，φOF變化對能耗影響較大，夏季能耗增幅大于冬季能耗降幅.

圖8 不同光導(dǎo)纖維體積分數(shù)TCP幕墻的能耗Fig.8 Energy consumption of TCP curtain wall with different with different φOF

由圖9為不同光導(dǎo)纖維體積分數(shù)TCP幕墻的年度能耗.由圖9可見：當(dāng)φOF<40%時，φOF越大，總能耗越低；當(dāng)φOF>40%時，φOF越大，總能耗越高.當(dāng)φOF較小時，TCP幕墻除去光導(dǎo)纖維的幕墻部分在熱量傳遞中占主導(dǎo)地位，隨著φOF增大，采光量增大，夏季能耗增大，冬季能耗減小，由于此時冬季能耗占總能耗比例較夏季大，冬季能耗降低量大于夏季能耗增加量，總能耗表現(xiàn)為降低；但當(dāng)φOF增大到一定程度，夏季能耗增幅大于冬季能耗降幅，夏季能耗增加量將會大于冬季能耗降低量，總能耗表現(xiàn)為增大.由圖9還可見：TCP幕墻的總能耗低于玻璃幕墻的總能耗(1347.18kW·h)；當(dāng)φOF為30%～50%時，其總能耗低于磚墻總能耗(1047.13kW·h).

圖9 不同光導(dǎo)纖維體積分數(shù)TCP幕墻的年度能耗Fig.9 Annual energy consumption of TCP curtain wall with different φOF

4 結(jié)論

(1)TCP導(dǎo)熱系數(shù)在0.21W/(m·K)左右，較其他常用幕墻材料(玻璃、磚)性能優(yōu)越，具有較大的可開發(fā)潛力.

(2)TCP幕墻較玻璃幕墻在冬季耗能大，但夏季能耗明顯低于玻璃幕墻，總耗能約為玻璃幕墻的85%，保溫效果總體優(yōu)于玻璃幕墻；相比磚墻(無保溫層)，光導(dǎo)纖維體積分數(shù)為10%的TCP幕墻總能耗減略高但通過增加光導(dǎo)纖維的體積分數(shù)，可以進一步降低TCP幕墻的能耗.

(3)TCP幕墻年度能耗較玻璃幕墻具有明顯優(yōu)勢，如采取其他有效措施或進一步提高TCP的保溫隔熱性能，可進一步節(jié)省用電成本.

(4)TCP內(nèi)光導(dǎo)纖維體積分數(shù)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)本文僅介紹了單層TCP幕墻的能效性能，此外，可以通過組成材料、截面組合方式或采用高能效的錨固和連接方式(如銷釘式連接)等手段提高其能效.