单、双层玻璃幕墙对高层办公楼空调负荷及造价的影响分析一例

    深圳市深南东路兴建了一座高层办公楼——深业中心。该建筑地上34层，地下4层，总建筑面积78000㎡。

    该大厦原设计打算全部采用双层彩色反光隐框玻璃幕墙。考虑到双层玻璃幕墙的造价比单层玻璃幕墙的造价高，而单层玻璃幕墙的能耗与设备费用却多于前者，笔者从使用、节能、投资等角度以深业中心为例对深圳地区做玻璃幕墙的办公楼建筑物，究竟是采用双层还是单层玻璃幕墙合算这一问题进行了分析和探讨。

    1. 标准层采用双、单层玻璃幕墙(窗)的冷负荷计算

    深业中心大厦办公楼标准层平面图如图1。拟采用的玻璃幕墙(窗)及外围护结构构造大样图如图2。单层热反射玻璃和双层中空玻璃的热工参数值见表1。冷负荷计算采用冷负荷系数法[1]。

    ①玻璃幕墙(窗)日射得热引起的冷负荷

        Cl1= F·CZ·DJ·maxCCL                         (1)

        式中 F——标准层各朝向玻璃幕墙(窗)面积(m2)，见表2;

        CZ——综合遮挡系数,CZ=Cs·Cn;

        Cs——玻璃幕墙的遮光系数,单层0.24,双层0.16;

        Cn——内遮阳系数,取1;

        DJ·max——日射得热因素的最大值,W/m2,纬度为25b时的数值见表3。

        CCL——冷负荷系数，深圳属南大区，无内遮阳，CCL值见表4。

        标准层分别采用单层、双层玻璃幕墙时的日射得热逐时冷负荷计算结果见表5(单层)、表6(双层)。

    ②玻璃幕墙(窗)瞬变传热引起的冷负荷

        CL2= F·K(tl- tn)                               (2)

式中 F——玻璃幕墙(窗)面积，标准层计算得F=326m2;

     K——传热系数,单层K= 4.46W/(m2·K),双层K= 2.31W/(m2·K);

        tl——玻璃幕墙(窗)冷负荷计算温度逐时值℃,如表7。

        tn——室内计算温度,一般取为25℃。

       标准层采用单层、双层玻璃幕墙(窗)瞬变传热引起的冷负荷计算结果见表8。

       标准层采用单层、双层玻璃幕墙(窗)逐时冷负荷汇总表(日射+传热)如表9。

        CL=F·K(t1- tn)              (3)

        式中F——各朝向外墙面积,m2;

        K——传热系数,W/(m2·K);

        t1——各朝向逐时外墙冷负荷计算温度,℃;

        tn——室内计算温度，取25℃;

        K值的确定：K=1/(Rn+ΣR+Rw)             (4)

        查得玻璃 λ=0.76W/(m·K)，δ=6mm时,

       R≈0.01m2·K/W，空气间层厚度δ=12mm时，查得R=0.13m2·K/W;

       外围护结构按Ⅱ类型墙20号构造计算，热阻R=0.72m2·K/W，经计算得：K单≈1.126W/(m2·K)，K双≈0.973 W/(m2·K)。

       各朝向外墙逐时冷负荷计算温度及面积如表10。

       标准层外围护结构(外墙)采用单层或双层玻璃幕墙的冷负荷分别见表11(单层)、表12(双层)。

        为计算方便，1~6层裙房用标准层近似代替。

        3.1 单层玻璃幕墙

        从窗户传入的冷负荷为23155*34=787270W

        从外墙传入的冷负荷为3655*34=124270W

        3.2 双层中空玻璃幕墙

        从窗户传入的冷负荷为13659*34=464406W

        从外墙传入的冷负荷为3169*34=107746W

        采用单层和双层玻璃幕墙，经窗户及外墙传入的冷负荷之差值分别为320kW和18kW，其和为338kW。

     深业中心大厦全楼空调设计计算的冷负荷为8740kW，采用单层玻璃幕墙所增加的空调冷负荷占全楼冷负荷的比例约为4%。

        4.1 采用单层玻璃幕墙增加的空调冷负荷所需设备耗电量计算

        冷冻机的用电量=冷冻机电量*（增加的冷量/冷冻机的冷量）=500*(338/1860)=91(kW)；

        冷冻水泵用电量=全楼冷冻水泵电量*(增加的冷量/全楼系统冷量)=316*(338/8740)=12.2(kW)；

        冷却水泵用电量=全楼冷却水泵电量*(增加的冷量/全楼系统冷量)=337*(338/8740)=13.0(kW)；

        冷却塔风机用电量=全楼冷却塔风机电量*(增加的冷量/全楼系统冷量)=35.5*(338/8740)=1.4(kW)；

        风机盘管用电量=每台盘管耗电量*台数=72*(增加冷量/每台盘管冷量)=72*(340.916/1806)=13.6(kW)

        总增加的用电量为：

        91+12.2+13.0+1.4+13.6=131.2(kW)

        4.2 根据当量满负荷运行计算全年的耗电量，办公楼的满负荷运行时间为560h/a，则

        131.2*560=73472(kWh/a)

       目前的电价为0.95元/kWh，则每年所需用电费为73472*0.95=7(万元)

        4.3 增加空调冷负荷所增加的设备费用

    所增空调设备费用估价为351.46kW*2850元/kW=100万元。根据电专业提供的资料，电容量增加150kW时，所增费用为：增容费10.8万元，设备费1.5万元，配电费1万元，线路等2.5万元，共15.8万元。

设备总价约为116万元。

        4.4 有关公司对深业中心大厦玻璃幕墙建造的投标报价(玻璃幕墙总面积约为22600m2)

       ①采用进口双层中空镀膜反射玻璃幕墙(25mm厚)，其建造价格为人民币7238万元。

       ②采用进口单层镀膜反射玻璃幕墙(用8mm厚的规格报价)，其建造价格为人民币6600万元。

        ③经济比较

        采用双层中空镀膜反射玻璃幕墙其总造价为7238万元；采用单层玻璃幕墙其总造价为玻璃幕墙造价+所增设备造价=6716万元。即采用单层比采用双层减少投资522万元。

        如采用双层玻璃幕墙，每年节能所省费用7万元，需522/7≈75(a)才能收回所增加的投资成本(考虑电价上涨因素，电费不计贴现率)。

    5.1 由于深圳冬季不供暖，仅夏天空调，从节能的角度考虑，玻璃幕墙仅在夏天起作用；同时办公楼的使用时间不是全天，而是间歇性的，空调运行时间也就减短，能源消耗及运行费用相对降低。所以在深圳办公楼建筑中采用双层玻璃幕墙不像北方和运行时间长的旅馆那样比采用单层玻璃幕墙能取得较大的节能效果。

    5.2 办公楼窗台下面有保温板、防火板以及装饰板等外围护结构，窗户上面有混凝土梁等，这些材料热阻较大，外层玻璃幕墙采用双层或单层形式对其传热引起的空调负荷影响不大，从计算结果看，其差值仅为17573W，可以忽略。

    5.3 由于办公楼空调负荷的特有性质，内部发热量对供冷的影响较大，相对来说，外围护结构的负荷在总负荷中所占的比例减少。通过计算，本工程玻璃幕墙采用单层形式时，冷负荷的增加只占总负荷的4%左右，选择的机组容量不会有太大的差别。

    5.4 夏天围护结构冷负荷中，玻璃窗的日射得热负荷占有很大的比例，而从单层反射玻璃的热工特性看，其反射和遮阳性能比一般玻璃的效果好得多。据有关资料介绍，反射玻璃能反射约30%的太阳辐射热。INTERPANE提供的镀膜热反射玻璃IA108达到37%。由于反射玻璃幕墙具有良好的反射太阳光及遮阳性能，大大减少了玻璃窗的日射得热负荷。这本身已显示出很好的节能性，而单层与双层的反射效果差别不大。

    综上所述，在深圳等南方温暖地区，对于现代化高层办公楼，外墙面采用大面积玻璃幕墙时，从降低造价和节能两方面综合考虑，玻璃幕墙采用单层镀膜反射玻璃就可以了，采用双层玻璃幕墙节能效果不太显著，而造价却较高，经济上不合算。