大型膜构造建筑的空调冷负荷特性研究

随着公共高大空间建筑向大跨度，轻结构方向的发展，膜材料作为一种轻型材料，广泛应用于体育馆，游泳馆，展览馆等大型公用建筑。根据结构不同，膜建筑分钢骨支撑式，骨架悬顶式和气压支撑式。膜造建筑具有①大跨度，结构重量比实体屋面轻很多 ②施工容易，工期缩短 ③可透光性，节省照明费用等优点，因而逐步受到国内外建筑师的青睐。

膜材料是一种以织物为芯材，外面涂裹塑料的复合材料，根据涂裹材料种类、颜色的不同，可以使材料具有不同的辐射透过率、反射率及吸收率。由于膜材的半透明性，其空调冷负荷具有其自身的特点。本文以大空间膜构造建筑为研究对象，根据分层空调理论计算不同透光率、吸收率、单双层膜构造建筑的冷负荷；分析空调冷负荷的特点，提出节能措施，为建筑材料的选择提供参考。

2.研究对象

本文以上海某展览建筑为研究原型。

该展厅为拱形建筑，具体尺寸见图1，长180m，宽72m，展馆最高点为15.6m；屋顶材料为PVC薄膜，端墙为10mm厚单层玻璃，边墙为彩钢板，地面为水磨石；展厅采用分层空调形式，送风口高度为9.6m；由于围护结构是半透明的，所以传热计算中，要考虑透过屋顶的日射辐射，并且地面接收短波辐射也增加，这使之与普通建筑围护结构的冷负荷计算有很大区别。

图1 展厅外形图

3 计算理论及方法

该展厅属于高大建筑，且仅对下部区域进行空调，采用分层空调的方式计算。

3.1 分层空调计算理论

计算分层空调负荷时，以送风口为分层面，将整个高大建筑物在垂直方向分为两个区域，分层面以下为空调区，分层面以上为非空调区。工作区为高大建筑要求保证温湿度参数的区域，作为舒适性空调，一般可取2.0m，在满足使用要求的前提下，分层高度越低越节能；对于舒适性空调，空调区高度

一般可由右式计算： (1)

式中：－工作区高度，m

－射流垂直落差，m

空调区冷负荷的组成：

(2)

式中：－空调区分层空调冷负荷，W；

－ 通过空调区外围护结构得热形成的冷负荷，W；

－空调区内部热源散热形成的冷负荷，W；

－空调区室外新风或渗透风形成的冷负荷，W；

－非空调区向空调区辐射热转移形成的冷负荷，W；

－非空调区向空调区对流热转移形成的冷负荷，W；

3.2 分层空调计算方法

（1）计算非空调区域的室内温度： (3)

式中：－室内空调区计算温度，℃

－屋顶下表面附近空气温度，一般可取室外空气温度增加2～3℃

（2）确定分层高度

（3）根据分层高度计算非空调区和空调区外围护结构进入室内的热量和散热量

（4）计算非空调区和空调区各内表面的温度

　(4)

式中：－室内计算温度，空调区为，非空调区为

－外围护结构内表面放热系数，一般取8.7

综合温差：

　(5)

式中： －夏季空气调节室外计算日平均温度，℃

－屋顶（或外墙辐射热平均温升），℃

－围护材料的衰减倍数

－该朝向“作用时间”的太阳总辐射照度及太阳总辐射日平均照度，W/m²，

－“作用时间”的夏季室外逐时温差，℃，

－围护结构的吸收率，

－围护结构外表面与天空和周围物体的长波辐射温升，℃。

（5）计算非空调区向空调区辐射热转移形成的负荷

① 辐射热转移量

　(6)

式中各项含义详见参考文献【1】中高大建筑物分层空调设计部分。

② 辐射热转移形成的冷负荷

　(7)

式中：－冷负荷系数，通常取0.45～0.72；

（6）计算非空调区向空调区对流转移形成的冷负荷

空调区得热量：

空调区热强度：

非空调区热量：

非空调区热强度：

非空调区排热量：

非空调区与空调区强度比：

非空调区的排热率：

根据，，查文献【1】中的图11.10-4即可得到无因次对流转移负荷：

（7）计算空调区的总冷负荷

4.展馆空调区冷负荷计算

4.1 负荷计算基本参数：

(1) 空气计算参数

室内空调区计算干球温度＝26℃，相对湿度65％

夏季空调室外计算干球温度＝34℃

夏季空调室外日平均温度＝30.4℃

屋面附近空气平均温度：＝34+3＝37℃

非空调区计算温度＝31.5℃

(2) 围护结构参数

计算用屋顶膜材的太阳光学性能见表1

表1 屋顶膜材的太阳光学性能

	穿透率	反射率	吸收率	衰减倍数β
①	13％	73％	14％	0.195
②	9.3％	79.4％	11.3％	0.157
③	0％	72％	28％	0.390

各围护结构的热工参数：

墙及地板内表面换热系数：=8.7

墙外表面换热系数：=24.4

屋顶传热系数：6.25

夹心板传热系数：0.86

4.2 负荷计算结果

(1) 屋顶为①号膜材时，展馆的逐时冷负荷

表2 展馆的逐时冷负荷

计算时间	10：00	11：00	12：00	13：00	14：00	15：00	16：00
冷负荷（kW）	2763.6	3140.3	3272.3	3375.8	3389.2	3253.2	3001.0
平均负荷（kW/m2）	213.2	242.3	252.5	260.5	261.5	251.0	231.6

注明：室内新风量为66000m3/h

逐时负荷分布曲线见图1：

图1 展馆冷负荷随时间变化曲线

如图1所示，展馆的最大冷负荷值出现在下午14:00点；这是由于展馆的围护结构均为轻型材料，蓄热能力小；且屋顶能透射一定的太阳光，展馆室内负荷大小受室外环境影响很大。

(2) 展厅的室内负荷分布

展馆室内冷负荷达到最大时，各项负荷值见表3

表3 展馆冷负荷分布

项目	空调区围护结构冷负荷	空调区内部热源冷负荷	新风冷负荷	非空调区辐射转移冷负荷	非空调区对流转移冷负荷
冷负荷（kW）	212.73	1354.4	645.5	1081.3	95.4
比例	6%	40%	19%	32%	3%
总和	3389.33

负荷分布图见下图：

如图所示：围护结构为半透明材质的高大建筑，通过非空调区向空调区转移的辐射热负荷占的比重较大，相应的对流转移的负荷比例要小很多。

(3) 非空调区辐射热转移冷负荷分布
 

表4 辐射热转移负荷分布

项目	非空调区外墙对地板的辐射热量	透过非空调区外墙被地板吸收的热量	非空调区屋顶对地板的辐射热量	透过非空调区屋顶被地板吸收的热量
冷负荷(kW)	18.15.	50.4.3	435.51	1355.22
比例	1.0%	2.7%	23.4%	72.9%

由表4所示，非空调区向空调区辐射热转移负荷主要是屋顶转移负荷，其中以屋顶透射产生的转移负荷为主体。这说明屋顶材料的透光率是影响辐射转移负荷的最主要因素

(4) 屋顶采用不同膜材时，建筑冷负荷比较

计算比较下午14：00的负荷值，结果见表5

表5 不同屋顶材料建筑的冷负荷值

	①号	②号	③号
空调区围护结构冷负荷	212.73	212.73	212.73
空调区内部热源冷负荷	1354.4	1354.4	1354.4
新风冷负荷	645.5	645.5	645.5
非空调区辐射转移冷负荷	1081.3	725.3	504.9
非空调区对流转移冷负荷	95.4	29.7	43.84
室内冷负荷（kW）	3389.33	2277.6	2104.8

如表中所示，屋顶采用①号膜材时，建筑冷负荷值最大，屋顶采用③号膜材，冷负荷值最小；主要因为屋顶采用③号膜材，没有太阳光透射进入房间，辐射转移量大大减少；相比①号膜材，②号膜材的透光率及吸收率较小，屋顶辐射减少，由此可以得到屋顶采用半透明材料，降低材料的透光率有利于降低建筑的冷负荷。

(5) 屋顶采用单、双层膜材的建筑冷负荷对比

以①号膜材为例，单层膜材的透光率为13%，而双层膜材透光率仅为8%，由于辐射转移负荷中透射负荷占主导，不考虑两层膜之间的空气热阻，计算屋顶采用单双层膜材的建筑冷负荷见表6

 

表6 建筑屋顶采用单双层膜材冷负荷

	单层	双层	差额	百分比
空调区冷负荷(kW)	3389.33	2985.47	403.86	11.9%

如表6所示，采用双层膜材忽略空气层热阻，冷负荷降低11.9%；实际上膜层间的空气热阻对膜材的传热系数影响很大，采用双层膜材的实际冷负荷可能比表6中的计算值还要低，因此采用双层膜材的节能效果是很明显的。

5.结论

1）膜材料高大空间建筑冷负荷受室外气候影响很大，建筑得热量的延迟及衰减程度很小。

2）非空调区向空调区的辐射热转移热量占建筑冷负荷的比例很大。主要部分是透过围护结构传入空调区的太阳辐射热，因而夏季可采取一定的遮阳措施以降低太阳的日射负荷。

3）膜材料建筑采用双层膜材较单层膜材的节能效果明显。

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