既有建筑外窗節能改造研究

鄭非藝

(華中科技大學建筑與城市規劃學院，湖北武漢 430074)

1 我國公共建筑能耗狀況

目前在我國，建筑節能已經成為全社會關注的一個焦點。建筑行業中，建造和運行的過程中直接消耗的能源占到了全社會的30%，在發達國家這一比例甚至達到了35%［1］。目前中國有430多億平方米的建筑，其中99%是高能耗建筑，而這類建筑的平均單位面積能量消耗卻是發達國家同類建筑的2倍～3倍。現在我國建筑節能的工作既包括新建節能建筑，又包括了對既有建筑的節能改造。要完成國家“十一五”規劃中要求的單位GDP能耗下降20%的目標，不僅要嚴格執行新建建筑節能50%，還要對既有建筑進行嚴格科學的節能改造［2］。

2 外窗節能改造現狀

我國現在大部分的既有建筑都存在耗能較高的問題，而其中外圍護結構的能耗又占很大一部分，由于其保溫隔熱性能不理想，在消耗大量能源的同時也給生態環境造成了嚴重的污染破壞。其中外窗節能改造擁有良好的適應性和高科技材料的發展，實施外窗節能改造的既有建筑改造項目有很多，但是鮮有在經濟和節能效果上均滿意的項目，甚至有些項目只是將概念和單一的節能窗產品進行替換，根本達不到節能效果［3］。目前最常見的外窗節能改造方式就是將原有建筑的外窗用節能窗進行替換，或者在原有外窗的外側再增加一層窗戶，形成雙層或者多層窗或者“表皮”。所以我們重點對比了不同外窗玻璃節能性和經濟性，為了達到理想的效果，重點研究了施工時間短，見效快，成本低的各種外窗改造方式［4］。本文的改造方案設計則是主要從更換新的窗戶進行比較，通過比較不同物理性能，改造成本和最終的節能效果，綜合得出最經濟最有效的優化外窗節能改造方案。

3 武漢某教學樓外窗改造方案對比

武漢位于我國中部，地處夏熱冬冷氣候區，需要同時考慮夏季的熱負荷和冬季的冷負荷，對節能設計和改造有較高的要求。該教學樓功能為某大學的建筑與城市規劃學院院樓。建筑為4層磚混結構，層高3.6 m，建筑體型系數0.35。建筑內部房間功能豐富，既有行政辦公室，又有專業的繪圖教室，還包括了實驗室，圖書館以及報告廳(見表1)。

表2為不同朝向外窗的窗墻面積比限值。其使用材料：外窗采用鋁合金窗，5 mm厚單層普通平板玻璃，傳熱系數為6.4 W/(m2·K)，遮陽系數Sc為0.93，窗墻面積比為0.35。在《公共建筑節能設計標準》中對于夏熱冬冷地區建筑外窗的要求為：0.3小于窗墻面積比0.4時，窗的傳熱系數應不大于3.0 W/(m2·K)，在《武漢城市公共建筑節能設計標準》中規定了外窗遮陽系數Sc不分地區均取0.80［5］，因此該建筑的外窗設計不滿足要求(見表3)。

表1 建筑各功能面積概況

表2 不同朝向外窗的窗墻面積比限值

表3 幾種常用玻璃的主要光熱參數［2］

通過對該建筑外圍護結構中的窗戶進行節能設計改造，試圖探索在該建筑節能效率達到標準的同時，選擇最有效的優化方案，并讓其經濟效益最大化。通過文獻的研究我們發現，武漢屬于夏季有強烈太陽輻射的地區，太陽的得熱系數在建筑的冷負荷中占主導位置，所以在建筑節能外窗玻璃的選擇上，不能僅僅要求傳熱系數K，而要參考遮陽系數Sc的大小。假如遮陽系數Sc很大，那么將有大量的輻射熱會進入室內，這時低傳熱系數K反而會阻止向室外散熱，也就是說，在強輻射地區，玻璃或者材料的遮陽系數Sc優先于傳熱系數K，這與一般地區強調傳熱系數K不一樣。建筑玻璃和外窗材料的選擇是一項綜合考量工作，除了節能性，同時還必須兼顧材料的安全性、舒適性、經濟性，應在滿足規范的前提下，找到一個平衡點，選用最適合目標建筑的材料。

從表3中可以看出，低透射低輻射玻璃，本身有較低的傳熱系數K，同時遮陽系數Sc也很低，可以保持房間內的可見光透過率，比較適合武漢的特點，然后再考慮其透光性。如果選用造價高的節能窗體有可能降低整體的性價比，甚至節能不節錢。針對本建筑而言，南向輻射最強，而東西向次之，北向最小可以近似于不考慮。規范要求東、西、南向窗K≤3.0 W/(m2·K)，Sc≤0.8，只能采用遮陽系數Sc較低的Low-E玻璃窗;但是北向輻射低，窗墻比達到0.21，規范只要求K≤3.5 W/(m2·K)，如果采用普通中空玻璃能達到節能效果，同時可比全使用Low-E玻璃節省大量初投資。

表4 主要節能玻璃窗價格［6］

在表4中，由于真空玻璃與充惰性氣體中空玻璃在價格上浮動較大，且節能效率相比中空玻璃和Low-E玻璃沒有明顯的優勢能夠補償價格上的差距，因此本次節能設計的改造材料主要為中空玻璃和Low-E玻璃，通過探索不同的玻璃材料配置方法來滿足節能效果的同時，又能夠在經濟上最節約，更易于推廣使用。

4 改造方案經濟性和節能效果比較

4個方案比較見表5～表8。

表5 4個方案經濟性對比

表6 中空玻璃窗和Low-E玻璃窗的節能效果

表7 各個方案節能效率和節能費用比較

從表8中可以得出，方案1和方案4的回收年限較方案2和方案3有明顯優勢。方案1的回收年限雖然是最短的，但是它的節能效率卻是最小的。相比較下，方案4的節能效率最高，換算成電費，也節約的最多，雖然在回收年限上不如方案1，但是我們還是認為方案4是最優方案。綜上所述，我們認為方案4更加的合理和經濟。所以我們得出最終的方案為南窗改為Low-E中空玻璃，東、西、北窗改為中空玻璃。另外需要說明的是，由于我們進行的是獨立的外窗改造，所以在整個建筑節能效率上忽略了其他因素的影響，最后的結果無法十分精確，在外窗節能效率和單價上也是參考當前的經驗值，很可能在今后科技發展和技術進步的情況下，會有所不同。但是我們作為一種單獨的節能設計改造的探索，還是具有一定的借鑒價值。

表8 各個方案最后節能效果和經濟性比較

5 結論與建議

通過文獻資料的搜集和查閱，我們了解到了武漢地區既有建筑在節能改造上，特別是針對辦公建筑的外窗改造上，在南向窗應該更注重于玻璃的遮陽性能，而在東、西、北窗上則是注重玻璃的隔熱性能。并且通過一系列的比較和模擬，得出最經濟同時又能滿足節能要求的改造方案。這才是我們現階段應該大力推廣的建筑節能改造方法。本文僅從外窗改造方面進行經濟和節能的計算，并沒有涉及到內外遮陽和其他因素，是為了能夠最直接的反映出玻璃窗的物理性能在節能效果當中的作用。當然在真正的項目當中，我們應該把更多的因素考慮進來，包括外圍護結構的墻，屋面，門;材料方面的費用;以及在具體施工時的安裝人工費用等，這樣或許得出來的結果更加可靠。作為一種新的快捷的節能設計改造，這也是一種新的嘗試。

［1］ 廖 浩.武漢市既有行政辦公建筑節能改造研究［D］.武漢：武漢理工大學，2009.

［2］ 許 怡.武漢市某公共建筑能耗模擬與節能分析［D］.武漢：華中科技大學，2008.

［3］ 王灃浩，王東洋，羅昔聯.既有建筑圍護結構能耗模擬及節能分析［J］.建筑科學，2007(2)：22-26.

［4］ 何家禮.節能門窗的設計及其適用性研究［D］.長沙：長沙理工大學，2005.

［5］ DB 42/XXX-2008湖北省地方標準，武漢城市居住建筑節能設計標準［S］.

［6］ 陳孚江.既有建筑節能技術優化與評價方法研究［D］.武漢：華中科技大學，2006.