既有建筑外窗節(jié)能改造研究

鄭非藝

(華中科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)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(jié)能已經(jīng)成為全社會(huì)關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。建筑行業(yè)中，建造和運(yùn)行的過程中直接消耗的能源占到了全社會(huì)的30%，在發(fā)達(dá)國家這一比例甚至達(dá)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(fā)達(dá)國家同類建筑的2倍～3倍。現(xiàn)在我國建筑節(jié)能的工作既包括新建節(jié)能建筑，又包括了對既有建筑的節(jié)能改造。要完成國家“十一五”規(guī)劃中要求的單位GDP能耗下降20%的目標(biāo)，不僅要嚴(yán)格執(zhí)行新建建筑節(jié)能50%，還要對既有建筑進(jìn)行嚴(yán)格科學(xué)的節(jié)能改造［2］。

2 外窗節(jié)能改造現(xiàn)狀

我國現(xiàn)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(hù)結(jié)構(gòu)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(shí)也給生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染破壞。其中外窗節(jié)能改造擁有良好的適應(yīng)性和高科技材料的發(fā)展，實(shí)施外窗節(jié)能改造的既有建筑改造項(xiàng)目有很多，但是鮮有在經(jīng)濟(jì)和節(jié)能效果上均滿意的項(xiàng)目，甚至有些項(xiàng)目只是將概念和單一的節(jié)能窗產(chǎn)品進(jìn)行替換，根本達(dá)不到節(jié)能效果［3］。目前最常見的外窗節(jié)能改造方式就是將原有建筑的外窗用節(jié)能窗進(jìn)行替換，或者在原有外窗的外側(cè)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(diǎn)對比了不同外窗玻璃節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性，為了達(dá)到理想的效果，重點(diǎn)研究了施工時(shí)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(shè)計(jì)則是主要從更換新的窗戶進(jìn)行比較，通過比較不同物理性能，改造成本和最終的節(jié)能效果，綜合得出最經(jīng)濟(jì)最有效的優(yōu)化外窗節(jié)能改造方案。

3 武漢某教學(xué)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(qū)，需要同時(shí)考慮夏季的熱負(fù)荷和冬季的冷負(fù)荷，對節(jié)能設(shè)計(jì)和改造有較高的要求。該教學(xué)樓功能為某大學(xué)的建筑與城市規(guī)劃學(xué)院院樓。建筑為4層磚混結(jié)構(gòu)，層高3.6 m，建筑體型系數(shù)0.35。建筑內(nèi)部房間功能豐富，既有行政辦公室，又有專業(yè)的繪圖教室，還包括了實(shí)驗(yàn)室，圖書館以及報(bào)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(shù)為6.4 W/(m2·K)，遮陽系數(shù)Sc為0.93，窗墻面積比為0.35。在《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對于夏熱冬冷地區(qū)建筑外窗的要求為：0.3小于窗墻面積比0.4時(shí)，窗的傳熱系數(shù)應(yīng)不大于3.0 W/(m2·K)，在《武漢城市公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了外窗遮陽系數(shù)Sc不分地區(qū)均取0.80［5］，因此該建筑的外窗設(shè)計(jì)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(shù)［2］

通過對該建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的窗戶進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)改造，試圖探索在該建筑節(jié)能效率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，選擇最有效的優(yōu)化方案，并讓其經(jīng)濟(jì)效益最大化。通過文獻(xiàn)的研究我們發(fā)現(xiàn)，武漢屬于夏季有強(qiáng)烈太陽輻射的地區(qū)，太陽的得熱系數(shù)在建筑的冷負(fù)荷中占主導(dǎo)位置，所以在建筑節(jié)能外窗玻璃的選擇上，不能僅僅要求傳熱系數(shù)K，而要參考遮陽系數(shù)Sc的大小。假如遮陽系數(shù)Sc很大，那么將有大量的輻射熱會(huì)進(jìn)入室內(nèi)，這時(shí)低傳熱系數(shù)K反而會(huì)阻止向室外散熱，也就是說，在強(qiáng)輻射地區(qū)，玻璃或者材料的遮陽系數(shù)Sc優(yōu)先于傳熱系數(shù)K，這與一般地區(qū)強(qiáng)調(diào)傳熱系數(shù)K不一樣。建筑玻璃和外窗材料的選擇是一項(xiàng)綜合考量工作，除了節(jié)能性，同時(shí)還必須兼顧材料的安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)在滿足規(guī)范的前提下，找到一個(gè)平衡點(diǎn)，選用最適合目標(biāo)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(shù)K，同時(shí)遮陽系數(shù)Sc也很低，可以保持房間內(nèi)的可見光透過率，比較適合武漢的特點(diǎn)，然后再考慮其透光性。如果選用造價(jià)高的節(jié)能窗體有可能降低整體的性價(jià)比，甚至節(jié)能不節(jié)錢。針對本建筑而言，南向輻射最強(qiáng)，而東西向次之，北向最小可以近似于不考慮。規(guī)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(shù)Sc較低的Low-E玻璃窗;但是北向輻射低，窗墻比達(dá)到0.21，規(guī)范只要求K≤3.5 W/(m2·K)，如果采用普通中空玻璃能達(dá)到節(jié)能效果，同時(shí)可比全使用Low-E玻璃節(jié)省大量初投資。

表4 主要節(jié)能玻璃窗價(jià)格［6］

在表4中，由于真空玻璃與充惰性氣體中空玻璃在價(jià)格上浮動(dòng)較大，且節(jié)能效率相比中空玻璃和Low-E玻璃沒有明顯的優(yōu)勢能夠補(bǔ)償價(jià)格上的差距，因此本次節(jié)能設(shè)計(jì)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(jié)能效果的同時(shí)，又能夠在經(jīng)濟(jì)上最節(jié)約，更易于推廣使用。

4 改造方案經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能效果比較

4個(gè)方案比較見表5～表8。

表5 4個(gè)方案經(jīng)濟(jì)性對比

表6 中空玻璃窗和Low-E玻璃窗的節(jié)能效果

表7 各個(gè)方案節(jié)能效率和節(jié)能費(fèi)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(yōu)勢。方案1的回收年限雖然是最短的，但是它的節(jié)能效率卻是最小的。相比較下，方案4的節(jié)能效率最高，換算成電費(fèi)，也節(jié)約的最多，雖然在回收年限上不如方案1，但是我們還是認(rèn)為方案4是最優(yōu)方案。綜上所述，我們認(rèn)為方案4更加的合理和經(jīng)濟(jì)。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(jìn)行的是獨(dú)立的外窗改造，所以在整個(gè)建筑節(jié)能效率上忽略了其他因素的影響，最后的結(jié)果無法十分精確，在外窗節(jié)能效率和單價(jià)上也是參考當(dāng)前的經(jīng)驗(yàn)值，很可能在今后科技發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的情況下，會(huì)有所不同。但是我們作為一種單獨(dú)的節(jié)能設(shè)計(jì)改造的探索，還是具有一定的借鑒價(jià)值。

表8 各個(gè)方案最后節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)性比較

5 結(jié)論與建議

通過文獻(xiàn)資料的搜集和查閱，我們了解到了武漢地區(qū)既有建筑在節(jié)能改造上，特別是針對辦公建筑的外窗改造上，在南向窗應(yīng)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(jīng)濟(jì)同時(shí)又能滿足節(jié)能要求的改造方案。這才是我們現(xiàn)階段應(yīng)該大力推廣的建筑節(jié)能改造方法。本文僅從外窗改造方面進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和節(jié)能的計(jì)算，并沒有涉及到內(nèi)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(jié)能效果當(dāng)中的作用。當(dāng)然在真正的項(xiàng)目當(dāng)中，我們應(yīng)該把更多的因素考慮進(jìn)來，包括外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻，屋面，門;材料方面的費(fèi)用;以及在具體施工時(shí)的安裝人工費(fèi)用等，這樣或許得出來的結(jié)果更加可靠。作為一種新的快捷的節(jié)能設(shè)計(jì)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(jié)能改造研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

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

［3］ 王灃浩，王東洋，羅昔聯(lián).既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗模擬及節(jié)能分析［J］.建筑科學(xué)，2007(2)：22-26.

［4］ 何家禮.節(jié)能門窗的設(shè)計(jì)及其適用性研究［D］.長沙：長沙理工大學(xué)，2005.

［5］ DB 42/XXX-2008湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)，武漢城市居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］ 陳孚江.既有建筑節(jié)能技術(shù)優(yōu)化與評價(jià)方法研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.