外窗對建筑能耗綜合影響分析
——以黃山地區(qū)某辦公建筑為例

儲 蔚，徐 俊，王東紅，王 浩，胡浩威*

(1.安徽建筑大學(xué) 安徽省綠色建筑先進(jìn)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，安徽 合肥 238076；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，安徽 合肥 230026；4.安徽省建筑設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230002)

我國建筑能耗現(xiàn)在約占社會總能耗的40%以上，而空調(diào)能耗和采暖能耗約占到建筑總能耗的55%，降低制冷和采暖能耗能夠有效地降低建筑總能耗。圍護(hù)結(jié)構(gòu)是改善該部分能耗的主要影響因素，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中的重要部件外窗熱工性能較差，科學(xué)布置外窗對減少建筑能耗與改善建筑內(nèi)空氣質(zhì)量非常重要。值得注意的是，由于20世紀(jì)90年代我國城鎮(zhèn)化增速，辦公建筑數(shù)量增長加快，截止2019年底，全國辦公建筑存量達(dá)到全國公共建筑的30%以上，辦公建筑年耗電量占全國城鎮(zhèn)總耗電量的22%以上。由于技術(shù)原因，我國20世紀(jì)90年代建造的辦公建筑大多為非節(jié)能建筑，該類建筑使用時間長、能耗高，因此，既有辦公建筑節(jié)能改造迫在眉睫。

國內(nèi)外學(xué)者對外窗在整個建筑能耗中的影響做了一些研究。王燁[1]等分析了窗戶傳熱系數(shù)Kw、玻璃遮陽系數(shù)SC、窗墻比R在不同熱工分區(qū)辦公建筑總負(fù)荷指標(biāo)影響因素中的權(quán)重值；龍恩深[2]等分析了當(dāng)建筑體形系數(shù)不同時,窗墻面積比對全年空調(diào)與供暖冷熱耗量指標(biāo)的影響；簡毅文[3]等研究了在不同朝向下,窗墻比對建筑全年供暖能耗、空調(diào)能耗以及總能耗的影響規(guī)律；薛鵬[4]等研究了在不同外遮陽構(gòu)造形式及尺寸條件下，可同時滿足采光和節(jié)能需求的窗墻比取值范圍；戴紹斌[5]等分析了考慮窗戶自然采光時，夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑的綜合能耗隨著建筑窗墻比的變化而變化的規(guī)律；Elice[6]等通過使用工業(yè)建立的優(yōu)點數(shù)據(jù)來比較現(xiàn)有的窗口技術(shù)的熱性能，討論解決輻射、對流和傳導(dǎo)性傳熱的方法，如玻璃涂層，主動透光率控制，惰性氣體填充和熱中斷等；Li[7]等發(fā)現(xiàn)薄膜材料在透明玻璃上的熱性能優(yōu)于在有色玻璃或?qū)訅翰Ａ系臒嵝阅埽籝eom[8]等考慮工人的任務(wù)績效和辦公建筑的能耗確定了辦公樓的最佳窗墻比為東立面44.47%，南立面50.58%，西立面44.37%，北立面40.95%；Badeche[9]等采用參數(shù)化方法對冷熱節(jié)能潛力進(jìn)行了評價,研究確定了三種不同氣候區(qū)域優(yōu)化窗口過程中最突出的因素。

通過文獻(xiàn)調(diào)研，前人研究較少考慮將與窗戶有關(guān)的多個因素結(jié)合特定開窗通風(fēng)次數(shù)對辦公建筑能耗的綜合影響進(jìn)行對比。研究選取黃山市建設(shè)大廈的節(jié)能改造案例，運(yùn)用DeST-c建筑能耗模擬軟件，通過構(gòu)建建筑模型，添加特定參數(shù)和特定建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)等建筑特征，較為精確地預(yù)測建筑環(huán)境在沒有環(huán)境控制系統(tǒng)時和存在環(huán)境控制系統(tǒng)時可能出現(xiàn)的狀況，設(shè)定黃山市所在地區(qū)全年氣象條件，設(shè)置特定通風(fēng)次數(shù)，分析了窗墻比、窗戶朝向、窗戶傳熱系數(shù)與遮陽板形式、深度等對黃山市建設(shè)大廈全年空調(diào)、采暖能耗的影響因素。

1 研究模型

1.1 建筑幾何模型

使用DeST軟件，參照黃山市建設(shè)大廈的建筑數(shù)據(jù)建立幾何模型，模型立體結(jié)構(gòu)如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)層平面布局如圖2所示。由圖1、圖2可知，該建筑改造前南北窗墻比約為0.3，建筑地上13層，一層的層高為4.2 m，2～4層的層高為3.6 m，5～13層層高為3.3 m，總建筑高度為48.6 m(含設(shè)備層)，總建筑面積約為4 500 m2，體型系數(shù)為0.43，建筑使用人數(shù)約為200人。大樓屬于辦公建筑，按照各個房間的功能分為辦公大廳、辦公室、洗手間、走廊。調(diào)研黃山建設(shè)大廈節(jié)能改造前圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)資料，設(shè)定模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)如表1所示。

圖1 建筑模型示意圖 圖2 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

表1 模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)

1.2 熱工條件

選取黃山市地區(qū)典型氣象年數(shù)據(jù)作為氣象參數(shù)，全年各天室外干球溫度統(tǒng)計如圖3所示。結(jié)合黃山市實際氣候條件，在空調(diào)期晚上6點至次日早上8點室外溫度明顯下降，開窗通風(fēng)能夠降低室內(nèi)溫度，減輕夏季空調(diào)的負(fù)擔(dān)，故在此期間設(shè)定窗戶的通風(fēng)次數(shù)為4 次/h，其他的時間段設(shè)定為1 次/h。辦公大廳、辦公室設(shè)空調(diào)，洗手間、走廊不設(shè)空調(diào)。根據(jù)人體舒適度研究設(shè)定辦公室內(nèi)人的容忍溫度為16～29 ℃，相對濕度控制范圍為20%～80%，空調(diào)的控制溫度范圍為18～26 ℃。該地區(qū)采暖期為11月15日至次年3月15日，空調(diào)期為6月1日至9月30日。黃山市地區(qū)的采暖度日數(shù)為 1 537.99 ℃·d，空調(diào)度日數(shù)為110.68 ℃·d。室內(nèi)多種內(nèi)擾會對全年建筑總能耗有著一定的影響，大廈各房間內(nèi)擾設(shè)定如表2所示。

表2 模擬建筑房間內(nèi)擾參數(shù)

圖3 黃山全年干球溫度

1.3 參數(shù)選取

模擬研究了南北兩個朝向、0.2～0.6共5種窗墻比、5種外窗傳熱系數(shù)、兩種形式外遮陽在0～1 m共6種不同深度的變化等對辦公建筑采暖能耗、制冷能耗以及總能耗的影響規(guī)律。模擬黃山建設(shè)大廈節(jié)能改造前外窗采用的普通6 mm單層玻璃，節(jié)能改造后采用真空+鍍low-e膜玻璃，如表3所示。

2 模擬結(jié)果分析

依據(jù)《安徽省建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(夏熱冬冷地區(qū))》規(guī)定和現(xiàn)行辦公建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，黃山地區(qū)全年采暖單位面積能耗不得高于27.8 kW·h/(m2·a)，全年空調(diào)單位面積能耗不得高于24.1 kW·h/(m2·a)，全年單位面積總能耗不得高于 51.9 kW·h/(m2·a)。對黃山建設(shè)大廈改造前圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗現(xiàn)狀進(jìn)行模擬，結(jié)果為全年采暖單位面積的能耗為38.47 kW·h/(m2·a)，空調(diào)單位面積的能耗為30.89 kW·h/(m2·a)，全年單位面積總能耗為69.36 kW·h/(m2·a)。

改造前建筑能耗與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對比如圖4所示。由圖4可得，黃山建設(shè)大廈各項能耗指標(biāo)皆超過以上規(guī)定，且通過黃山市公共機(jī)構(gòu)能耗監(jiān)管平臺——遠(yuǎn)大物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺調(diào)研了實際電費繳費也與模擬結(jié)果較為相符。為響應(yīng)國家既有建筑節(jié)能改造的號召，黃山建設(shè)大廈節(jié)能改造勢在必行。研究從建筑外窗出發(fā)，探究外窗對該建筑各項能耗的影響規(guī)律。

圖4 改造前建筑能耗與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對比

2.1 北向模擬結(jié)果分析

5種工況下，保持南向窗墻比為0.3，北向窗墻比從0.2依次增長到0.6，分別進(jìn)行了30組模擬，記錄數(shù)據(jù)，各工況下該建筑全年的采暖能耗與空調(diào)能耗和該建筑北向外窗窗墻比關(guān)系如圖5、圖6所示。

圖5 北向采暖能耗 圖6 北向空調(diào)能耗

由圖6分析可知，5種工況的斜率k均大于0，故其全年空調(diào)能耗與北向窗墻比成正相關(guān)，這是由于北向窗墻比增大在夏天加大了室內(nèi)的冷量損失。工況E曲線在工況D上方，外窗傳熱系數(shù)的大小并不與建筑的全年空調(diào)能耗成正相關(guān)。主要是夏季室外太陽輻射能力強(qiáng)，而添加了low-e膜的工況D能有效減少室內(nèi)的太陽輻射得熱。雖然工況E的隔熱保溫性能較好，傳熱損失量較工況D低，但是其獲得的太陽輻射得熱量較工況D要多，其較工況D多的太陽輻射得熱量要多于其較D少的傳熱損失量，所以工況E能耗較工況D高。故挑選外窗時，傳熱系數(shù)并不是越小越節(jié)能。

2.2 南向模擬結(jié)果分析

5種工況下，保持北向窗墻比為0.3，南向窗墻比從0.2依次增長到0.6，分別進(jìn)行了30組模擬，記錄數(shù)據(jù)，各工況下該建筑全年的采暖能耗與空調(diào)能耗和該建筑南向外窗窗墻比關(guān)系如圖7、圖8所示。

從圖7的模擬結(jié)果可知，工況A的斜率k大于0，其他4種工況斜率k都小于0。故工況A全年采暖能耗與南向窗墻比成正相關(guān)，其他4種工況全年采暖能耗與南向窗墻比成負(fù)相關(guān)。說明工況A雖然窗墻比增大增加了太陽輻射得熱，但是由于A的傳熱系數(shù)較大，冬季其向外傳熱的傳熱損失量略大于冬季它的總輻射得熱量，所以其全年采暖能耗略有增加；而其他幾種材料的窗戶不管采取哪一種外窗形式，增大南向外窗的窗墻比都會使得全年采暖能耗降低。根本原因和A工況的情況相反，其他工況的傳熱系數(shù)較低，保溫性能較好，冬季它們能較好地阻止室內(nèi)熱量向外散失，還能因為增大了窗墻比增加了太陽輻射得熱，使得散失熱量小于得熱量，減小了采暖負(fù)擔(dān)，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖7 南向采暖能耗 圖8 南向空調(diào)能耗

5種工況下隨窗墻比增大采暖能耗減少量如圖9所示。從圖9能夠看出，工況A、B、C、D、E下的采暖能耗隨著窗墻比從0.2增到0.6分別下降了-2.66%、4.84%、9.84%、10.80%、12.96%，傳熱系數(shù)越小，下降幅度就越大，故南向外窗傳熱系數(shù)越小，對減少采暖能耗越有利。再次回溯圖8可知，工況E的曲線都在工況D的上方，說明工況E的空調(diào)能耗在各個窗墻比下都要高于工況D，表明并不是所有情況下傳熱系數(shù)越低越好。

圖9 5種工況下隨窗墻比增大采暖能耗減少量 圖10 南北向空調(diào)能耗增長量

5種工況下窗墻比從0.2增到0.6后空調(diào)能耗的增長量如圖10所示。由圖10可知，5種工況南向的均高于北向，分別高出了4.42%、19.10%、48.73%、18.81%、35.78%，南向窗墻比對空調(diào)能耗的影響程度大于北向。這是因為黃山市所在地區(qū)夏季時，北向外窗的太陽輻射遠(yuǎn)沒有南向強(qiáng)。

2.3 總能耗影響分析

5種工況下，保持南向窗墻比為0.3，北向窗墻比從0.2依次增長到0.6，模擬得到全年總能耗如圖11所示。保持北向窗墻比為0.3，南向窗墻比從0.2依次增長到0.6，模擬得到全年總能耗圖如圖12所示。

由圖11、圖12中曲線可得，5種工況曲線的斜率均大于零，全年總能耗均與窗墻比成正相關(guān)，且兩個朝向均如此，其中傳熱系數(shù)的大小對總能耗的高低有著較大的影響。因為隨著窗墻比的增大，冬季太陽輻射得熱量的增加量帶來的采暖能耗減少量遠(yuǎn)小于夏季太陽輻射得熱量帶來的空調(diào)能耗增加量，于是就有無論哪種工況下總能耗都是與窗墻比成正相關(guān)。

圖11 北向全年累計總能耗 圖12 南向全年累計總能耗

2.4 外遮陽板對總能耗的影響分析

通過以上南北向模擬結(jié)果表明的建筑全年空調(diào)能耗都與窗墻比成正相關(guān)，增大窗墻比對降低空調(diào)能耗不利，但是南向窗墻比增大在冬季會降低采暖能耗。夏季減少南向外窗太陽輻射得熱，冬季增加太陽輻射得熱能夠很好地減少建筑總能耗，還能夠有效提高室內(nèi)空氣質(zhì)量和自然采光，變得更加美觀。在南向外窗設(shè)置外遮陽能夠有效地解決上述問題，達(dá)到減少建筑總能耗的目的。設(shè)定南北向窗墻比均為0.3，北向不設(shè)置外遮陽，南向設(shè)置，探究外遮陽在不同工況下對該辦公建筑全年總能耗的影響規(guī)律，并做出生命周期經(jīng)濟(jì)分析，給出合理化外遮陽形式與深度。

如何從建筑原材料的獲取、運(yùn)輸、安裝，建筑系統(tǒng)的建造及建成后的使用過程等各個環(huán)節(jié)，實行以能源消耗最小化、效益最大化的全過程控制，是能效管理很重要的一個方面[10]。通過模擬計算兩種遮陽方式及遮陽板深度，配合5種不同工況的全生命周期費用，統(tǒng)計如下。模擬設(shè)定水平外遮陽，通過計算得到數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖13所示。由圖13可知，全年總能耗與垂直遮陽板的深度成負(fù)相關(guān)，且外窗傳熱系數(shù)越低全年建筑總能耗就越低。模擬設(shè)定垂直外遮陽，通過計算得到數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖14所示。由圖14可知，全年總能耗與垂直遮陽板的深度也成負(fù)相關(guān)，在相同遮陽板深度，相同窗戶玻璃工況時垂直遮陽板的節(jié)能效果較水平遮陽板要差。

圖13 總能耗與南向水平遮陽關(guān)系 圖14 總能耗與南向垂直遮陽關(guān)系

在工況A下水平、垂直遮陽板深度與其全生命周期費用的模擬數(shù)據(jù)如表4、表5所示。通過表4、表5可以看出，兩種遮陽方式生命周期費用隨著遮陽板深度增加而減少。且通過分析可知，雖然深度1 m時生命周期費用最低，但在選擇外遮陽時應(yīng)綜合考慮外遮陽的美觀、采光效果、通風(fēng)效果、經(jīng)濟(jì)效益等，所以外遮陽深度不宜過高，應(yīng)采用0.8 m深度。故同樣采用0.8 m深度外遮陽時，探究不同工況的全生命周期費用與外遮陽形式關(guān)系，通過模擬統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表6、表7所示。

表4 工況A下水平遮陽板深度與生命周期費用

表5 工況A下垂直遮陽板深度與生命周期費用

表6 水平遮陽板在5種工況下生命周期費用

表7 垂直遮陽板在5種工況下生命周期費用

由表6、表7可知，在同種工況時，水平遮陽板的生命周期費用均比垂直遮陽板低，故建議黃山市所在地區(qū)節(jié)能改造采用水平遮陽的方式。在采用水平遮陽板時，5種工況中工況D的費用最低，相對于A、B、C、E分別節(jié)約了4.09 萬元、3.03 萬元、1.22 萬元、0.32 萬元。

無遮陽與設(shè)0.8 m深度遮陽總能耗對比如圖15所示。從圖15能夠得出，采用0.8 m深度水平遮陽板時，在5種不同傳熱系數(shù)外窗下的全年總能耗比不設(shè)置水平遮陽板全年總能耗依次降低了3.33%、4.37%、6.91%、8.94%、7.58%。可以看出南向外窗外采用水平遮陽板能夠達(dá)到較好的節(jié)能效果，且工況D的節(jié)能效果與經(jīng)濟(jì)效益最佳。

圖15 無遮陽與設(shè)0.8 m深度遮陽總能耗對比 圖16 改造后建筑能耗與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對比

模擬黃山建設(shè)大廈改造后采用工況D，真空+鍍low-e膜玻璃，增大南向窗墻比到0.5,以保證自然采光、通風(fēng)及美觀，增加0.8 m深度水平遮陽板和窗簾遮陽等減少太陽輻射，模擬結(jié)果表明全年采暖能耗為25.36 kW·h/(m2·a)，空調(diào)能耗為22.74 kW·h/(m2·a) ，全年總能耗為48.1 kW·h/(m2·a)。改造后建筑能耗與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對比如圖16所示。由圖16可知，模擬黃山建設(shè)大廈節(jié)能改造后，全年單位面積采暖能耗約降低了34.08%，全年單位面積空調(diào)能耗約降低了26.38%，全年單位面積總能耗約降低了30.65%。

3 結(jié)論

黃山建設(shè)大廈南北向的窗墻比均與全年空調(diào)能耗成正相關(guān)，5種工況下的空調(diào)能耗隨窗墻比增大而增長的量，南向比北向分別高出了4.42%、19.10%、48.73%、18.81%、35.78%，故該地區(qū)南向窗墻比對空調(diào)能耗的影響較北向大。該建筑全年采暖能耗與南向窗墻比成負(fù)相關(guān)，北向窗墻比對冬季采暖能耗影響較南向小。建筑總能耗均與窗墻比成正相關(guān)，故在保證采光、通風(fēng)與美觀時該地區(qū)既有建筑節(jié)能改造應(yīng)盡可能少的擴(kuò)大窗墻比。

水平遮陽無論是從節(jié)能效果還是全生命周期費用方面都要優(yōu)于垂直遮陽，其深度與建筑總能耗成負(fù)相關(guān)，故在綜合考慮成本和辦公室采光的條件下，黃山地區(qū)既有辦公建筑節(jié)能改造時應(yīng)最大化增加遮陽板深度。模擬黃山建設(shè)大廈南向窗墻比采用0.5能夠有效地保證建筑的通風(fēng)和采光，設(shè)置較低傳熱系數(shù)的真空+鍍low-e膜玻璃，增加0.8 m深度的水平遮陽板與窗簾遮陽等使得其全年單位面積采暖能耗、空調(diào)能耗、總能耗較改造前分別降低了34.08%、26.38%、30.65%。

0.8 m深度水平遮陽、垂直遮陽在全生命周期費用模擬中，水平遮陽的工況D比傳熱系數(shù)較低的工況E低1.22 萬元，垂直遮陽的工況D比傳熱系數(shù)較低的工況E低0.49 萬元，雖然較低傳熱系數(shù)的外窗能夠有效地降低建筑的總能耗，但是選擇時應(yīng)考慮成本、鍍膜層效果、太陽輻射得熱量多少等，并不是傳熱系數(shù)越低效果就越好。