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摘要：本文利用調研測試結果，設計出廣州地區典型的辦公樓建筑模型及其通風空調方案，針對目前常用的24種窗戶節能方案，利用美國能源部開發的DOE-2軟件對各方案進行建筑物全年的能耗計算。對比分析各方案的計算結果，定量分析了不同窗戶節能措施對建筑能耗的影響。結合辦公樓建筑的特點，提出了廣州地區該類建筑在外窗熱工性能、外窗遮陽方式以及窗墻比取值等方面的具體建議。

關鍵詞：辦公樓節能外窗遮陽窗墻比

1概述

辦公樓建筑規模大，室內人數多，照明量大，內部發熱量很大。在空調供冷期中，白天上述內部發熱量蓄積于圍護結構內，夜里室外氣溫下降，希望熱量向外排得越快越好；在過渡季節，內部發熱量的自然排放受阻也會使供冷時間延長。因此，在不考慮供暖、夏熱期又較長的廣州地區，辦公樓建筑圍護結構的保溫隔熱與放熱的平衡問題尤為重要。窗戶作為圍護結構保溫隔熱的薄弱部位，其處理就較為復雜。一方面，應把外窗視為放熱和減少辦公室照明負荷的部位，不宜過分絕熱和過分減小面積；另一方面，若不考慮窗戶的絕熱，夏季又會由窗戶向室內侵入大量的熱量（包括太陽直射得熱），從而增大供冷負荷，影響室內熱舒適度[1]。因此，必須根據該地區的氣候特點和辦公樓建筑的負荷特點，對外窗進行適度的節能設計。本文針對廣州地區辦公樓建筑的特點，利用美國能源部開發的DOE-2軟件進行建筑物全年的能耗計算，對模擬計算的結果分析比較，得出了該地區辦公樓建筑外窗節能設計的一些結論。

2建筑模型及計算方法選擇

2.1建筑模型

圖1廣州地區辦公樓建筑模型標準層

表1建筑模型圍護結構主要材料及熱工性能表單位：W/(m2•K)構件名稱

外墻

內墻

樓底地面

屋面

樓板

主要材料

鋼筋混凝土＋聚苯板內隔熱層

加氣

混凝土

混凝土

空氣層＋水泥爐渣＋空心樓板＋聚苯板隔熱層

鋼筋

混凝土

傳熱系數K

0.92

2.69

1.02

0.91

2.58

模型為一棟南北朝向的條形建筑，其標準層平面圖見圖1。該建筑共9層，地下一層，層高為4.8m；地上8層，層高為3m，總建筑面積約7803.84m2，體形系數約為0.31，南立面窗墻比為0.42。模型除窗戶以外的圍護結構傳熱系數參照文獻[2]及有關熱工節能設計標準設計，詳情見表1。

2.2計算基本條件

筆者對廣州地區近年來新建的具有代表性的10棟辦公大樓室內熱環境和空調運行狀況進行了實測和調查，并參照有關設計標準，確定出了典型的辦公樓建筑能耗計算的基本條件。

室內空調溫度26℃，冬季不采暖，編號為05～16的辦公室內平均換氣次數為1.5次/h，其余面積較大的辦公室換氣次數取1.2次/h，走道等輔助空間無空調。空調系統采用電制冷集中式制冷設備，機組額定能效比為3.5。空調設備運行時間定為：周一到周五上午7:30～11:30，下午2:30～5:30。擬定每間辦公室平均有兩人，每人散熱量為0.1kW；電腦兩臺，每臺電腦功率以0.2kW計算；辦公室內家具量為10.8kg/m2地板面積[3]。房間以自然采光為主，不考慮照明散熱，辦公設備每天開啟時間與工作時間一致。

3模擬與分析

3.1模擬方案及計算結果

窗戶結構和遮陽措施方案及其模擬計算結果見表2。表中，方案1～3旨在比較相同節能外圍護結構條件下，窗戶傳熱系數對建筑能耗的影響，在計算時，窗戶遮蔽系數SC均取值為0.9；方案4～25代表單層鋁合金普通玻璃窗采用不同遮陽方式的計算方案，旨在比較不同遮陽方式在空調季的節能效果。其中，方案1為基礎能耗，各方案的節能率是以方案1為基準算出的。節能率計算公式如下：

（1）

表2模擬方案及計算結果方案

編號

窗戶節能方案內容

年耗冷量

(kWh/m2)

年耗電量

(kWh/m2)

節能率

(%)

1

單層普通鋁合金窗，K=6.4W/(m2•K)

55.09

15.74

2

PVC框單層透明玻璃窗，K=4.7W/(m2•K)

55.99

16.00

1.63

3

鋁合金框雙層透明玻璃，K=2.3W/(m2•K)

•K)

59.03

16.86

7.15

4

淺色布簾活動內遮陽，SC=0.52

41.31

11.80

-25.01

5

中間色布簾活動內遮陽，SC=0.62

44.03

12.58

-20.08

6

熱反射鍍膜（銀色）遮陽，SC=0.23

24.75

7.07

-55.07

7

Low-E鍍膜（低SC值）遮陽，SC=0.35

29.70

8.48

-46.09

8

Low-E鍍膜（中SC值）遮陽，SC=0.46

34.46

9.85

-37.45

9

Low-E鍍膜（高SC值）遮陽，SC=0.6

40.78

11.65

-25.98

10

鋁制百頁卷簾活動外遮陽，透射率=0.09

29.13

8.32

-47.12

11

木制百頁卷簾活動外遮陽，透射率=0.12

20.99

6.00

-61.90

12

水平固定外遮陽，挑出0.5m

透射率=0.35

51.80

14.80

-5.97

13

透射率=0.7

54.19

15.48

-1.63

14

水平固定外遮陽，挑出1.5m，透射率

透射率=0.35

46.93

13.41

-14.81

15

透射率=0.7

51.86

14.82

-5.86

16

垂直固定外遮陽（突出墻面0.5m）

透射率=0.35

52.36

14.96

-4.96

17

透射率=0.7

53.76

15.36

-2.41

18

垂直固定外遮陽（突出墻面1.5m）

透射率=0.35

49.58

14.16

-10.00

19

透射率=0.7

52.40

14.97

-4.88

20

綜合固定外遮陽（水平0.5m，垂直0.5m）

透射率=0.35

46.52

13.29

-15.56

21

透射率=0.7

47.73

13.64

-13.36

22

綜合固定外遮陽（水平1.5m，垂直1.5m）

透射率=0.35

38.46

3.85

-30.19

23

透射率=0.7

40.74

3.61

-26.05

24

擋板固定外遮陽（距墻面0.1m）

透射率=0.35

35.37

10.11

-35.80

25

透射率=0.7

45.52

13.01

-17.37

注：表中窗戶傳熱系數K、遮陽系數SC和固定外遮陽物透射率的取值是綜合了各類書籍及廠家提供的資料，不同廠家產品的熱工性能會有些差別，此處僅作為計算取值，表中的SC值為窗戶總的SC值。

3.2結果分析

3.2.1窗戶傳熱系數對建筑能耗的影響

方案1～3的空調耗冷量與其對應的窗戶傳熱系數關系見圖2。從圖中可以看出，辦公樓建筑單位面積空調年耗冷量隨窗戶傳熱系數的降低而增加。這說明廣州地區在不改善除窗戶以外的其它外圍護結構熱工性能情況下，僅降低窗戶傳熱系數，不但不能降低辦公樓建筑夏季空調年耗冷量，反而因其阻礙了室內熱量的散發而使建筑的空調年耗冷量大于基礎建筑的年耗冷量，這時，就出現了所謂的“節能”窗戶不節能的情況。

3.2.2窗戶遮陽對辦公樓建筑能耗的影響

（1）活動遮陽對模型能耗的影響

計算結果表明，活動內遮陽措施（方案4、5）和活動外遮陽措施（方案10、11）能有效降低夏季空調耗冷量，節能率高達20%左右。特別是木制百頁卷簾外遮陽措施（方案11），能把太陽直射輻射阻擋在室外，同時還因具有較大的熱阻而有效地減少通過窗戶的溫差傳熱損失，因此空調年耗冷量節能率高達61.9%。而且，活動遮陽措施對建筑冬季室內熱環境幾乎不產生影響。

（2）玻璃鍍膜對模型能耗的影響

根據表2的計算結果，可以得出辦公樓模型空調年耗冷量節能率與遮蔽系數SC之間的關系，見圖3。從圖中可以看出，隨著窗戶SC值的降低，空調年耗冷量的節能率呈線性增長，由此可得出二者之間的線性回歸方程，見式（2）。

（2）

相關系數

式中，——單位面積空調年耗冷量節能率，%。

（3）固定外遮陽措施對建筑模型能耗的影響

方案12～25的計算結果表明，空調耗冷量節能率均隨固定遮陽物透射率的增大而減少，但不同遮陽形式對透射率的敏感程度不同。其中，擋板遮陽對透射率最敏感，當透射率從0.7減少至0.35，空調耗冷量節能率就增加了17.63個百分點；而透射率對綜合遮陽方式的節能率的影響最小。

另外，固定遮陽的方式對模型空調年耗冷量的影響也非常顯著。對于南向辦公樓建筑，擋板遮陽和綜合遮陽的節能效果較好；寬度為0.5m的垂直遮陽和水平遮陽的節能效果不甚理想，但相比而言，水平遮陽效果優于垂直遮陽。特別值得一提的是，綜合遮陽在方式上雖然是垂直遮陽和水平遮陽的疊加，但其夏季節能率卻大于后二者節能率的疊加。

同時，遮陽物的尺寸也是影響其遮陽效果的一個重要因素。遮陽物寬度從0.5m增大到1.5m時，水平遮陽、垂直遮陽和綜合遮陽方式的空調單位面積年耗冷量節能率均可增加1倍甚至更高。

3.2.3窗墻比對辦公樓建筑能耗的影響

改變建筑模型的朝向以及該朝向上窗戶和墻的面積，就可以分析不同朝向建筑能耗對窗墻比的敏感程度。由于窗戶遮蔽系數的降低對夏季空調耗冷量的節約效果非常明顯。模型在方案1和方案6～9的基礎上，分析其窗戶取不同遮蔽系數時，不同朝向的典型建筑模型在不同窗墻比下的能耗水平。圖4給出了建筑模型在不同朝向下，窗墻比（取值范圍為0.36～0.89）與辦公樓建筑單位面積空調年耗冷量的關系曲線。通過對各曲線的對比分析，可得出如下結論：

（1）不同朝向，窗墻比變化對建筑能耗的影響程度不同。相同SC值，東向窗墻比變化對建筑空調耗冷量的影響最明顯，其關系曲線斜率最大，然后依次為西向、南向和北向。

（2）相同朝向，不同遮蔽系數的窗戶，其窗墻比變化對建筑能耗的影響程度不同。遮蔽系數越低，窗墻比對建筑空調耗冷量的影響就越不明顯。

4結論

通過前面對模擬計算結果的分析，結合廣州地區的氣候特點和辦公樓建筑本身的特點，可以得到如下關于該地區窗戶節能的結論：

4.1采用單層鋁合金窗能滿足該地區辦公樓建筑在窗戶熱工性能方面的要求，盲目使用雙層玻璃窗或其它傳熱系數較低的窗戶既增大了投資，也無益于建筑節能。

4.2遮陽對廣州地區辦公樓建筑空調節能具有重大的意義，是實現窗戶節能目標的主要手段。其中活動外遮陽效果最好，且對冬季室內熱環境影響很小，但使用這種遮陽方式對建筑外觀影響較大，因此在現代辦公樓的遮陽中使用較少。在實際應用中，使用最廣的是玻璃鍍膜和活動內遮陽方式，即降低窗戶SC值的方式，但并非所有朝向的窗戶都是SC值越低越好。不同朝向推薦窗戶遮陽方式見表3。

表3不同朝向推薦窗戶遮陽方式朝向

推薦遮陽方式

南向

降低窗戶的SC值為主，如淺色布簾、中等SC值（0.4～0.6）的鍍膜玻璃等

西向

選用對太陽高度不敏感的遮陽措施，如低SC值（0.4以下）的鍍膜玻璃，如果建筑外觀允許，可選用活動外遮陽、擋板遮陽等方式。

北向

經濟條件不允許時，可不考慮北向窗戶的遮陽，如需要可選活動遮陽或水平（垂直）固定外遮陽方式。

東向

選用對太陽高度不敏感的遮陽措施，可選用中等或稍高SC值的鍍膜玻璃（如SC值為0.6的Low-E膜），其余同西向。

4.3模擬計算結果表明，廣州地區辦公樓建筑采暖能耗和空調能耗均隨窗墻比的增大而增大，因此，在滿足采光、通風的前提下，減小窗戶面積有利于該地區建筑節能。不同朝向、不同遮蔽系數下，窗墻比對建筑能耗的影響程度不同，應區別對待，詳見表4。

表4廣州地區辦公樓建筑窗墻比的確定朝向

窗墻比取值

南向

南向窗戶可適當增大面積，以滿足室內采光、通風要求和建筑在立面外觀造型上的要求，窗戶取中等SC值時，南立面窗墻比可在0.45～0.7之間取值；在對冬季熱環境要求不高時，可采用更低SC值的窗戶，此時南向窗戶面積就可不受上述范圍的限制。

東、西向

盡量避免這兩個朝向的開窗，需開窗時，在有遮陽措施的前提下其窗墻比應不大于0.4。

北向

采用遮陽措施的北向窗戶或對冬季室內熱環境要求不高的辦公樓建筑可適當放寬其窗戶面積的限制，但當無遮陽措施時，北向窗墻比應小于0.4。

參考文獻

[1]山田雅士著，景桂琴譯，建筑絕熱，北京：中國建筑工業出版社，1987

[2]中國建筑科學研究院，夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準，JGJ75－2003，北京：中國建筑工業出版社，2003

[3]趙志安，對辦公樓類型建筑物間歇空調設計負荷的簡化計算，空調負荷實用計算法，北京：中國建筑工業出版社，1989