陈明群 吴祥生 郑志勇 夏江平
摘要： 本文利用调研测试结果，设计出广州地区典型的办公楼建筑模型及其通风空调方案，针对目前常用的24种窗户节能方案，利用美国能源部开发的DOE-2软件对各方案进行建筑物全年的能耗计算。对比分析各方案的计算结果，定量分析了不同窗户节能措施对建筑能耗的影响。结合办公楼建筑的特点，提出了广州地区该类建筑在外窗热工性能、外窗遮阳方式以及窗墙比取值等方面的具体建议。
关键词： 办公楼 节能 外窗 遮阳 窗墙比
1 概述
办公楼建筑规模大，室内人数多，照明量大，内部发热量很大。在空调供冷期中，白天上述内部发热量蓄积于围护结构内，夜里室外气温下降，希望热量向外排得越快越好；在过渡季节，内部发热量的自然排放受阻也会使供冷时间延长。因此，在不考虑供暖、夏热期又较长的广州地区，办公楼建筑围护结构的保温隔热与放热的平衡问题尤为重要。窗户作为围护结构保温隔热的薄弱部位，其处理就较为复杂。一方面，应把外窗视为放热和减少办公室照明负荷的部位，不宜过分绝热和过分减小面积；另一方面，若不考虑窗户的绝热，夏季又会由窗户向室内侵入大量的热量（包括太阳直射得热），从而增大供冷负荷，影响室内热舒适度[1]。因此，必须根据该地区的气候特点和办公楼建筑的负荷特点，对外窗进行适度的节能设计。本文针对广州地区办公楼建筑的特点，利用美国能源部开发的DOE-2软件进行建筑物全年的能耗计算，对模拟计算的结果分析比较，得出了该地区办公楼建筑外窗节能设计的一些结论。
2 建筑模型及计算方法选择
2.1 建筑模型
图1 广州地区办公楼建筑模型标准层
表1 建筑模型围护结构主要材料及热工性能表单位：W/(m
2•K)
构件名称 | 外墙 | 内墙 | 楼底地面 | 屋面 | 楼板 |
主要材料 | 钢筋混凝土＋聚苯板内隔热层 | 加气 混凝土 | 混凝土 | 空气层＋水泥炉渣＋空心楼板＋聚苯板隔热层 | 钢筋 混凝土 |
传热系数K | 0.92 | 2.69 | 1.02 | 0.91 | 2.58 |
模型为一栋南北朝向的条形建筑，其标准层平面图见图1。该建筑共9层，地下一层，层高为4.8m；地上8层，层高为3m，总建筑面积约7803.84m2，体形系数约为0.31，南立面窗墙比为0.42。模型除窗户以外的围护结构传热系数参照文献[2]及有关热工节能设计标准设计，详情见表1。
2.2 计算基本条件
笔者对广州地区近年来新建的具有代表性的10栋办公大楼室内热环境和空调运行状况进行了实测和调查，并参照有关设计标准，确定出了典型的办公楼建筑能耗计算的基本条件。
室内空调温度26℃，冬季不采暖，编号为05～16的办公室内平均换气次数为1.5次/h，其余面积较大的办公室换气次数取1.2次/h，走道等辅助空间无空调。空调系统采用电制冷集中式制冷设备，机组额定能效比为3.5。空调设备运行时间定为：周一到周五上午7:30～11:30，下午2:30～5:30。拟定每间办公室平均有两人，每人散热量为0.1kW；电脑两台，每台电脑功率以0.2kW计算；办公室内家具量为10.8kg/m2地板面积[3]。房间以自然采光为主，不考虑照明散热，办公设备每天开启时间与工作时间一致。
3 模拟与分析
3.1 模拟方案及计算结果
窗户结构和遮阳措施方案及其模拟计算结果见表2。表中，方案1～3旨在比较相同节能外围护结构条件下，窗户传热系数对建筑能耗的影响，在计算时，窗户遮蔽系数SC均取值为0.9；方案4～25代表单层铝合金普通玻璃窗采用不同遮阳方式的计算方案，旨在比较不同遮阳方式在空调季的节能效果。其中，方案1为基础能耗，各方案的节能率是以方案1为基准算出的。节能率计算公式如下：
（1）
表2 模拟方案及计算结果
方案 编号 | 窗户节能方案内容 | 年耗冷量 (kWh/m2) | 年耗电量 (kWh/m2) | 节能率 (%) |
1 | 单层普通铝合金窗，K=6.4 W/(m2•K) | 55.09 | 15.74 | 0 |
2 | PVC框单层透明玻璃窗，K=4.7 W/(m2•K) | 55.99 | 16.00 | 1.63 |
3 | 铝合金框双层透明玻璃，K=2.3 W/(m2•K) •K) | 59.03 | 16.86 | 7.15 |
4 | 浅色布帘活动内遮阳，SC=0.52 | 41.31 | 11.80 | -25.01 |
5 | 中间色布帘活动内遮阳，SC=0.62 | 44.03 | 12.58 | -20.08 |
6 | 热反射镀膜（银色）遮阳，SC=0.23 | 24.75 | 7.07 | -55.07 |
7 | Low-E镀膜（低SC值）遮阳，SC=0.35 | 29.70 | 8.48 | -46.09 |
8 | Low-E镀膜（中SC值）遮阳，SC=0.46 | 34.46 | 9.85 | -37.45 |
9 | Low-E镀膜（高SC值）遮阳，SC=0.6 | 40.78 | 11.65 | -25.98 |
10 | 铝制百页卷帘活动外遮阳，透射率=0.09 | 29.13 | 8.32 | -47.12 |
11 | 木制百页卷帘活动外遮阳，透射率=0.12 | 20.99 | 6.00 | -61.90 |
12 | 水平固定外遮阳，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 | 水平固定外遮阳，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 | 垂直固定外遮阳（突出墙面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 | 垂直固定外遮阳（突出墙面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 | 综合固定外遮阳（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 | 综合固定外遮阳（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 | 挡板固定外遮阳（距墙面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：表中窗户传热系数K、遮阳系数SC和固定外遮阳物透射率的取值是综合了各类书籍及厂家提供的资料，不同厂家产品的热工性能会有些差别，此处仅作为计算取值，表中的SC值为窗户总的SC值。
3.2 结果分析
3.2.1 窗户传热系数对建筑能耗的影响
方案1～3的空调耗冷量与其对应的窗户传热系数关系见图2。从图中可以看出，办公楼建筑单位面积空调年耗冷量随窗户传热系数的降低而增加。这说明广州地区在不改善除窗户以外的其它外围护结构热工性能情况下，仅降低窗户传热系数，不但不能降低办公楼建筑夏季空调年耗冷量，反而因其阻碍了室内热量的散发而使建筑的空调年耗冷量大于基础建筑的年耗冷量，这时，就出现了所谓的“节能”窗户不节能的情况。
3.2.2 窗户遮阳对办公楼建筑能耗的影响
（1）活动遮阳对模型能耗的影响
计算结果表明，活动内遮阳措施（方案4、5）和活动外遮阳措施（方案10、11）能有效降低夏季空调耗冷量，节能率高达20%左右。特别是木制百页卷帘外遮阳措施（方案11），能把太阳直射辐射阻挡在室外，同时还因具有较大的热阻而有效地减少通过窗户的温差传热损失，因此空调年耗冷量节能率高达61.9%。而且，活动遮阳措施对建筑冬季室内热环境几乎不产生影响。
（2）玻璃镀膜对模型能耗的影响
根据表2的计算结果，可以得出办公楼模型空调年耗冷量节能率与遮蔽系数SC之间的关系，见图3。从图中可以看出，随着窗户SC值的降低，空调年耗冷量的节能率呈线性增长，由此可得出二者之间的线性回归方程，见式（2）。
（2）
相关系数
式中，
——单位面积空调年耗冷量节能率，%。
（3）固定外遮阳措施对建筑模型能耗的影响
方案12～25的计算结果表明，空调耗冷量节能率均随固定遮阳物透射率的增大而减少，但不同遮阳形式对透射率的敏感程度不同。其中，挡板遮阳对透射率最敏感，当透射率从0.7减少至0.35，空调耗冷量节能率就增加了17.63个百分点；而透射率对综合遮阳方式的节能率的影响最小。
另外，固定遮阳的方式对模型空调年耗冷量的影响也非常显著。对于南向办公楼建筑，挡板遮阳和综合遮阳的节能效果较好；宽度为0.5m的垂直遮阳和水平遮阳的节能效果不甚理想，但相比而言，水平遮阳效果优于垂直遮阳。特别值得一提的是，综合遮阳在方式上虽然是垂直遮阳和水平遮阳的叠加，但其夏季节能率却大于后二者节能率的叠加。
同时，遮阳物的尺寸也是影响其遮阳效果的一个重要因素。遮阳物宽度从0.5m增大到1.5m时，水平遮阳、垂直遮阳和综合遮阳方式的空调单位面积年耗冷量节能率均可增加1倍甚至更高。
3.2.3 窗墙比对办公楼建筑能耗的影响
图4 典型办公楼建筑空调耗冷量与窗墙比关系曲线
改变建筑模型的朝向以及该朝向上窗户和墙的面积，就可以分析不同朝向建筑能耗对窗墙比的敏感程度。由于窗户遮蔽系数的降低对夏季空调耗冷量的节约效果非常明显。模型在方案1和方案6～9的基础上，分析其窗户取不同遮蔽系数时，不同朝向的典型建筑模型在不同窗墙比下的能耗水平。图4给出了建筑模型在不同朝向下，窗墙比（取值范围为0.36～0.89）与办公楼建筑单位面积空调年耗冷量的关系曲线。通过对各曲线的对比分析，可得出如下结论：
（1）不同朝向，窗墙比变化对建筑能耗的影响程度不同。相同SC值，东向窗墙比变化对建筑空调耗冷量的影响最明显，其关系曲线斜率最大，然后依次为西向、南向和北向。
（2）相同朝向，不同遮蔽系数的窗户，其窗墙比变化对建筑能耗的影响程度不同。遮蔽系数越低，窗墙比对建筑空调耗冷量的影响就越不明显。
4 结论
通过前面对模拟计算结果的分析，结合广州地区的气候特点和办公楼建筑本身的特点，可以得到如下关于该地区窗户节能的结论：
4.1 采用单层铝合金窗能满足该地区办公楼建筑在窗户热工性能方面的要求，盲目使用双层玻璃窗或其它传热系数较低的窗户既增大了投资，也无益于建筑节能。
4.2 遮阳对广州地区办公楼建筑空调节能具有重大的意义，是实现窗户节能目标的主要手段。其中活动外遮阳效果最好，且对冬季室内热环境影响很小，但使用这种遮阳方式对建筑外观影响较大，因此在现代办公楼的遮阳中使用较少。在实际应用中，使用最广的是玻璃镀膜和活动内遮阳方式，即降低窗户SC值的方式，但并非所有朝向的窗户都是SC值越低越好。不同朝向推荐窗户遮阳方式见表3。
表3 不同朝向推荐窗户遮阳方式
朝向 | 推荐遮阳方式 |
南向 | 降低窗户的SC值为主，如浅色布帘、中等SC值（0.4～0.6）的镀膜玻璃等 |
西向 | 选用对太阳高度不敏感的遮阳措施，如低SC值（0.4以下）的镀膜玻璃，如果建筑外观允许，可选用活动外遮阳、挡板遮阳等方式。 |
北向 | 经济条件不允许时，可不考虑北向窗户的遮阳，如需要可选活动遮阳或水平（垂直）固定外遮阳方式。 |
东向 | 选用对太阳高度不敏感的遮阳措施，可选用中等或稍高SC值的镀膜玻璃（如SC值为0.6的Low-E膜），其余同西向。 |
4.3 模拟计算结果表明，广州地区办公楼建筑采暖能耗和空调能耗均随窗墙比的增大而增大，因此，在满足采光、通风的前提下，减小窗户面积有利于该地区建筑节能。不同朝向、不同遮蔽系数下，窗墙比对建筑能耗的影响程度不同，应区别对待，详见表4。
表4 广州地区办公楼建筑窗墙比的确定
朝向 | 窗墙比取值 |
南向 | 南向窗户可适当增大面积，以满足室内采光、通风要求和建筑在立面外观造型上的要求，窗户取中等SC值时，南立面窗墙比可在0.45～0.7之间取值；在对冬季热环境要求不高时，可采用更低SC值的窗户，此时南向窗户面积就可不受上述范围的限制。 |
东、西向 | 尽量避免这两个朝向的开窗，需开窗时，在有遮阳措施的前提下其窗墙比应不大于0.4。 |
北向 | 采用遮阳措施的北向窗户或对冬季室内热环境要求不高的办公楼建筑可适当放宽其窗户面积的限制，但当无遮阳措施时，北向窗墙比应小于0.4。 |
[1] 山田雅士著，景桂琴译，建筑绝热，北京：中国建筑工业出版社， 1987
[2] 中国建筑科学研究院，夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准，JGJ 75－2003，北京：中国建筑工业出版社，2003
[3] 赵志安，对办公楼类型建筑物间歇空调设计负荷的简化计算，空调负荷实用计算法，北京：中国建筑工业出版社，1989
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