夏熱冬冷地區(qū)既有公共建筑窗戶節(jié)能改造技術(shù)優(yōu)化★

祁少明 徐夢杰 葛子豪 張 帥

(常州工學(xué)院，江蘇 常州 213002)

夏熱冬冷地區(qū)既有公共建筑窗戶節(jié)能改造技術(shù)優(yōu)化★

祁少明 徐夢杰 葛子豪 張 帥

(常州工學(xué)院，江蘇 常州 213002)

選取夏熱冬冷地區(qū)的一棟辦公樓作為研究對象，通過DeST-C軟件，模擬了窗玻璃型材、窗戶遮陽方式等外窗節(jié)能改造技術(shù)的建筑能耗狀況，得出該區(qū)既有建筑節(jié)能改造更換窗戶時不僅應(yīng)考慮窗戶的傳熱系數(shù)，而且要考慮選用小的太陽得熱系數(shù)；南向不宜出挑深度大的水平遮陽板；宜選擇3片～4片深度為300 mm～450 mm的水平百葉遮陽。

夏熱冬冷地區(qū)，既有公共建筑，窗戶，節(jié)能改造

0 引言

我國既有非節(jié)能公共建筑數(shù)量大，運(yùn)行能耗高，節(jié)能改造迫在眉睫。公共建筑中，尤其是辦公樓、賓館、商場等建筑，占全年能耗的50%～60%用于空調(diào)制冷和采暖系統(tǒng)[1]。夏熱冬冷地區(qū)的既有公共建筑主要對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，但保溫隔熱性能先天不足的圍護(hù)結(jié)構(gòu)必然會導(dǎo)致能耗大幅度升高[2]。外窗是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，大部分公共建筑窗墻面積比大，窗戶的能耗損失占整個圍護(hù)結(jié)構(gòu)的50%左右，外窗的節(jié)能改造不僅可以降低建筑能耗，而且改造施工最為便捷。所以，外窗的節(jié)能改造是公共建筑節(jié)能改造的重點(diǎn)[3]。節(jié)能改造技術(shù)應(yīng)具有季節(jié)應(yīng)變性，夏熱冬冷地區(qū)的大型公共建筑節(jié)能改造，不能生搬寒冷地區(qū)的改造方案和技術(shù)措施，需要研究因地制宜的節(jié)能改造措施[4]。

1 研究對象及計(jì)算輸入?yún)?shù)

1.1 研究對象概況

選擇夏熱冬冷地區(qū)代表性城市南京，以一棟辦公建筑作為研究對象，該辦公樓主體3層，局部4層，層高3.0 m～3.6 m，采暖制冷建筑面積1 316.7 m2，主要功能為辦公，設(shè)有6個會議室。辦公樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造做法及熱工參數(shù)見表1。

表1 辦公樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法及熱工參數(shù) W/(m2·K)

1.2 輸入?yún)?shù)

研究對象所處地理位置為：北緯32°，東經(jīng)118.8°。DeST-C模擬軟件的各類房間內(nèi)擾設(shè)置的默認(rèn)值是以大量調(diào)查為基礎(chǔ)的，較符合正常相應(yīng)建筑運(yùn)行狀況，本文模擬計(jì)算輸入內(nèi)擾參數(shù)選取默認(rèn)值。

2 窗戶玻璃及型材對建筑能耗的影響

選取包括研究對象已采用的普通6 mm單玻窗共七種窗戶進(jìn)行建筑冷熱負(fù)荷及總負(fù)荷模擬，分析不同類型窗戶的節(jié)能率，得出夏熱冬冷地區(qū)既有公共建筑更換窗戶節(jié)能改造適宜的措施。幾種窗戶類型的參數(shù)見表2。根據(jù)GB 50189—2015公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定：SHGC=SC×0.87[5]。

表2 不同類型窗戶的參數(shù)

研究對象的不同類型窗戶模擬結(jié)果如圖1所示，全年總節(jié)能率如圖2所示。其中節(jié)能率為：

(1)

其中，α為節(jié)能率；q1為編號1窗戶的總負(fù)荷指標(biāo)，W/m2；qi為編號為i窗戶的總負(fù)荷指標(biāo)，W/m2，i=2，3，…，7。

從圖1和圖2可以看出：

1)夏熱冬冷地區(qū)建筑的空調(diào)季冷負(fù)荷指標(biāo)遠(yuǎn)大于采暖季熱負(fù)荷指標(biāo)，即該區(qū)的能耗主要用于夏季空調(diào)制冷；

2)在窗戶的遮陽系數(shù)和太陽得熱系數(shù)接近的情況下，隨著窗戶傳熱系數(shù)的減小，建筑采暖季熱負(fù)荷指標(biāo)逐漸減小，建筑空調(diào)季冷負(fù)荷指標(biāo)逐漸增大，但建筑全年總負(fù)荷指標(biāo)逐漸減小，幾種窗戶的總負(fù)荷由55.18 W/m2降到48 W/m2，全年節(jié)能率達(dá)到13.5%，即夏熱冬冷地區(qū)的窗戶宜選擇傳熱系數(shù)小的窗戶；

3)窗戶的傳熱系數(shù)相等(編號4和編號5均為2.8 W/(m2·K)，但窗戶的太陽得熱系數(shù)不同(編號4和編號5分別為0.696和0.522)，導(dǎo)致建筑采暖季熱負(fù)荷指標(biāo)增加了1.22 W/m2，建筑空調(diào)季冷負(fù)荷指標(biāo)減小1.68 W/m2，說明夏熱冬冷地區(qū)窗戶的太陽得熱系數(shù)對建筑夏季制冷負(fù)荷影響較大，該區(qū)宜選擇太陽得熱系數(shù)小的窗戶；

4)編號4和編號6的窗戶相比，雖然傳熱系數(shù)降低僅為0.4 W/m2，由于太陽得熱系數(shù)降低，總的節(jié)能效果明顯，全年總節(jié)能率由10.1%上升為12.8%，上升了2.7%；而編號6和編號7的窗戶相比，傳熱系數(shù)降低為0.7 W/m2，但由于太陽得熱系數(shù)升高，全年總節(jié)能率由12.8%上升為13.5%，上升僅為0.7%。說明夏熱冬冷地區(qū)的窗戶不宜一味降低傳熱系數(shù)，要同時考慮選擇太陽得熱系數(shù)小的窗戶。

3 窗戶設(shè)置遮陽對建筑能耗的影響

窗戶遮陽是夏熱冬冷地區(qū)夏季隔熱的主要措施之一。在既有辦公建筑節(jié)能改造中，由于建筑北向窗口沒有太陽輻射直接得熱，研究對象東西向窗洞口面積所占比例小，所以，本次模擬不考慮北向和東西向窗口遮陽改造。以水平形式遮陽為例，分析南向窗口的遮陽對建筑能耗的影響。

3.1 水平遮陽板出挑深度的影響

1)水平遮陽板不同出挑深度的外遮陽系數(shù)。根據(jù)JGJ 134—2010夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算式[6]：

SD=ax2+bx+1

(2)

x=A/B

(3)

其中，SD為外遮陽系數(shù)；A，B分別為水平遮陽板出挑深度、遮陽板距窗臺的高度；a，b均為外遮陽系數(shù)計(jì)算用的擬合系數(shù)。

計(jì)算水平遮陽不同出挑深度的外遮陽系數(shù)SD見表3。其中，窗戶高度B=1 800 mm，外遮陽系數(shù)計(jì)算用的擬合系數(shù)a=0.50，b=-0.80[6]。同時計(jì)算研究建筑外窗夏季綜合遮陽系數(shù)SCw和太陽得熱系數(shù)SHGC。

表3 不同出挑深度水平遮陽的遮陽參數(shù)

2)不同出挑深度水平遮陽板的建筑能耗。選擇遮陽板出挑深度為300 mm，450 mm，600 mm，800 mm，1 000 mm，1 200 mm六種情況與無遮陽情況相比較。模擬結(jié)果見圖3和圖4。

從圖3和圖4可以看出：a.隨著遮陽板出挑深度的增大，由于遮擋太陽輻射得熱使建筑采暖季熱負(fù)荷增加，而建筑空調(diào)季冷負(fù)荷減小，建筑總負(fù)荷減小，說明設(shè)置遮陽對建筑節(jié)能有利；b.由于增加水平遮陽板使太陽得熱系數(shù)降低幅度小，水平遮陽板出挑從300 mm增加到1 200 mm，太陽得熱系數(shù)從0.65降低到0.51，全年總節(jié)能率從0.8%上升到4.13%，說明夏熱冬冷地區(qū)建筑不宜出挑大深度的水平遮陽板。

3.2 水平百葉遮陽形式的影響

根據(jù)JGJ 134—2010夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，外遮陽系數(shù)計(jì)算用的擬合系數(shù)：固定水平百葉遮陽a=0.50，b=-1.20；活動水平百葉遮陽冬季為a=0.03，b=-0.47，夏季為a=0.79，b=-1.40[6]。考慮結(jié)構(gòu)的合理性、立面的美觀性、經(jīng)濟(jì)性等，百葉設(shè)置A=300 mm，B=300 mm。利用式(2)，式(3)，計(jì)算百葉遮陽的外遮陽系數(shù)SD(如表4所示)。同時計(jì)算研究建筑外窗夏季綜合遮陽系數(shù)SCw和太陽得熱系數(shù)SHGC。

表4 水平百葉遮陽的遮陽參數(shù)

選擇水平百葉的片數(shù)分別為2片～6片，百葉間距300 mm，與無遮陽情況能耗模擬結(jié)果比較見圖5和圖6。

由圖5和圖6可以看出：

1)隨著水平百葉片數(shù)的增加，由于百葉深度較小且冬季百葉全部打開，遮擋太陽輻射得熱使建筑采暖季熱負(fù)荷增加量很小，增加量僅為1.35%以下，而建筑空調(diào)季冷負(fù)荷減小量較大，減少量最大達(dá)15.13%，全年總負(fù)荷節(jié)能率最大為10.8%，說明設(shè)置百葉遮陽對建筑夏季空調(diào)節(jié)能有利；

2)百葉片數(shù)增加到4片以上，節(jié)能率變化趨勢平緩，說明夏熱冬冷地區(qū)公建節(jié)能改造中不宜一味增加百葉片數(shù)，考慮窗戶的高度設(shè)置3片～4片比較合適。

4 窗戶改造后的建筑能耗

根據(jù)上述的分析，對研究的辦公樓窗戶進(jìn)行改造，窗戶選擇斷熱鋁合金Low-E中空玻璃(6+12A+6)，其傳熱系數(shù)為2.8 W/(m2·K)，設(shè)置深度為300 mm，間距為300 mm，4片鋁合金活動水平遮陽。模擬改造后的建筑能耗見表5。改造后的建筑夏季空調(diào)冷負(fù)荷由改造前的41.65 W/m2降低到33.26 W/m2，冬季采暖熱負(fù)荷由14.83 W/m2降低到11.86 W/m2，全年節(jié)能率達(dá)20.11%，節(jié)能效果明顯。

表5 改造前后建筑能耗指標(biāo)和節(jié)能率

5 結(jié)語

1)對于窗墻面積比大的既有公共建筑節(jié)能改造，選擇更換窗戶和加設(shè)遮陽的措施節(jié)能效果明顯。

2)夏熱冬冷地區(qū)既有公共建筑節(jié)能改造，窗戶型材和玻璃的選擇不僅僅要考慮其傳熱系數(shù)，而且要重視窗戶的太陽得熱系數(shù)，在傳熱系數(shù)相同的情況下，選擇太陽得熱系數(shù)越小的窗戶。

3)夏熱冬冷地區(qū)既有公建改造不宜采用設(shè)置出挑深度大的水平遮陽板，而宜選擇百葉遮陽。

[1] 江 億.我國建筑能耗趨勢與節(jié)能重點(diǎn)[J].建設(shè)科技，2006(7)：10-13.

[2] 任乃鑫，阮 帆，趙宇洲.夏熱冬冷地區(qū)既有辦公建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，28(4)：678-683.

[3] 張志順，李明軍，劉 琪.既有建筑改造設(shè)計(jì)中生態(tài)節(jié)能適宜技術(shù)的應(yīng)用[J].建筑技術(shù)，2015，46(2):110-112.

[4] 程 云，鄭榮躍，黃 莉，等.夏熱冬冷地區(qū)既有公共建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能改造策略研究[J]，建筑節(jié)能，2014，42(8)：102-106.

[5] GB 50189—2015，公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6] JGJ 134—2010，夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

Optimization on windows energy-saving retrofitting of existing public buildings in hot summer and cold winter zone★

Qi Shaoming Xu Mengjie Ge Zihao Zhang Shuai

(ChangzhouInstituteofTechnology,Changzhou213002,China)

Based on researching of energy-efficient retrofitting of representative office buildings, utilizing DeST-C software to simulate building loads of various retrofit measures, such as window materials and shading etc.. Some conclusions are obtained that not only the heat transfer coefficient of the window should be taken into account but also the small solar gain coefficient should be taken into consideration, it is not advisable to use a horizontal shading with a large depth and should choose 3 to 4 horizontal blinds with depth of 300 mm～450 mm.

hot summer and cold winter zone, existing public building, window, energy-saving retrofitting

1009-6825(2017)03-0187-03

2016-11-13 ★：常州工學(xué)院自然科學(xué)基金項(xiàng)目(YN1306)；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(201611055008Z)

祁少明(1970- )，男，實(shí)驗(yàn)師

TU201.5

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