優(yōu)化外圍護結(jié)構(gòu)熱工性能對未來辦公室內(nèi)熱負荷的影響研究

陳宇華[仲量聯(lián)行測量師事務(wù)所(上海)有限公司， 上海 200041]

在建筑節(jié)能和環(huán)境保護成為建筑設(shè)計關(guān)注點和必答題的大趨勢中，外圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能不斷提升，外圍護結(jié)構(gòu)對整個建筑的能耗影響也日趨減少。但是，如因此忽略外圍護結(jié)構(gòu)的熱性能，則可能會導(dǎo)致以下兩個問題。一是可能會影響建筑外圍區(qū)域人員的熱舒適性。二是隨著 LED 照明和筆記本電腦等的廣泛應(yīng)用，辦公設(shè)備能耗大幅減少，冬季辦公室外圍區(qū)域預(yù)計將更多出現(xiàn)需要供暖的工況。

通常在辦公樓常規(guī)設(shè)計中，外圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能對整體建筑能耗的影響較小。在辦公樓總熱負荷中室內(nèi)熱負荷（如照明和插座負荷）占比相對較高。另一方面，常規(guī)建筑設(shè)計中往往重視玻璃幕墻的視覺效果，在確保玻璃幕墻透明度和透光性的時候容易忽略或降低玻璃幕墻的熱工性能。不重視外圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能可能會導(dǎo)致以下兩個設(shè)計問題。① 外圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能較差可能會引起辦公外圍空間使用者的熱舒適性下降，從而降低環(huán)境質(zhì)量和體驗感受。② 隨著LED 照明燈具和筆記本電腦在辦公室中的廣泛使用，室內(nèi)熱負荷將顯著下降，從而在冬季辦公室外圍區(qū)域?qū)a(chǎn)生更高的供暖需求。如果缺乏適當(dāng)設(shè)計外圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能，建筑全年總能耗可能會急劇增加。為此，在未來辦公室內(nèi)熱負荷日趨降低的大背景下，需要進一步確保和提升外圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能以同時保證建筑節(jié)能和使用者的熱舒適性。

1 文獻調(diào)研

根據(jù)田邊教授(日本早稻田大學(xué))團隊對節(jié)能和辦公室環(huán)境舒適度調(diào)查的研究，照明系統(tǒng)和辦公設(shè)備系統(tǒng)的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)顯示，自 2011 年地震以來，日本辦公樓室內(nèi)熱負荷已顯著下降。該研究還論證了較差的外圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能將導(dǎo)致整體建筑能耗增加并影響使用者的熱舒適性。D.Jenkins 的研究旨在量化和論證直接影響未來辦公環(huán)境中的供暖和供冷需求的因數(shù)。研究時建議未來辦公設(shè)計時，還需要考慮所使用的插座和照明設(shè)備的功率變化和效率提升。Michal D 的研究根據(jù)文獻調(diào)研和實測結(jié)果，論述了電腦和電腦顯示器的熱負荷變化趨勢。該研究強調(diào)，ASHRAE 公布了辦公設(shè)備熱負荷的推薦值（ASHRAE Fundamentals 2005）是基于 20 世紀 90 年代的研究數(shù)據(jù)。但實測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一般辦公設(shè)備的峰值熱負荷與銘牌功耗之比通常在25%～50% 之間，當(dāng)銘牌功耗 ＜1 kW 時電腦的熱負荷值通常為銘牌功率的 7%～32%，顯示器的熱負荷值通常為銘牌功率 15%～32%。與 ASHRAE 公布的設(shè)計值相比，使用者的使用率是造成實際辦公設(shè)備負荷減少的另一個關(guān)鍵因素。根據(jù) Osaman S 的研究，對于現(xiàn)有美國的商業(yè)建筑而言，不同地理位置和不同類型的建筑都出現(xiàn)了照明負荷減少的現(xiàn)象。在溫暖氣候條件下，照明負荷的減少將有助于節(jié)省空調(diào)制冷能耗。但在寒冷氣候環(huán)境中，照明負荷的減少反而會造成空調(diào)熱負荷的增加。為此，需要針對特定地理區(qū)域和特定建筑物類型進行具體熱負荷分析。

2 不同國家辦公建筑中的 U 值和遮陽系數(shù)

通過對世界各國一些主要項目的設(shè)計參數(shù)分析，梳理了目前的行業(yè)慣例的外圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計和設(shè)計參數(shù)常規(guī)值。表 1整理了美國、英國和中國的設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的外墻 U 值和遮陽系數(shù)（SC）值。所有 U 值和 SC 值都是窗系統(tǒng)的整體熱工性能，包括玻璃和窗框。在日本，設(shè)計規(guī)范中無其他國家規(guī)定的 U 值或 SC 值的最低設(shè)計基準值。

表 1 世界各國外墻和玻璃的熱工性能設(shè)計參數(shù)

從對各國的設(shè)計規(guī)范比較中可以發(fā)現(xiàn)，所有國家都鼓勵降低和控制建筑物整體 CO2減排量，而并不是單一規(guī)定和限制 U 值和 SC 值的設(shè)計基準值。為了確保在建筑設(shè)計中滿足建筑外立面的視覺特色，并在設(shè)計創(chuàng)新上留下更多發(fā)展空間，通常在實際設(shè)計項目中針對外圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能提出優(yōu)化綜合要求。

這類外圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能要求通常包含在建筑能源規(guī)范[Building Energy Code (BEC)]中，此規(guī)范于 1973 年石油危機后開始開發(fā)和使用。美國 BEC 主要是 ASHRAE 90 這一設(shè)計規(guī)范，最早于 1975 年出版，1980 年、1985 年、1989年和 1994 年都有更新版本，目前最新版本為 2016年版。2001 年和 2004 年版本的 ASHRAE 90 對于外圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能要求大致一致，然而 2007 年的版本開始再次提高了熱工性能的要求。英國 BEC 的要求主要體現(xiàn)在 Part L 設(shè)計規(guī)范中，從 2002 年、2006 年和 2013 年的版本中都有相同的外圍護結(jié)構(gòu)熱工性能要求。中國的第一個 BEC 是在 1993年為酒店項目開發(fā)的，在這個設(shè)計規(guī)范中僅對遮陽系數(shù) SC值作了要求，需要同時滿足窗墻比為 0.45。在實際項目設(shè)計中，外圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能是必要的考量點。表 2 列出了在英國，美國，中國和日本等城市近期建造的甲級寫字樓項目的一些幕墻熱工性能參數(shù)。

表 2 世界各國甲 A 辦公樓的幕墻設(shè)計參數(shù)

實際項目數(shù)據(jù)表明，實際項目設(shè)計中的外圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能都高于設(shè)計規(guī)范要求。例如，盡管美國設(shè)計規(guī)范中要求玻璃幕墻的 U 值 ≤3.41 W/（m2·K），在實際項目中幕墻采用了 U 值 ≤1.0 W/（m2·K）的超高熱工性能產(chǎn)品。在英國和中國的項目中都可以發(fā)現(xiàn)相同的情況，通常設(shè)計中外圍護結(jié)構(gòu)采用了高出規(guī)范要求 20% 的熱工性能。同時也可以總結(jié)出以下行業(yè)背景狀況。

（1）在建筑行業(yè)中已確立了節(jié)能的重要性。

（2）對新建建筑項目而言，確保和提高外圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能具有較好的成本效益比。

（3）由于大量高性能玻璃的供應(yīng)要求，玻璃的初始投資成本相對減小。

此外，“ASHRAE 50% 中小型辦公樓先進能源設(shè)計指南”(ASHRAE 90383, 2011)中還設(shè)置了更高的外圍護結(jié)構(gòu)熱工性能設(shè)計標準。如在上海等屬于氣候區(qū) 3 的地理位置，建筑物需要將窗墻比從 40% 降低到 20%。

3 辦公室的內(nèi)部熱負荷

辦公室的內(nèi)部熱負荷主要包括照明負荷、小動力負荷和人員負荷。由于辦公地點、商業(yè)類型和工作方式的不同，人員密度也各不相同。自 20 世紀以來，辦公室人員密度有了顯著變化。新技術(shù)的發(fā)展，如云計算、移動技術(shù)、虛擬辦公室和新工作方式一直在不斷向下調(diào)整人員密度。1999年～2003 年，美國的辦公室人員密度從 80 m2/人顯著下降到 90 m2/人。

根據(jù) Nagata 自 2005 年的調(diào)查，日本的照度水平將從 750 Lx 降至 500 Lx，接近全球慣例。目前熒燈的發(fā)光效率將從 100 Lm/W 增加到 150 Lm / W，在不久的將來甚至可以達到 200 Lm/W，這意味著照明負載可以＜5 W/ m2。2010 年中國整個市場的 LED 照明使用率為 0.5%，到 2013年增加為 3.0%，而 2013 年日本為 4.0%。

計算機和顯示器的能耗占總辦公室小動力負載的 1/2以上。計算機和顯示器的能耗從 1994 年開始不斷增加，并在 2008 年達到頂峰。如今，計算機和顯示器的能耗逐漸降低。與此同時，耗能較少的筆記本電腦的使用日趨普及，Nagata 的研究表明筆記本電腦約占計算機總數(shù)的 70.0%。

此外,其他辦公配套電器例如打印機等也更加高效，所產(chǎn)生的內(nèi)部熱負荷將更是微不足道。表 3 列舉了辦公室內(nèi)部熱負荷的設(shè)計標準是如何逐漸變化的。顯然易見，最近照明負載和小動力負載顯著降低。

表 3 各國能耗設(shè)計標準

4 結(jié) 語

本文通過文獻調(diào)研得出結(jié)論，即現(xiàn)代辦公環(huán)境和設(shè)計趨勢顯示內(nèi)部熱負荷、照明負荷、小動力負荷日趨減少。在各國設(shè)計規(guī)范比較和分析中，再次證明外墻的熱性能對能耗的重要性得到關(guān)注，成為節(jié)能策略的第一步。同時通過大量實際案例的調(diào)研和分析，列舉了世界各國甲 A 辦公樓的玻璃設(shè)計參數(shù), 包括玻璃外墻 U 值和遮陽系數(shù) SC 值。綜上所述，進一步優(yōu)化外墻熱工性能既可以確保辦公外圍區(qū)域更好的熱舒適性，又是一種可以減少年度能耗的有效的解決方案。