低輻射中空玻璃對辦公建筑能耗的影響

陳德敏， 劉瑩惠， 李嘉琪， 姜蘇， 陸彪， 魯月紅

(安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院， 馬鞍山 243032)

為推動中國近零耗建筑的發(fā)展，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2019年發(fā)布《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，其中近零能耗公共建筑能效指標(biāo)為在2016年建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建筑綜合節(jié)能率可提高到60%以上[1]，說明建筑綜合節(jié)能的提升空間較大。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)是連接室內(nèi)外光熱環(huán)境的通道，而外窗是圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱的薄弱部分，其損失熱量占總能量損失的30%～40%[2]，是建筑節(jié)能措施中重要組成的部分。

外窗應(yīng)用低輻射玻璃和適當(dāng)?shù)拇皦Ρ葘档徒ㄖ芎挠蟹e極作用，而目前對辦公建筑綜合考慮使用的玻璃類型和窗墻比對建筑能耗的影響的研究較少。姜雷[3]研究發(fā)現(xiàn)low-E玻璃應(yīng)用于被動式超低能耗建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中節(jié)能和舒適性好。Somasundaram等[4]實驗研究發(fā)現(xiàn)熱帶氣候地區(qū)建筑在原有玻璃的內(nèi)側(cè)安裝一層低輻射玻璃組成新的雙層玻璃可節(jié)省高達(dá)9%的日空調(diào)能耗。Moghaddam等[5]研究了在瑞典古建筑中應(yīng)用低輻射鍍膜玻璃窗對建筑能源性能的影響，發(fā)現(xiàn)雙層玻璃窗內(nèi)窗玻璃的外表面應(yīng)用低輻射膜有助于減少熱損失，冬季通過玻璃部分的熱量損失可減少36%，減少年供暖能耗6%。Francesco等[6]研究了澳大利亞辦公樓應(yīng)用節(jié)能窗的節(jié)能潛力，發(fā)現(xiàn)節(jié)能效果與窗墻比有很強(qiáng)的相關(guān)性。Luke等[7]基于美國商業(yè)建筑能耗調(diào)查報告數(shù)據(jù)，對1 000棟辦公樓的能源使用情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，研究發(fā)現(xiàn)窗墻比是冷卻能源使用的重要預(yù)測指標(biāo)。徐燊等[8]研究了中國5種典型氣候區(qū)辦公建筑窗墻比對建筑能耗的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不同氣候區(qū)建筑綜合能耗隨窗墻比變化規(guī)律不同。張春明[9]研究了寒冷氣候區(qū)城市濟(jì)南和蘭州建筑形態(tài)對建筑能耗的影響，發(fā)現(xiàn)在南北立面的玻璃尺寸增大，建筑制冷負(fù)荷呈線性增加。謝靜超等[10]基于西沙的氣象實測數(shù)據(jù)，采用動態(tài)模擬計算擬建賓館建筑全年能耗，發(fā)現(xiàn)窗墻比每增加0.1，單位建筑面積空調(diào)負(fù)荷可增加3～5 kW·h。Foroughi等[11]采用遺傳算法優(yōu)化商業(yè)建筑外窗，發(fā)現(xiàn)在寒冷和炎熱氣候區(qū)，選擇最佳的窗戶尺寸和位置可分別降低建筑總能耗2%和15%。

因此，在以上研究的基礎(chǔ)上，現(xiàn)討論低輻射雙層中空玻璃鍍膜位置、外窗尺寸和方位對建筑房間能源消耗的影響。建立辦公建筑模型，房間僅單側(cè)開窗，其外窗分別采用鍍膜位置不同的低輻射雙層中空玻璃和普通中空玻璃(6 mm+12 mm空氣+6 mm)；在中國不同氣候區(qū)條件下，計算不同方位窗墻比變化時，全年的制冷能耗、供暖能耗和綜合能耗值；將計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出各項能耗的變化規(guī)律；給出不同氣候區(qū)選用玻璃類型的節(jié)能建議。

1 模型構(gòu)建

1.1 建筑模型

以某一辦公建筑標(biāo)準(zhǔn)房間為建筑模型，開間為4.5 m，進(jìn)深為8 m，層高為3 m，房間采用單側(cè)采光。窗墻比大小參考GB50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[12]規(guī)范的要求，取值變化范圍為0.3～0.7，變化步長取0.1，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)取值參考規(guī)范，屋面和外墻的傳熱系數(shù)分別為0.23、0.46 W/(m2·K)。透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用3種不同類型的雙層中空玻璃，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3種玻璃的光熱性能由WINDOW7.7計算得出，參數(shù)如表1所示。房間內(nèi)部熱源設(shè)置如表2所示，包括照明、電器設(shè)備、使用率和室外空氣滲透量。由于本文研究重心是透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和材料參數(shù)的取值在中國不同氣候條件下對辦公建筑能耗的影響，所以暖通空調(diào)系統(tǒng)采用理想負(fù)荷空調(diào)系統(tǒng)，室內(nèi)夏季制冷和冬季供暖溫度設(shè)定值分別為26 ℃和20 ℃，運行時間從7:00—18:00，建筑全年能耗采用EnergyPlus9.0計算。

本文研究的建筑能耗計算模型，窗采用上述3種玻璃，其他參數(shù)均相同，并以每一個相同窗墻比外窗采用A型玻璃為基準(zhǔn)玻璃，該建筑模型為基準(zhǔn)模型。

圖1 3種類型中空玻璃結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of three types of insulating glass structures

表2 房間內(nèi)熱源參數(shù)設(shè)定

1.2 氣象參數(shù)

中國建筑熱工設(shè)計分五大典型氣候區(qū)分別為嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、溫和地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)，分別選取哈爾濱、北京、南京、昆明和廣州5個城市，各個城市的冬季供暖和夏季制冷期如表3[13]所示。五大氣候區(qū)城市氣象數(shù)據(jù)采用中國標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)(Chinese Standard Weather Data，CSWD)。

表3 五大典型氣候區(qū)城市供暖和制冷期設(shè)定

由表3中所示的五大典型氣候區(qū)城市的供暖和制冷期，其中溫和地區(qū)城市昆明市全年無供暖和制冷，故將以哈爾濱、北京、南京和廣州4個城市來研究。

2 結(jié)果分析

全年綜合能耗包括制冷能耗、供熱能耗、照明能耗和電器設(shè)備能耗，單位面積綜合能耗計算式為

ETotal=EC+EH+EL+EEq

(1)

式(1)中：ETotal為全年單位面積綜合能耗(kW·h)/m2；EC為全年單位面積制冷能耗，(kW·h)/m2；EH為全年單位面積供暖能耗，(kW·h)/m2；EL為全年單位面積照明能耗，(kW·h)/m2；EEq為全年單位面積電器設(shè)備能耗，(kW·h)/m2。

通過外窗進(jìn)入室內(nèi)得熱量計算公式為

Q=QGain-QLoss

(2)

式(2)中：Q為通過外窗進(jìn)入到室內(nèi)得熱量，kW·h；QGain為通過外窗進(jìn)入到室內(nèi)獲得的熱量，kW·h；QLoss為通過外窗從室內(nèi)流失的熱量，kW·h。

2.1 室內(nèi)總得熱量變化規(guī)律

為了討論不同氣候條件下，低輻射中空玻璃鍍膜位置、外窗方位和窗墻比對辦公建筑能耗的影響，取窗墻比值為0.3和0.7時，通過房間外窗進(jìn)入到室內(nèi)得熱量數(shù)據(jù)來分析。廣州、南京、北京和哈爾濱通過外窗進(jìn)入到室內(nèi)得熱量數(shù)據(jù)如圖2～圖5所示。

WWR為窗墻比圖2 廣州市通過外窗進(jìn)入室內(nèi)得熱量Fig.2 Heat gain into the room through windows in Guangzhou

WWR為窗墻比圖3 南京市通過外窗進(jìn)入室內(nèi)得熱量Fig.3 Heat gain into the room through windows in Nanjing

夏熱冬暖地區(qū)廣州市，僅夏季制冷冬季不供暖。由圖2易知，夏季在同一窗墻比時，通過外窗進(jìn)到室內(nèi)得熱量，窗在西側(cè)時為4個方位中最大，最大值在7月份，值為721.03 kW·h，夏季總得熱量最大值為3 137.28 kW·h，窗在北側(cè)時最小，最小值在9月份，值為216.99 kW·h，夏季總得熱量最小值為1 171.05 kW·h；窗在同一方位且用B型玻璃時，室內(nèi)得熱量最小，最小值為31.40 kW·h；窗墻比由0.3增大到0.7，外窗分別采用A型、B型和C型玻璃，窗在西側(cè)時室內(nèi)得熱量增量最大值分別為380.99、155.45、237.05 kW·h。

夏熱冬冷地區(qū)南京市，夏季制冷冬季供暖。由圖3易知，夏季在同一窗墻比時，通過外窗進(jìn)入到室內(nèi)得熱量，窗在西側(cè)時最大，最大值在7月份，值為852.37 kW·h，夏季總得熱量最大值為2 794.50 kW·h，窗在北側(cè)時最小，最小值在9月份，值為125.60 kW·h，夏季總得熱量最小值為806.14 kW·h；窗在同一方位且用B型玻璃時，室內(nèi)得熱量最小，最小值為19.2 kW·h；窗墻比由0.3增大到0.7，外窗分別采用A型、B型和C型玻璃，窗在西側(cè)時室內(nèi)得熱量增量最大值分別為450.33、178.05、280.54 kW·h。

冬季通過外窗進(jìn)入到室內(nèi)得熱量，在同一窗墻比時，4個不同方位外窗房間，窗在南側(cè)時最大，最大值在12月份，值為283.28 kW·h，冬季總得熱量最大值為893.97 kW·h；窗墻比由0.3增大到0.7，外窗分別采用A型、B型和C型玻璃，窗在南側(cè)時室內(nèi)得熱量增量最大值分別為151.52、45.38、99.55 kW·h。

WWR為窗墻比圖4 北京市通過外窗進(jìn)入室內(nèi)得熱量Fig.4 Heat gain into the room through windows in Beijing

圖5 哈爾濱市通過外窗進(jìn)入室內(nèi)得熱量Fig.5 Heat gain into the room through windows in Harbin

寒冷地區(qū)北京市，夏季制冷冬季供暖。由圖4易知，夏季在同一窗墻比時，通過外窗進(jìn)入到室內(nèi)得熱量，窗在西側(cè)時最大，最大值在7月份，值為783.85 kW·h，夏季總得熱量最大值為2 864.83 kW·h，窗在北側(cè)時最小，最小值在9月份，值為108.90 kW·h，夏季總得熱量最小值為734.76 kW·h；窗在同一方位且用B型玻璃時，室內(nèi)得熱量最小，最小值為14.37 kW·h；窗墻比由0.3增大到0.7，外窗分別采用A型、B型和C型玻璃，窗在西側(cè)時室內(nèi)得熱量的增量最大值分別為412.79、164.71、265.23 kW·h。

冬季通過外窗進(jìn)入到室內(nèi)得熱量，在同一窗墻比時，4個不同方位外窗房間，窗在南側(cè)時最大，最大值在2月份，值為392.71 kW·h，冬季總得熱量最大值為1 765.54 kW·h；窗墻比由0.3增大到0.7，外窗分別采用A型、B型和C型玻璃，窗在南側(cè)時室內(nèi)得熱量的增量最大值分別為213.13、67.53、138.62 kW·h。

嚴(yán)寒地區(qū)哈爾濱市，僅冬季供暖夏季不制冷。由圖5易知，冬季通過外窗進(jìn)入到室內(nèi)得熱量，在同一窗墻比時，窗在南側(cè)時最大，最大值在3月份，值為358.97 kW·h，冬季總得熱量最大值為1 346.73 kW·h；窗墻比由0.3增大到0.7，4個不同方位外窗分別采用A型、B型和C型玻璃，窗在南側(cè)時室內(nèi)得熱量增量最大值分別為196.53、58.71、130.11 kW·h。

綜上，不同氣候區(qū)城市的辦公建筑房間，在相同窗墻比且外窗采用相同玻璃類型時，夏季室內(nèi)總得熱量，均表現(xiàn)為窗在西側(cè)的更大，窗在北側(cè)的更??；冬季室內(nèi)總得熱量，均表現(xiàn)為窗在南側(cè)的更大。外窗在同一方位且用B型玻璃，室內(nèi)全年總得熱量最小。窗墻比增大時，房間室內(nèi)全年得熱量增量，外窗用A型玻璃的更大，B型玻璃的更小。

2.2 制冷能耗變化規(guī)律

由于哈爾濱夏季無制冷，所以分析時以廣州、南京和北京3個城市進(jìn)行討論，變化規(guī)律如圖6所示。為了方便分析制冷能耗計算結(jié)果，外窗用低輻射中空玻璃的房間能耗與用A型玻璃的房間能耗的差值為

ΔQC,B=|QC,B-QC,A|

(3)

式(3)中：ΔQC,B為外窗用B型玻璃房間單位面積制冷能耗與用A型玻璃的房間單位面積制冷能耗的差值，(kW·h)/m2；QC,B為外窗用B型玻璃房間單位面積制冷能耗，(kW·h)/m2；QC,A為外窗用A型玻璃房間單位面積制冷能耗，(kW·h)/m2。

ΔQC,C=|QC,C-QC,A|

(4)

式(4)中：ΔQC,C為外窗用C型玻璃房間單位面積制冷能耗與用A型玻璃的房間單位面積制冷能耗的差值，(kW·h)/m2；QC,C為外窗用C型玻璃房間單位面積制冷能耗，(kW·h)/m2。

由圖6易知在相同窗墻比時，外窗采用3種類型玻璃的房間制冷能耗，均表現(xiàn)為窗在西側(cè)時，值最大，窗在北側(cè)時，值最小，制冷能耗規(guī)律與通過外窗進(jìn)到室內(nèi)得熱量規(guī)律一致；當(dāng)窗在西側(cè)且用同一種玻璃時，廣州、南京和北京的單位面積最大制冷能耗，分別為61.23、51.03、39.39 (kW·h)/m2；窗在同一方位，ΔQC,B和ΔQC,C均表現(xiàn)為廣州最大，最大差值分別為24.16 (kW·h)/m2、14.19 (kW·h)/m2。

圖6 不同氣候區(qū)全年單位面積制冷能耗Fig.6 Annual cooling energy consumption per unit area in different climate zones

隨著窗墻比增大，不同氣候區(qū)城市，外窗分別在4個方位均表現(xiàn)為制冷能耗增大，例如，當(dāng)窗在西側(cè)且采用A型玻璃時，房間制冷能耗增大，廣州的增量最大，北京的增量最小，單位面積制冷能耗分別增加了20.55、15.90 (kW·h)/m2。

與采用A型玻璃相比，窗分別位于4個方位的房間均表現(xiàn)為B型玻璃比C型玻璃節(jié)能效果更明顯。廣州、南京和北京三座城市對比發(fā)現(xiàn)，外窗在西側(cè)采用B型玻璃且窗墻比為0.7時制冷節(jié)能率最大，值分別為39.50%、46.40%、47.50%。

2.3 供暖能耗變化規(guī)律

由于廣州冬季無供暖，所以分析時以南京、北京和哈爾濱3個城市進(jìn)行討論，變化規(guī)律如圖7所示。為了方便分析供暖能耗計算結(jié)果，外窗用低輻射中空玻璃的房間能耗與用A型玻璃的房間能耗的差值為

ΔQH,B=|QH,B-QH,A|

(5)

式(5)中：ΔQH,B為外窗用B型玻璃房間單位面積供暖能耗與用A型玻璃的房間單位面積供暖能耗的差值，(kW·h)/m2；QH,B為外窗用B型玻璃房間單位面積供暖能耗，(kW·h)/m2；QH,A為外窗用A型玻璃房間單位面積供暖能耗，(kW·h)/m2。

ΔQH,C=|QH,C-QH,A|

(6)

式(6)中：ΔQH,C為外窗用C型玻璃房間單位面積供暖能耗與用A型玻璃的房間單位面積供暖能耗的差值，(kW·h)/m2；QH,C為外窗用C型玻璃房間單位面積供暖能耗，(kW·h)/m2。

由圖7易知在相同窗墻比下，外窗采用3種類型玻璃的房間供暖能耗，均表現(xiàn)為窗在南側(cè)時最小，供暖能耗規(guī)律與通過外窗進(jìn)到室內(nèi)得熱量規(guī)律相反；當(dāng)外窗采用同一種玻璃且位于南側(cè)時，哈爾濱、北京和南京的單位面積最大供暖能耗分別為59.37、17.54、8.53 (kW·h)/m2；窗在同一方位，ΔQH,B和QH,C均表現(xiàn)為哈爾濱最大，最大差值分別為9.99、12.62 (kW·h)/m2。

隨著窗墻比增大，外窗采用3種類型玻璃，房間全年供暖能耗均表現(xiàn)為窗在南側(cè)時減小，窗在北側(cè)時增大，例如，當(dāng)窗在北側(cè)且采用A型玻璃時，房間單位面積供暖能耗增大，哈爾濱的增量最大，最大增加了7.40 (kW·h)/m2。

與采用A型玻璃相比，窗分別位于4個方位的房間均表現(xiàn)為C型比B型玻璃節(jié)能效果更明顯。南京和哈爾濱外窗在東側(cè)采用C型玻璃且窗墻比為0.7時供暖節(jié)能率最大，值分別為28.80%、17.80%，北京外窗在西側(cè)采用C型玻璃且窗墻比為0.7時，供暖節(jié)能率最大，值為20.50%。

2.4 綜合能耗變化規(guī)律

廣州、南京、北京和哈爾濱全年單位面積綜合能耗變化規(guī)律如圖8所示。為了方便分析綜合能耗計算結(jié)果，外窗用低輻射中空玻璃的房間能耗與用A型玻璃的房間能耗的差值為

ΔQT,B=|QT,B-QT,A|

(7)

式(7)中：ΔQT,B為外窗用B型玻璃房間單位面積綜合能耗與用A型玻璃的房間單位面積綜合能耗的差值，(kW·h)/m2；QT,B為外窗用B型玻璃房間單位面積綜合能耗，(kW·h)/m2；QH,A為外窗用A型玻璃房間單位面積綜合能耗，(kW·h)/m2。

ΔQT,C=|QT,C-QT,A|

(8)

式(8)中：ΔQT,C為外窗用C型玻璃房間單位面積綜合能耗與用A型玻璃的房間單位面積綜合能耗的差值，(kW·h)/m2；QT,C為外窗用C型玻璃房間單位面積綜合能耗，(kW·h)/m2。

WWR為窗墻比圖8 不同氣候區(qū)全年單位面積綜合能耗Fig.8 Annual total energy consumption per unit area in different climate zones

由圖8(a)～圖8(c)易知，在相同窗墻比下，外窗采用3種類型玻璃的房間綜合能耗，廣州、南京和北京均表現(xiàn)為窗在西側(cè)時最大，單位面積綜合能耗最大值分別為121.01、118.22、118.07 (kW·h)/m2；圖8(d)易知，哈爾濱窗在北側(cè)時，綜合能耗最大，單位面積綜合能耗最大值為135.51 (kW·h)/m2；窗在南側(cè)時，綜合能耗最小，4個城市的單位面積綜合能耗最小值分別為85.80、85.42、87.85、105.69 (kW·h)/m2；窗在同一方位，ΔQT,B表現(xiàn)為廣州最大，最大差值為24.16 (kW·h)m2，ΔQT,C表現(xiàn)為南京最大，最大差值為15.09 (kW·h)/m2。

隨著窗墻比增大，廣州和南京，窗分別在4個方位且采用3種類型玻璃的房間綜合能耗均增大，北京窗在南側(cè)的房間采用B型和C型玻璃，均呈減小趨勢，哈爾濱采用C型玻璃，均呈減小趨勢。

隨著窗墻比增大，與采用A型玻璃相比，廣州、南京和北京的4個方位辦公建筑房間外窗采用B型比C型玻璃更節(jié)能，窗在西側(cè)窗墻比為0.7時綜合節(jié)能率最大，值分別為20.0%、19.2%、15.4%；哈爾濱4個不同方位房間外窗采用C型比B型玻璃更節(jié)能，窗在東側(cè)窗墻比為0.7時綜合節(jié)能率最大，值為9.6%。

3 結(jié)論

研究了中國不同建筑熱工氣候條件下辦公建筑房間，在4個不同方位單側(cè)開窗，外窗分別采用3種類型雙層中空玻璃，窗墻比變化時全年制冷能耗、供暖能耗和綜合能耗的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論。

(1) 在固定窗墻比下，外窗分別在4個方位的房間，全年綜合能耗計算結(jié)果，廣州、南京和北京均為窗在西側(cè)時，值最大，窗在南側(cè)時，值最小，哈爾濱窗在北側(cè)時，值最大，窗在南側(cè)時，值最小。

(2) 隨著窗墻比增大，外窗分別在4個方位的房間，全年各項能耗計算結(jié)果，不同氣候區(qū)城市夏季制冷能耗均增大；冬季供暖能耗，窗在南側(cè)的房間均減小，窗在北側(cè)的房間均增大；全年綜合能耗，廣州和南京均增大，而北京表現(xiàn)為窗在南側(cè)的房間采用B型和C型玻璃呈減小趨勢，哈爾濱采用C型玻璃，呈減小趨勢。

(3) 與基準(zhǔn)模型相比，廣州、南京和北京在窗位于西側(cè)采用B型玻璃且窗墻比為0.7時制冷節(jié)能率最大，值分別為39.5%、46.4%、47.5%；南京和哈爾濱在窗位于東側(cè)采用C型玻璃且窗墻比為0.7時供暖節(jié)能率最大，值分別為28.8%、17.8%，北京在窗位于西側(cè)采用C型玻璃且窗墻比為0.7時供暖節(jié)能率最大，值為20.5%；廣州、南京、北京窗位于西側(cè)采用B型玻璃且窗墻比為0.7時綜合節(jié)能率最大，值分別為20.0%、19.2%、15.4%，哈爾濱窗位于東側(cè)采用C型玻璃且窗墻比為0.7時綜合節(jié)能率最大，值為9.6%。

(4) 從全年綜合能耗來看，廣州、南京和北京外窗分別在4個方位時，均采用B型玻璃更佳，哈爾濱外窗在南向時采用A型玻璃更佳，其他3個方位時，采用C型玻璃更佳。