Low-E玻璃在廈門某高校教學(xué)樓節(jié)能改造中的應(yīng)用模擬

中圖分類號：TU111.19 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號： 1000-5013（2025）04-0419-06

Simulation of Low-E Glass in Energy-Saving Renovation of University Teaching Buildings in Xiamen City

CHANG Mingyu，LIN Shuying，LI Lingzhen，WU Zhengwang （Schoolof Architecture，Huaqiao University，Xiamen 36lo21，China）

Abstract：Taking the university teaching building in Xiamen City as example，a method combining on-site measurements and simulation by DesignBuilder software wasadopted，the reliability of the model was verified by fitting the simulation data with the actual measurement data. 3 window renovation schemes （single-layer Low-E glass，hollow Low-E glassand hollow ordinary glass） were set to replace the original single-layer ordinary glass，and the energy-saving effects of diffrent types of Low-E glass were analyzed. For the teaching buildings with south and north corridors，2O working conditions were simulated to compare the energy consumptionbefore and after the renovation，in order to evaluate the applicability of Low-E glass The results show that after the renovation with Low-E glass，the energy consumption of the teaching building with south corridor is 5.6% lower than that with north corridor. Among 3 renovation strategies of hollow ordinary glass ， the energy-saving of the hollow Low-E glass reaches 21.9% ，while the energy savings of the other 2 strategies are less than 8.1% . By replacing the south facing external windows of the north corridor teaching building with hollow Low-E glass， energy saving reaches 15.9% . From the perspective of economic feasibility， the initial investmentofLow-Eglassisrelativelyhigh，and thecostisdifficult torecover within thebuilding's life cycle.

Keywords： hot summer and warm winter regions; teaching buildings; Low-E glass; energy consumption simulation；energy-saving renovation

Low-E玻璃對輻射具有單向傳輸?shù)奶匦裕虼嗽诮ㄖ械膽?yīng)用隨其造價(jià)的降低逐步增加[1]。有研究表明，Low-E玻璃適用于寒冷地區(qū)，能在日間利用太陽能并在夜間保溫，但在潮濕環(huán)境下節(jié)能效果不佳，不適用于濕熱地區(qū)[2-3]。近年來，隨著玻璃制造與鍍膜技術(shù)的發(fā)展，單層、雙層、三玻兩腔、高透型及遮陽型Low-E玻璃憑借各自突出的性能優(yōu)勢，逐步從研發(fā)走向大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。在夏熱冬暖地區(qū)，已有多個(gè)案例取得了良好的節(jié)能效果。廣州科學(xué)城二期采用鋁合金Low-E中空玻璃外窗，顯著提高了節(jié)能效果和居住質(zhì)量[4]。對深圳市恒大時(shí)代金融中心的模擬發(fā)現(xiàn)，遮陽型Low-E玻璃可大幅減少冷、熱負(fù)荷[5]。遮陽型Low-E玻璃中的雙銀型比普通中空Low-E玻璃更適用于夏熱冬暖地區(qū)，即北方宜使用高透型、南方宜使用遮陽型[4-8]。同時(shí)，建筑的朝向、開窗等布局也對其能耗有重要影響[1，9]。

因此，在南方夏熱冬暖地區(qū)的建筑設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)采取何種Low-E玻璃，如何設(shè)計(jì)外窗構(gòu)造，建筑應(yīng)如何布局，還是一個(gè)值得探討的問題。基于此，本文以廈門市某高校兩棟教學(xué)建筑為例，監(jiān)測其標(biāo)準(zhǔn)教室的溫、濕度，模擬其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)，研究Low-E玻璃在該地區(qū)的適用性。

1模型的建立

1. 1 建筑概況

福建省廈門市屬于典型的夏熱冬暖地區(qū)。選擇廈門市某高校教學(xué)建筑群共8棟單體，建筑均為 5層南北向外走廊，每層4間教室，每間 10. 0m×7.5m ；窗墻比約為 43% 。南走廊和北走廊交替排列。以南走廊為例，標(biāo)準(zhǔn)層教室平面示意圖，如圖1所示。a、b兩棟教學(xué)樓標(biāo)準(zhǔn)層平面圖，如圖2所示。圖2中：a為南走廊的教學(xué)樓;b為北走廊的教學(xué)樓。2棟教學(xué)樓的窗戶采用單層普通玻璃（ （6mm） 。

1.2 模型擬合驗(yàn)證

1.2.1DesignBuilder 模型的建立采用建筑能耗模擬軟件DesignBuilder對教學(xué)建筑進(jìn)行仿真模擬。選用廈門地區(qū)典型的氣象年數(shù)據(jù)，按實(shí)際使用情況建立模型，活動時(shí)間為每日 8：00-21：00 。每間教室配2臺分體式空調(diào)，空調(diào)能耗比為3.15、冷暖電輔，每臺空調(diào)的循環(huán)風(fēng)量為 2 050m²?h^-1 ，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為 26° （夏季）和 20° （冬季）。人員密度為0.5人·m^-3 ，每間教室配備1臺多媒體設(shè)備，散熱量為50W 。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB50034-20134- 建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，普通教室的課桌面照度應(yīng)不低于300lx，而有研究表明， 500lx 是舒適和適宜的照度，故將室內(nèi)照度設(shè)定為 500lx^[10-15] 。此外，設(shè)定最大容許眩光值為22，眩光控制點(diǎn)高度為 0.8m 。

1.2.2擬合驗(yàn)證于2024年7月3日一2024年7月9日，在各測點(diǎn)放置溫、濕度儀，自動記錄每日8：00-21：00 的氣溫。南、北走廊教學(xué)樓各選取1間標(biāo)準(zhǔn)層教室，將其實(shí)測氣溫?cái)?shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖3所示。圖3中： θ 為溫度； Δθ 為實(shí)測溫度與模擬溫度的差值。

由圖3可知：北、南走廊教室的實(shí)測溫度與模擬溫度的最大差值分別為 2.33.2.10° ，最小差值分別為 0.01.0.21° ；均方根誤差分別為1.3、1.2；判定系數(shù) （R²） 分別為0.69、0.60；相關(guān)系數(shù)分別為0.83、0.78。參照文獻(xiàn)[16」，將相關(guān)系數(shù)的絕對值分3個(gè)等級， 0～lt;0.33 之間為弱相關(guān)， 0.33～lt;0.66 為中度相關(guān)， 0.66～1.00 為高度相關(guān)。由此可知，實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果高度相關(guān)，表明DesignBuilder模擬的結(jié)果具有足夠的可靠度，可用于教學(xué)樓的能耗模擬。

1.3Low-E玻璃窗構(gòu)造設(shè)計(jì)方案

改造前，該教學(xué)樓群采用單層普通玻璃（ （6mm） ）。夏熱冬暖地區(qū)的節(jié)能窗普遍采用遮陽型中空Low-E玻璃。采用中空Low-E玻璃[4 替換原教學(xué)樓玻璃窗，將單層普通玻璃、單層Low-E玻璃、中空普通玻璃及中空Low-E玻璃4種玻璃進(jìn)行比較。4種玻璃的熱工參數(shù)，如表1所示。

2 改造方案比較

對采用不同工況的教學(xué)樓進(jìn)行全年的能耗模擬。對不同工況進(jìn)行編號，如表2所示。能耗模擬共計(jì)20 種工況，其中，AO、BO為改造前，即使用單層普通玻璃的2種工況； A1～A3 、 B1～B3 為使用中空Low-E玻璃改造的6種工況； A4～A6.B4～B6 為使用單層Low-E玻璃改造的6種工況； A7～A9 、B7＼～B9為使用中空普通玻璃改造的6種工況。

2.1 不同改造方案的能耗比較

對中空Low-E玻璃和單層普通玻璃的能耗進(jìn)行對比，如圖4所示。圖4中： E 為能耗。不同單層Low-E玻璃和中空普通玻璃應(yīng)用方案的能耗對比，分別如圖5、6所示。對比圖 4～6 ，從布局方式和中空Low-E玻璃的應(yīng)用方案兩方面，分析Low-E玻璃應(yīng)用于教學(xué)樓的節(jié)能效果。

2.1.1不同布局方式在20 種工況下，北走廊的布局方式均較南走廊的能耗高。改造前，南走廊教學(xué)樓較北走廊教學(xué)樓的照明能耗高 51kW?h ，制熱能耗低 805kW?h ，制冷能耗低 11453kW?h ，總能耗低 14.0% ;使用中空Low-E玻璃的工況下，南走廊的布局方式較北走廊的照明能耗高 115kW?h ，制冷能耗低 3063kW?h ，制熱能耗低 481kW?h ，總能耗低 5.6% 。

2.1.2不同中空Low-E玻璃的應(yīng)用方案南走廊布局的教學(xué)樓，若兩側(cè)均使用中空Low-E玻璃，則相較改造前，照明能耗升高了 658kW?h ，制熱能耗降低了 396kW?h ，制冷能耗降低了 10 037kW ·h，總能耗降低了 18.0% ;若僅在南側(cè)布置中空Low-E玻璃，則相較改造前，照明能耗升高了 83kW ·h ，制熱能耗幾乎不變，制冷能耗升高了 2188kW?h ，總能耗降低僅 3.9% ；若僅在北側(cè)布置中空Low-E玻璃，則相較改造前，照明能耗升高了 331kW?h ，制熱能耗降低了 388kW?h ，制冷能耗降低了5629kW?h ，總能耗降低了 10.5% 。

北走廊布局的教學(xué)樓，若兩側(cè)均使用中空Low-E玻璃，則相較改造前，照明能耗升高了 589kW ·h ，制熱能耗降低了 72kW?h ，制冷能耗降低了 13566kW?h ，總能耗降低了 21.9% ；若僅在南側(cè)布置中空Low-E玻璃，則相較改造前，照明能耗升高了 346kW?h ，制熱能耗降低了 53kW?h ，制冷能耗降低了 9840kW?h ，總能耗降低了 15.9% ;若僅在北側(cè)布置中空Low-E玻璃，則相較改造前，照明能耗升高了 46kW?h ，制熱能耗降低了 140kW?h ，制冷能耗降低了 1035kW?h ，總能耗降低僅 1.9% 。

單層Low-E玻璃的6種工況，較改造前能耗降低均不超過 8.1% 。中空普通玻璃的6種工況，較改造前能耗降低均不超過 1.1% 。

2.2中空Low-E玻璃改造方案的經(jīng)濟(jì)性比較

經(jīng)濟(jì)性是衡量減碳效果的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。據(jù)調(diào)研， 6mm 單層普通玻璃的價(jià)格約為60元·m^-3 ，中空Low-E玻璃的價(jià)格約為 260～280 元·m^-3[17-19] 。凈現(xiàn)值（NPV）的表達(dá)式為

上式中： C_t 為第 χ_t 年的現(xiàn)金流， Ψ_t 為時(shí)間期數(shù)； r 為折現(xiàn)率； n 為總的時(shí)間期數(shù)。

取折現(xiàn)率 r=10% ，電價(jià)為0.5元·（kW?h）^-1 ，教學(xué)樓的使用年限為 50a^[20-21] 。改造后，不同中空Low-E玻璃工況的經(jīng)濟(jì)性對比，如表3所示。

由表3可知：6種中空Low-E玻璃工況在壽命周期內(nèi)的凈現(xiàn)值均為負(fù)值。中空Low-E玻璃應(yīng)用于北走廊布局的教學(xué)樓的節(jié)能效果總體優(yōu)于南走廊。在南走廊的布局方式下，選擇A1工況，即兩側(cè)均布置中空Low-E玻璃的方案，其靜態(tài)投資回收期最短，但初始投資金額較大。在北走廊的布局方式下，選擇 B2工況，即僅在南側(cè)布置中空Low-E玻璃的方案，其靜態(tài)投資回收期最短，且初始投資金額較小，雖然壽命周期內(nèi)凈現(xiàn)值為虧損，但其節(jié)能效果顯著，若產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)改良，則B2工況具有推廣的潛力。

3 結(jié)論

1）從布局方式看，對于南、北走廊兩種布局的教學(xué)樓而言，南走廊的布局方式更節(jié)能，而采用Low-E玻璃改造對北走廊的教學(xué)樓更有效。由實(shí)測結(jié)果可知，在夏季，其使用時(shí)段內(nèi)的平均氣溫比北走廊高2.5° 。原因可能是南側(cè)走廊遮擋了夏季直射的陽光，有效降低了氣溫，從而降低了能耗。因此，在相關(guān)建筑的設(shè)計(jì)中，宜優(yōu)先采用南走廊的布局。由模擬結(jié)果可知，改造前，北走廊布局方式的全年能耗比南走廊高 14.0% ，而兩側(cè)普通玻璃均采用中空Low-E玻璃外窗改造后，北走廊教學(xué)樓的南向外窗得熱量減少，此時(shí)南走廊教學(xué)樓的南向外窗由于走廊的遮擋，得熱量減少并不明顯。改造后，北走廊教學(xué)樓的全年能耗相比南走廊教學(xué)樓的能耗差距從原先的 14.0% 縮小到 5.6% 。

2）采用中空Low-E玻璃改造的外窗構(gòu)造有明顯的節(jié)能效果。在南、北走廊的教學(xué)樓中，若將6mm 單層普通玻璃改造成中空Low-E玻璃，則照明能耗均有一定程度的增大，原因可能是Low-E玻璃降低了可見光透過率，使照明能耗增加。但從總能耗看，南、北走廊的教學(xué)樓分別可以節(jié)能 18.0% 和21.9% ，每年最多可減少能耗 10.2kW?h?m^-2 。

3）6種使用中空Low-E玻璃的工況中，對北走廊教學(xué)樓的南側(cè)外窗采用中空Low-E玻璃改造（即B2 工況），其節(jié)能效果較好。對于北走廊的教學(xué)樓，若僅在南面布置Low-E玻璃，比僅在北側(cè)布置Low-E玻璃節(jié)能增加 14.0% ，比雙側(cè)均布置Low-E玻璃節(jié)能減少 6.0% 。而對于南走廊的教學(xué)樓，單側(cè)布置Low-E玻璃最多節(jié)能 10.5% ，雙側(cè)均布置Low-E玻璃可節(jié)能 18.0% 。單側(cè)布置可以減少初始投資，使節(jié)能改造方案更容易被接受。因此，在節(jié)能改造中，可重點(diǎn)考慮北走廊教學(xué)樓，且為減少初始成本，可采用僅在南側(cè)布置Low-E玻璃的方案。

4）從經(jīng)濟(jì)性看，Low-E玻璃尚不適用于夏熱冬暖地區(qū)的教學(xué)建筑。雖然使用Low-E玻璃進(jìn)行節(jié)能改造可以明顯降低能耗，但成本較高，在整棟建筑的壽命周期內(nèi)，虧損可達(dá)15元·m^-2 。在采用中空Low-E玻璃的6種工況中，壽命周期內(nèi)凈現(xiàn)值均為負(fù)數(shù)。雖然中空Low-E玻璃最多全年可節(jié)電10.2kW?h?m^-2 ，但其成本較高，投資回收周期較長，初始投資較高，若著重考慮經(jīng)濟(jì)性，則不宜使用。

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（責(zé)任編輯：黃曉楠 英文審校：方德平）