導(dǎo)語：辦公樓建筑節(jié)能研究論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：本文利用調(diào)研測試結(jié)果，設(shè)計出廣州地區(qū)典型的辦公樓建筑模型及其通風(fēng)空調(diào)方案，針對目前常用的24種窗戶節(jié)能方案，利用美國能源部開發(fā)的DOE-2軟件對各方案進行建筑物全年的能耗計算。對比分析各方案的計算結(jié)果，定量分析了不同窗戶節(jié)能措施對建筑能耗的影響。結(jié)合辦公樓建筑的特點，提出了廣州地區(qū)該類建筑在外窗熱工性能、外窗遮陽方式以及窗墻比取值等方面的具體建議。

關(guān)鍵詞：辦公樓節(jié)能外窗遮陽窗墻比

1概述

辦公樓建筑規(guī)模大，室內(nèi)人數(shù)多，照明量大，內(nèi)部發(fā)熱量很大。在空調(diào)供冷期中，白天上述內(nèi)部發(fā)熱量蓄積于圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)，夜里室外氣溫下降，希望熱量向外排得越快越好；在過渡季節(jié)，內(nèi)部發(fā)熱量的自然排放受阻也會使供冷時間延長。因此，在不考慮供暖、夏熱期又較長的廣州地區(qū)，辦公樓建筑圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱與放熱的平衡問題尤為重要。窗戶作為圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱的薄弱部位，其處理就較為復(fù)雜。一方面，應(yīng)把外窗視為放熱和減少辦公室照明負(fù)荷的部位，不宜過分絕熱和過分減小面積；另一方面，若不考慮窗戶的絕熱，夏季又會由窗戶向室內(nèi)侵入大量的熱量（包括太陽直射得熱），從而增大供冷負(fù)荷，影響室內(nèi)熱舒適度[1]。因此，必須根據(jù)該地區(qū)的氣候特點和辦公樓建筑的負(fù)荷特點，對外窗進行適度的節(jié)能設(shè)計。本文針對廣州地區(qū)辦公樓建筑的特點，利用美國能源部開發(fā)的DOE-2軟件進行建筑物全年的能耗計算，對模擬計算的結(jié)果分析比較，得出了該地區(qū)辦公樓建筑外窗節(jié)能設(shè)計的一些結(jié)論。

2建筑模型及計算方法選擇

2.1建筑模型

圖1廣州地區(qū)辦公樓建筑模型標(biāo)準(zhǔn)層

表1建筑模型圍護結(jié)構(gòu)主要材料及熱工性能表單位：W/(m2•K)構(gòu)件名稱

外墻

內(nèi)墻

樓底地面

屋面

樓板

主要材料

鋼筋混凝土＋聚苯板內(nèi)隔熱層

加氣

混凝土

混凝土

空氣層＋水泥爐渣＋空心樓板＋聚苯板隔熱層

鋼筋

混凝土

傳熱系數(shù)K

0.92

2.69

1.02

0.91

2.58

模型為一棟南北朝向的條形建筑，其標(biāo)準(zhǔn)層平面圖見圖1。該建筑共9層，地下一層，層高為4.8m；地上8層，層高為3m，總建筑面積約7803.84m2，體形系數(shù)約為0.31，南立面窗墻比為0.42。模型除窗戶以外的圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)參照文獻[2]及有關(guān)熱工節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，詳情見表1。

2.2計算基本條件

筆者對廣州地區(qū)近年來新建的具有代表性的10棟辦公大樓室內(nèi)熱環(huán)境和空調(diào)運行狀況進行了實測和調(diào)查，并參照有關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，確定出了典型的辦公樓建筑能耗計算的基本條件。

室內(nèi)空調(diào)溫度26℃，冬季不采暖，編號為05～16的辦公室內(nèi)平均換氣次數(shù)為1.5次/h，其余面積較大的辦公室換氣次數(shù)取1.2次/h，走道等輔助空間無空調(diào)?？照{(diào)系統(tǒng)采用電制冷集中式制冷設(shè)備，機組額定能效比為3.5。空調(diào)設(shè)備運行時間定為：周一到周五上午7:30～11:30，下午2:30～5:30。擬定每間辦公室平均有兩人，每人散熱量為0.1kW；電腦兩臺，每臺電腦功率以0.2kW計算；辦公室內(nèi)家具量為10.8kg/m2地板面積[3]。房間以自然采光為主，不考慮照明散熱，辦公設(shè)備每天開啟時間與工作時間一致。

3模擬與分析

3.1模擬方案及計算結(jié)果

窗戶結(jié)構(gòu)和遮陽措施方案及其模擬計算結(jié)果見表2。表中，方案1～3旨在比較相同節(jié)能外圍護結(jié)構(gòu)條件下，窗戶傳熱系數(shù)對建筑能耗的影響，在計算時，窗戶遮蔽系數(shù)SC均取值為0.9；方案4～25代表單層鋁合金普通玻璃窗采用不同遮陽方式的計算方案，旨在比較不同遮陽方式在空調(diào)季的節(jié)能效果。其中，方案1為基礎(chǔ)能耗，各方案的節(jié)能率是以方案1為基準(zhǔn)算出的。節(jié)能率計算公式如下：

（1）

表2模擬方案及計算結(jié)果方案

編號

窗戶節(jié)能方案內(nèi)容

年耗冷量

(kWh/m2)

年耗電量

(kWh/m2)

節(jié)能率

(%)

1

單層普通鋁合金窗，K=6.4W/(m2•K)

55.09

15.74

2

PVC框單層透明玻璃窗，K=4.7W/(m2•K)

55.99

16.00

1.63

3

鋁合金框雙層透明玻璃，K=2.3W/(m2•K)

•K)

59.03

16.86

7.15

4

淺色布簾活動內(nèi)遮陽，SC=0.52

41.31

11.80

-25.01

5

中間色布簾活動內(nèi)遮陽，SC=0.62

44.03

12.58

-20.08

6

熱反射鍍膜（銀色）遮陽，SC=0.23

24.75

7.07

-55.07

7

Low-E鍍膜（低SC值）遮陽，SC=0.35

29.70

8.48

-46.09

8

Low-E鍍膜（中SC值）遮陽，SC=0.46

34.46

9.85

-37.45

9

Low-E鍍膜（高SC值）遮陽，SC=0.6

40.78

11.65

-25.98

10

鋁制百頁卷簾活動外遮陽，透射率=0.09

29.13

8.32

-47.12

11

木制百頁卷簾活動外遮陽，透射率=0.12

20.99

6.00

-61.90

12

水平固定外遮陽，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

水平固定外遮陽，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

垂直固定外遮陽（突出墻面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

垂直固定外遮陽（突出墻面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

綜合固定外遮陽（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

綜合固定外遮陽（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

擋板固定外遮陽（距墻面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：表中窗戶傳熱系數(shù)K、遮陽系數(shù)SC和固定外遮陽物透射率的取值是綜合了各類書籍及廠家提供的資料，不同廠家產(chǎn)品的熱工性能會有些差別，此處僅作為計算取值，表中的SC值為窗戶總的SC值。

3.2結(jié)果分析

3.2.1窗戶傳熱系數(shù)對建筑能耗的影響

方案1～3的空調(diào)耗冷量與其對應(yīng)的窗戶傳熱系數(shù)關(guān)系見圖2。從圖中可以看出，辦公樓建筑單位面積空調(diào)年耗冷量隨窗戶傳熱系數(shù)的降低而增加。這說明廣州地區(qū)在不改善除窗戶以外的其它外圍護結(jié)構(gòu)熱工性能情況下，僅降低窗戶傳熱系數(shù)，不但不能降低辦公樓建筑夏季空調(diào)年耗冷量，反而因其阻礙了室內(nèi)熱量的散發(fā)而使建筑的空調(diào)年耗冷量大于基礎(chǔ)建筑的年耗冷量，這時，就出現(xiàn)了所謂的“節(jié)能”窗戶不節(jié)能的情況。

3.2.2窗戶遮陽對辦公樓建筑能耗的影響

（1）活動遮陽對模型能耗的影響

計算結(jié)果表明，活動內(nèi)遮陽措施（方案4、5）和活動外遮陽措施（方案10、11）能有效降低夏季空調(diào)耗冷量，節(jié)能率高達20%左右。特別是木制百頁卷簾外遮陽措施（方案11），能把太陽直射輻射阻擋在室外，同時還因具有較大的熱阻而有效地減少通過窗戶的溫差傳熱損失，因此空調(diào)年耗冷量節(jié)能率高達61.9%。而且，活動遮陽措施對建筑冬季室內(nèi)熱環(huán)境幾乎不產(chǎn)生影響。

（2）玻璃鍍膜對模型能耗的影響

根據(jù)表2的計算結(jié)果，可以得出辦公樓模型空調(diào)年耗冷量節(jié)能率與遮蔽系數(shù)SC之間的關(guān)系，見圖3。從圖中可以看出，隨著窗戶SC值的降低，空調(diào)年耗冷量的節(jié)能率呈線性增長，由此可得出二者之間的線性回歸方程，見式（2）。

（2）

相關(guān)系數(shù)

式中，——單位面積空調(diào)年耗冷量節(jié)能率，%。

（3）固定外遮陽措施對建筑模型能耗的影響

方案12～25的計算結(jié)果表明，空調(diào)耗冷量節(jié)能率均隨固定遮陽物透射率的增大而減少，但不同遮陽形式對透射率的敏感程度不同。其中，擋板遮陽對透射率最敏感，當(dāng)透射率從0.7減少至0.35，空調(diào)耗冷量節(jié)能率就增加了17.63個百分點；而透射率對綜合遮陽方式的節(jié)能率的影響最小。

另外，固定遮陽的方式對模型空調(diào)年耗冷量的影響也非常顯著。對于南向辦公樓建筑，擋板遮陽和綜合遮陽的節(jié)能效果較好；寬度為0.5m的垂直遮陽和水平遮陽的節(jié)能效果不甚理想，但相比而言，水平遮陽效果優(yōu)于垂直遮陽。特別值得一提的是，綜合遮陽在方式上雖然是垂直遮陽和水平遮陽的疊加，但其夏季節(jié)能率卻大于后二者節(jié)能率的疊加。

同時，遮陽物的尺寸也是影響其遮陽效果的一個重要因素。遮陽物寬度從0.5m增大到1.5m時，水平遮陽、垂直遮陽和綜合遮陽方式的空調(diào)單位面積年耗冷量節(jié)能率均可增加1倍甚至更高。

3.2.3窗墻比對辦公樓建筑能耗的影響

改變建筑模型的朝向以及該朝向上窗戶和墻的面積，就可以分析不同朝向建筑能耗對窗墻比的敏感程度。由于窗戶遮蔽系數(shù)的降低對夏季空調(diào)耗冷量的節(jié)約效果非常明顯。模型在方案1和方案6～9的基礎(chǔ)上，分析其窗戶取不同遮蔽系數(shù)時，不同朝向的典型建筑模型在不同窗墻比下的能耗水平。圖4給出了建筑模型在不同朝向下，窗墻比（取值范圍為0.36～0.89）與辦公樓建筑單位面積空調(diào)年耗冷量的關(guān)系曲線。通過對各曲線的對比分析，可得出如下結(jié)論：

（1）不同朝向，窗墻比變化對建筑能耗的影響程度不同。相同SC值，東向窗墻比變化對建筑空調(diào)耗冷量的影響最明顯，其關(guān)系曲線斜率最大，然后依次為西向、南向和北向。

（2）相同朝向，不同遮蔽系數(shù)的窗戶，其窗墻比變化對建筑能耗的影響程度不同。遮蔽系數(shù)越低，窗墻比對建筑空調(diào)耗冷量的影響就越不明顯。

4結(jié)論

通過前面對模擬計算結(jié)果的分析，結(jié)合廣州地區(qū)的氣候特點和辦公樓建筑本身的特點，可以得到如下關(guān)于該地區(qū)窗戶節(jié)能的結(jié)論：

4.1采用單層鋁合金窗能滿足該地區(qū)辦公樓建筑在窗戶熱工性能方面的要求，盲目使用雙層玻璃窗或其它傳熱系數(shù)較低的窗戶既增大了投資，也無益于建筑節(jié)能。

4.2遮陽對廣州地區(qū)辦公樓建筑空調(diào)節(jié)能具有重大的意義，是實現(xiàn)窗戶節(jié)能目標(biāo)的主要手段。其中活動外遮陽效果最好，且對冬季室內(nèi)熱環(huán)境影響很小，但使用這種遮陽方式對建筑外觀影響較大，因此在現(xiàn)代辦公樓的遮陽中使用較少。在實際應(yīng)用中，使用最廣的是玻璃鍍膜和活動內(nèi)遮陽方式，即降低窗戶SC值的方式，但并非所有朝向的窗戶都是SC值越低越好。不同朝向推薦窗戶遮陽方式見表3。

表3不同朝向推薦窗戶遮陽方式朝向

推薦遮陽方式

南向

降低窗戶的SC值為主，如淺色布簾、中等SC值（0.4～0.6）的鍍膜玻璃等

西向

選用對太陽高度不敏感的遮陽措施，如低SC值（0.4以下）的鍍膜玻璃，如果建筑外觀允許，可選用活動外遮陽、擋板遮陽等方式。

北向

經(jīng)濟條件不允許時，可不考慮北向窗戶的遮陽，如需要可選活動遮陽或水平（垂直）固定外遮陽方式。

東向

選用對太陽高度不敏感的遮陽措施，可選用中等或稍高SC值的鍍膜玻璃（如SC值為0.6的Low-E膜），其余同西向。

4.3模擬計算結(jié)果表明，廣州地區(qū)辦公樓建筑采暖能耗和空調(diào)能耗均隨窗墻比的增大而增大，因此，在滿足采光、通風(fēng)的前提下，減小窗戶面積有利于該地區(qū)建筑節(jié)能。不同朝向、不同遮蔽系數(shù)下，窗墻比對建筑能耗的影響程度不同，應(yīng)區(qū)別對待，詳見表4。

表4廣州地區(qū)辦公樓建筑窗墻比的確定朝向

窗墻比取值

南向

南向窗戶可適當(dāng)增大面積，以滿足室內(nèi)采光、通風(fēng)要求和建筑在立面外觀造型上的要求，窗戶取中等SC值時，南立面窗墻比可在0.45～0.7之間取值；在對冬季熱環(huán)境要求不高時，可采用更低SC值的窗戶，此時南向窗戶面積就可不受上述范圍的限制。

東、西向

盡量避免這兩個朝向的開窗，需開窗時，在有遮陽措施的前提下其窗墻比應(yīng)不大于0.4。

北向

采用遮陽措施的北向窗戶或?qū)Χ臼覂?nèi)熱環(huán)境要求不高的辦公樓建筑可適當(dāng)放寬其窗戶面積的限制，但當(dāng)無遮陽措施時，北向窗墻比應(yīng)小于0.4。

參考文獻

[1]山田雅士著，景桂琴譯，建筑絕熱，北京：中國建筑工業(yè)出版社，1987

[2]中國建筑科學(xué)研究院，夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，JGJ75－2003，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003

[3]趙志安，對辦公樓類型建筑物間歇空調(diào)設(shè)計負(fù)荷的簡化計算，空調(diào)負(fù)荷實用計算法，北京：中國建筑工業(yè)出版社，1989