夏熱冬冷地區既有公共建筑窗戶節能改造技術優化★

祁少明 徐夢杰 葛子豪 張 帥

(常州工學院，江蘇 常州 213002)

夏熱冬冷地區既有公共建筑窗戶節能改造技術優化★

祁少明 徐夢杰 葛子豪 張 帥

(常州工學院，江蘇 常州 213002)

選取夏熱冬冷地區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能改造技術的建筑能耗狀況，得出該區既有建筑節能改造更換窗戶時不僅應考慮窗戶的傳熱系數，而且要考慮選用小的太陽得熱系數；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，既有公共建筑，窗戶，節能改造

0 引言

我國既有非節能公共建筑數量大，運行能耗高，節能改造迫在眉睫。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%用于空調制冷和采暖系統[1]。夏熱冬冷地區的既有公共建筑主要對空調系統進行節能改造，但保溫隔熱性能先天不足的圍護結構必然會導致能耗大幅度升高[2]。外窗是圍護結構的重要組成部分，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結構的50%左右，外窗的節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，外窗的節能改造是公共建筑節能改造的重點[3]。節能改造技術應具有季節應變性，夏熱冬冷地區的大型公共建筑節能改造，不能生搬寒冷地區的改造方案和技術措施，需要研究因地制宜的節能改造措施[4]。

1 研究對象及計算輸入參數

1.1 研究對象概況

選擇夏熱冬冷地區代表性城市南京，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，設有6個會議室。辦公樓圍護結構構造做法及熱工參數見表1。

表1 辦公樓圍護結構做法及熱工參數 W/(m2·K)

1.2 輸入參數

研究對象所處地理位置為：北緯32°，東經118.8°。DeST-C模擬軟件的各類房間內擾設置的默認值是以大量調查為基礎的，較符合正常相應建筑運行狀況，本文模擬計算輸入內擾參數選取默認值。

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行建筑冷熱負荷及總負荷模擬，分析不同類型窗戶的節能率，得出夏熱冬冷地區既有公共建筑更換窗戶節能改造適宜的措施。幾種窗戶類型的參數見表2。根據GB 50189—2015公共建筑節能設計標準中的規定：SHGC=SC×0.87[5]。

表2 不同類型窗戶的參數

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

(1)

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

從圖1和圖2可以看出：

1)夏熱冬冷地區建筑的空調季冷負荷指標遠大于采暖季熱負荷指標，即該區的能耗主要用于夏季空調制冷；

2)在窗戶的遮陽系數和太陽得熱系數接近的情況下，隨著窗戶傳熱系數的減小，建筑采暖季熱負荷指標逐漸減小，建筑空調季冷負荷指標逐漸增大，但建筑全年總負荷指標逐漸減小，幾種窗戶的總負荷由55.18 W/m2降到48 W/m2，全年節能率達到13.5%，即夏熱冬冷地區的窗戶宜選擇傳熱系數小的窗戶；

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

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

3 窗戶設置遮陽對建筑能耗的影響

窗戶遮陽是夏熱冬冷地區夏季隔熱的主要措施之一。在既有辦公建筑節能改造中，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。根據JGJ 134—2010夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準的計算式[6]：

SD=ax2+bx+1

(2)

x=A/B

(3)

其中，SD為外遮陽系數；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均為外遮陽系數計算用的擬合系數。

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

表3 不同出挑深度水平遮陽的遮陽參數

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荷增加，而建筑空調季冷負荷減小，建筑總負荷減小，說明設置遮陽對建筑節能有利；b.由于增加水平遮陽板使太陽得熱系數降低幅度小，水平遮陽板出挑從300 mm增加到1 200 mm，太陽得熱系數從0.65降低到0.51，全年總節能率從0.8%上升到4.13%，說明夏熱冬冷地區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JGJ 134—2010夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準的規定，外遮陽系數計算用的擬合系數：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]。考慮結構的合理性、立面的美觀性、經濟性等，百葉設置A=300 mm，B=300 mm。利用式(2)，式(3)，計算百葉遮陽的外遮陽系數SD(如表4所示)。同時計算研究建筑外窗夏季綜合遮陽系數SCw和太陽得熱系數SHGC。

表4 水平百葉遮陽的遮陽參數

選擇水平百葉的片數分別為2片～6片，百葉間距300 mm，與無遮陽情況能耗模擬結果比較見圖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荷增加量很小，增加量僅為1.35%以下，而建筑空調季冷負荷減小量較大，減少量最大達15.13%，全年總負荷節能率最大為10.8%，說明設置百葉遮陽對建筑夏季空調節能有利；

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

4 窗戶改造后的建筑能耗

根據上述的分析，對研究的辦公樓窗戶進行改造，窗戶選擇斷熱鋁合金Low-E中空玻璃(6+12A+6)，其傳熱系數為2.8 W/(m2·K)，設置深度為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冷負荷由改造前的41.65 W/m2降低到33.26 W/m2，冬季采暖熱負荷由14.83 W/m2降低到11.86 W/m2，全年節能率達20.11%，節能效果明顯。

表5 改造前后建筑能耗指標和節能率

5 結語

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

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

3)夏熱冬冷地區既有公建改造不宜采用設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能重點[J].建設科技，2006(7)：10-13.

[2] 任乃鑫，阮 帆，趙宇洲.夏熱冬冷地區既有辦公建筑圍護結構節能改造[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2012，28(4)：678-683.

[3] 張志順，李明軍，劉 琪.既有建筑改造設計中生態節能適宜技術的應用[J].建筑技術，2015，46(2):110-112.

[4] 程 云，鄭榮躍，黃 莉，等.夏熱冬冷地區既有公共建筑圍護結構節能改造策略研究[J]，建筑節能，2014，42(8)：102-106.

[5] GB 50189—2015，公共建筑節能設計標準[S].

[6] JGJ 134—2010，夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準[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 ★：常州工學院自然科學基金項目(YN1306)；江蘇省大學生創新項目(201611055008Z)

祁少明(1970- )，男，實驗師

TU201.5

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