優化外圍護結構熱工性能對未來辦公室內熱負荷的影響研究

陳宇華[仲量聯行測量師事務所(上海)有限公司， 上海 200041]

在建筑節能和環境保護成為建筑設計關注點和必答題的大趨勢中，外圍護結構的熱工性能不斷提升，外圍護結構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構的熱性能，則可能會導致以下兩個問題。一是可能會影響建筑外圍區域人員的熱舒適性。二是隨著 LED 照明和筆記本電腦等的廣泛應用，辦公設備能耗大幅減少，冬季辦公室外圍區域預計將更多出現需要供暖的工況。

通常在辦公樓常規設計中，外圍護結構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熱負荷（如照明和插座負荷）占比相對較高。另一方面，常規建筑設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。不重視外圍護結構的熱工性能可能會導致以下兩個設計問題。① 外圍護結構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，從而降低環境質量和體驗感受。② 隨著LED 照明燈具和筆記本電腦在辦公室中的廣泛使用，室內熱負荷將顯著下降，從而在冬季辦公室外圍區域將產生更高的供暖需求。如果缺乏適當設計外圍護結構的熱工性能，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構的熱工性能以同時保證建筑節能和使用者的熱舒適性。

1 文獻調研

根據田邊教授(日本早稻田大學)團隊對節能和辦公室環境舒適度調查的研究，照明系統和辦公設備系統的現場測量數據顯示，自 2011 年地震以來，日本辦公樓室內熱負荷已顯著下降。該研究還論證了較差的外圍護結構的熱工性能將導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境中的供暖和供冷需求的因數。研究時建議未來辦公設計時，還需要考慮所使用的插座和照明設備的功率變化和效率提升。Michal D 的研究根據文獻調研和實測結果，論述了電腦和電腦顯示器的熱負荷變化趨勢。該研究強調，ASHRAE 公布了辦公設備熱負荷的推薦值（ASHRAE Fundamentals 2005）是基于 20 世紀 90 年代的研究數據。但實測結果發現，一般辦公設備的峰值熱負荷與銘牌功耗之比通常在25%～50% 之間，當銘牌功耗 ＜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 公布的設計值相比，使用者的使用率是造成實際辦公設備負荷減少的另一個關鍵因素。根據 Osaman S 的研究，對于現有美國的商業建筑而言，不同地理位置和不同類型的建筑都出現了照明負荷減少的現象。在溫暖氣候條件下，照明負荷的減少將有助于節省空調制冷能耗。但在寒冷氣候環境中，照明負荷的減少反而會造成空調熱負荷的增加。為此，需要針對特定地理區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

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

表 1 世界各國外墻和玻璃的熱工性能設計參數

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

這類外圍護結構的熱工性能要求通常包含在建筑能源規范[Building Energy Code (BEC)]中，此規范于 1973 年石油危機后開始開發和使用。美國 BEC 主要是 ASHRAE 90 這一設計規范，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 對于外圍護結構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 的要求主要體現在 Part L 設計規范中，從 2002 年、2006 年和 2013 年的版本中都有相同的外圍護結構熱工性能要求。中國的第一個 BEC 是在 1993年為酒店項目開發的，在這個設計規范中僅對遮陽系數 SC值作了要求，需要同時滿足窗墻比為 0.45。在實際項目設計中，外圍護結構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。

表 2 世界各國甲 A 辦公樓的幕墻設計參數

實際項目數據表明，實際項目設計中的外圍護結構的熱工性能都高于設計規范要求。例如，盡管美國設計規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）的超高熱工性能產品。在英國和中國的項目中都可以發現相同的情況，通常設計中外圍護結構采用了高出規范要求 20% 的熱工性能。同時也可以總結出以下行業背景狀況。

（1）在建筑行業中已確立了節能的重要性。

（2）對新建建筑項目而言，確保和提高外圍護結構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計指南”(ASHRAE 90383, 2011)中還設置了更高的外圍護結構熱工性能設計標準。如在上海等屬于氣候區 3 的地理位置，建筑物需要將窗墻比從 40% 降低到 20%。

3 辦公室的內部熱負荷

辦公室的內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。新技術的發展，如云計算、移動技術、虛擬辦公室和新工作方式一直在不斷向下調整人員密度。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 Nagata 自 2005 年的調查，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，所產生的內部熱負荷將更是微不足道。表 3 列舉了辦公室內部熱負荷的設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 各國能耗設計標準

4 結 語

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