外窗遮阳对闽北办公建筑综合能耗的影响

陶求华,庄 杰

(1.集美大学机械工程学院厦门361021;2.福建华电永安发电有限公司永安366000)

0 引言

从终端用能角度看,办公建筑能耗主要包括空调系统、照明、办公设备等三个方面的耗能,主要节能潜力在空调系统能耗、照明系统能耗两方面[1],而这两方面能耗都跟建筑外窗有关。建筑外窗带给人们阳光、温暖和风景,同时也是夏季得热的重要来源[2],建筑通过外窗损失的能耗往往占围护结构总能耗的50%左右,约为墙体的4倍[3]。随着我国建筑业的高速发展和建筑节能的全面推进,节能设计标准和民众对外窗的热舒适等性能要求越来越高,但目前我国大部分既有建筑和新建建筑窗玻璃采用的是普通透明玻璃,既不节能也不安全,即使是传热系数较低的中空玻璃也不能达到既经济适用又安全可靠的要求。本文将采用建筑能耗模拟分析软件DEST,模拟分析闽北地区办公建筑外窗由于太阳辐射得热引起的能耗特点。

1 外窗太阳辐射得热数学模型

太阳辐射是影响建筑室内热环境的重要因素。以南平地区为例,夏季太阳直射辐射强度最高可达1045 W/m2,太阳总辐射强度高达1309 W/m2。透过玻璃窗的太阳辐射得热量与玻璃窗的朝向有关,并随季节与每天的具体时刻而变化。i朝向τ时刻玻璃窗的太阳辐射得热量按下式计算 [4]:

式中:

Q1(i,τ)—i朝向τ时刻玻璃窗辐射得热,W;SSGD(i)—i朝向τ时刻太阳直射得热,W/m2;SSGd(i)—i朝向τ时刻散射得热,W/m2;F(i)—i朝向窗面积,m2;

Xf—窗玻璃的有效面积系数,%;

Xs(i)—阳光实际照射面积比;SC—无遮阳透明单(双)层玻璃窗的遮阳系数整窗的遮阳系数SC、太阳能得热系数SHGC与整窗的太阳能透过率T、吸收率P之间的关系为[5]:0.87Sc-Px=T,SHGC-Px=T,对于普通玻璃,Px很小,可近似认为T=SHGC=0.87SC。

综上,采取措施减小整窗的太阳能透过率,可减小玻璃窗的太阳辐射得热量,降低室内温度,减小空调能耗。

2 建筑侧窗采光数学模型

对于室内采光状况,一般用采光系数C作为衡量建筑室内采光的指标[6]:

式中:

Cd′—侧窗窗洞口的采光系数,受房间的进深、开间和窗高影响;

Kp′—侧面采光的室内反射光增量系数,与室内表面采用材料颜色有关;

Kw—侧面采光的室外建筑物挡光折减系数;

Kc—侧面采光的窗宽修正系数,取建筑长度方向一面墙上的窗宽总和与建筑长度之比;

Kτ′—侧面采光的总透射比;

式中:

τ—玻璃可见光透射比;

τc—窗的挡光折减系数;

τw—玻璃的污染折减系数

由上式可知,如果减小可见光透射比,侧面采光总透射比减小,相应的采光系数减小,使得室内自然采光量降低。一般地,采用遮阳措施后,可见光透射比会减小,影响室内天然采光,不得不增加人工照明补偿,从而加大办公建筑照明能耗。

由以上讨论可知,外窗遮阳可以减小夏季空调能耗,增加照明能耗,外窗遮阳应综合考虑照明能耗和空调能耗,兼顾空调制冷与照明用电间的能耗平衡,选择适合于闽北地区办公建筑的遮阳措施。

3 办公建筑外窗DeST模拟

3.1 建筑模型及参数设置

1)建筑模型

研究以南平地区一个办公建筑为例,建筑立体模型如图 1所示。该建筑共11层,建筑面积 9 900m2,各朝向的窗墙比均为0.46。

图1 南平地区办公建筑示意图

其围护结构热工参数设置见表1。

表1 围护结构热工参数设置表

2)参数设置

夏季室内设计温度26℃,最多人员密度为0.1人/m2,灯光产热为0～10W/m2,设备产热为0～20W/m2,最低新风量为30m3/(人·h);设定最低照度300 lx,建筑运行时间为每周周一至周五,上午7点至晚上8点钟。

3.2 模拟分析方法

本文通过对比分析探讨外窗综合遮阳系数Sw对南平地区办公建筑综合能耗的影响,外窗的具体参数见表2。

表2 相同的外窗玻璃传热系数与不同综合遮阳系数

首先,采用建筑环境模拟分析软件DeST对上述外窗进行建筑采光计算,得到各种情形下的自然采光量。

假定办公建筑照明系统可根据逐时照度进行智慧控制,在上班时段08∶00～16∶00,若自然采光照度≥300 lx,人工照明关闭;若不足300 lx,则开启人工照明补偿不足部分[7]。

单位面积i时刻所需补充照明功率可由式 (4)计算[8]:

式中:

LPDi—单位面积某时刻所需补充照明功率,W/m2;

Pw—灯具耗功,取T5高效节能灯管,灯管功耗28W,镇流器功耗4W;

Ei—上班时段i时刻室内自然采光逐时照度,lx;

Φ—光通量,取T5高效节能灯管,2500 lm;

U—灯具维护系数,取0.8;

K—利用系数,取0.8

则可求出单位面积照明年耗电量。

然后,继续采用DeST对上述外窗进行建筑空调负荷计算,得到各种情形下的空调负荷。则单位面积空调电耗可由式 (5)计算[9]:

式中:

E—单位面积空调季电耗,kWh/m2;

Q—单位面积空调季负荷,kWh/m2;

EERs—空调系统能效比,计算公式为式 (6):

式中:

EERt—空调末端能效比,全空气系统取6;

COP—冷水机组制冷性能系数,取4.8;

WTFcw—冷却水输送系数,取25;

WTFchw—冷冻水输送系数,取30;

计得EERs=2.23,则可计算得到单位面积空调电耗。

4 模拟结果与分析

4.1 综合遮阳系数与照明能耗、空调能耗

改变遮阳系数后,照明能耗的变化见图2。

图2 综合遮阳系数对照明能耗的影响

从图中可知综合遮阳系数越小,照明能耗越大,而且呈渐变趋势,当综合遮阳系数小于0.51时,对照明能耗的影响增大。在0.51＜Sw＜0.74中,每降低 0.01综合遮阳系数,照明能耗增加0.27%;在0.24＜Sw＜0.51中,每降低0.01综合遮阳系数,照明能耗增加0.62%;在0.12＜Sw＜0.24中,每降低0.01综合遮阳系数,照明能耗增加1.17%。

如图3所示为空调能耗随综合遮阳系数的变化。

图3 综合遮阳系数对空调能耗的影响

从图3可知,传热系数与空调能耗呈线性相关,其拟合公式为y=-1192.7x+47184,R2=0.9851。

综合考虑照明能耗和空调能耗,综合遮阳系数对综合能耗的影响如图4。

图4 综合遮阳系数对综合能耗的影响

从图4可见,综合能耗随综合遮阳系数呈先降后升的趋势,对比方案6与方案1,方案6节能5%,年节电3047.84kWh。

选择外窗遮阳措施时不能只考虑空调电耗,想当然地采用遮阳系数最低的窗膜,反而可能造成不节能的后果;因此,选择外窗遮阳措施时,要综合考虑照明能耗和空调能耗。

5 结论

本文采用建筑环境模拟分析软件DeST,模拟8种方案,分析相同传热系数下不同的综合遮阳系数对建筑照明能耗、空调能耗的影响。

通过模拟分析后,认为,兼顾空调与照明综合能耗,外窗的综合遮阳系数存在一个中间值,能以最小的空调能耗上升为代价换取最大的利用自然光源,以达到节电的目的。

选取合适的遮阳系数既能充分利用自然光源,也能避免外界带来过多的热量。

本次模拟结果显示,闽北地区外窗综合遮阳系数最优值为0.31。

[1] DBJ/T11 6XX-2008,公共建筑节能检测评估[S]

[2] U.S.Department of Energy.Energy-Efficient Windows.DOE/CH10093-290FS 216.October 1994

[3] T.Nikolaou,G.Stavrakakis,Contribution of shading in improving the energy performance of buildings,2nd PALENC Conference and 28th AIVC Conference on Building Low Energy Cooling and Advanced Ventilation Technologiesin the 21st Century,September 2007,p716-722

[4] 彦启森,赵庆珠.建筑热过程 [M].北京:中国建筑出版社,1986:30-36

[5] 清华大学DeST开发组.建筑环境系统模拟分析方法—DeST[M].北京:建筑工业出版社,2006

[6] GBT 50033-2001,建筑采光设计标准[S]

[7] 张亚.基于LonWorks技术的智能照度控制器设计[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版)2008,(1):168-172

[8] 蒋勇,龙海珊.建筑照明照度计算探讨[J].中外建筑,2008,(11):162-163

[9] GBT17981-2007,空气调节系统经济运行[S]