既有建筑外窗节能改造研究

郑非艺

(华中科技大学建筑与城市规划学院，湖北武汉 430074)

1 我国公共建筑能耗状况

目前在我国，建筑节能已经成为全社会关注的一个焦点。建筑行业中，建造和运行的过程中直接消耗的能源占到了全社会的30%，在发达国家这一比例甚至达到了35%［1］。目前中国有430多亿平方米的建筑，其中99%是高能耗建筑，而这类建筑的平均单位面积能量消耗却是发达国家同类建筑的2倍～3倍。现在我国建筑节能的工作既包括新建节能建筑，又包括了对既有建筑的节能改造。要完成国家“十一五”规划中要求的单位GDP能耗下降20%的目标，不仅要严格执行新建建筑节能50%，还要对既有建筑进行严格科学的节能改造［2］。

2 外窗节能改造现状

我国现在大部分的既有建筑都存在耗能较高的问题，而其中外围护结构的能耗又占很大一部分，由于其保温隔热性能不理想，在消耗大量能源的同时也给生态环境造成了严重的污染破坏。其中外窗节能改造拥有良好的适应性和高科技材料的发展，实施外窗节能改造的既有建筑改造项目有很多，但是鲜有在经济和节能效果上均满意的项目，甚至有些项目只是将概念和单一的节能窗产品进行替换，根本达不到节能效果［3］。目前最常见的外窗节能改造方式就是将原有建筑的外窗用节能窗进行替换，或者在原有外窗的外侧再增加一层窗户，形成双层或者多层窗或者“表皮”。所以我们重点对比了不同外窗玻璃节能性和经济性，为了达到理想的效果，重点研究了施工时间短，见效快，成本低的各种外窗改造方式［4］。本文的改造方案设计则是主要从更换新的窗户进行比较，通过比较不同物理性能，改造成本和最终的节能效果，综合得出最经济最有效的优化外窗节能改造方案。

3 武汉某教学楼外窗改造方案对比

武汉位于我国中部，地处夏热冬冷气候区，需要同时考虑夏季的热负荷和冬季的冷负荷，对节能设计和改造有较高的要求。该教学楼功能为某大学的建筑与城市规划学院院楼。建筑为4层砖混结构，层高3.6 m，建筑体型系数0.35。建筑内部房间功能丰富，既有行政办公室，又有专业的绘图教室，还包括了实验室，图书馆以及报告厅(见表1)。

表2为不同朝向外窗的窗墙面积比限值。其使用材料：外窗采用铝合金窗，5 mm厚单层普通平板玻璃，传热系数为6.4 W/(m2·K)，遮阳系数Sc为0.93，窗墙面积比为0.35。在《公共建筑节能设计标准》中对于夏热冬冷地区建筑外窗的要求为：0.3小于窗墙面积比0.4时，窗的传热系数应不大于3.0 W/(m2·K)，在《武汉城市公共建筑节能设计标准》中规定了外窗遮阳系数Sc不分地区均取0.80［5］，因此该建筑的外窗设计不满足要求(见表3)。

表1 建筑各功能面积概况

表2 不同朝向外窗的窗墙面积比限值

表3 几种常用玻璃的主要光热参数［2］

通过对该建筑外围护结构中的窗户进行节能设计改造，试图探索在该建筑节能效率达到标准的同时，选择最有效的优化方案，并让其经济效益最大化。通过文献的研究我们发现，武汉属于夏季有强烈太阳辐射的地区，太阳的得热系数在建筑的冷负荷中占主导位置，所以在建筑节能外窗玻璃的选择上，不能仅仅要求传热系数K，而要参考遮阳系数Sc的大小。假如遮阳系数Sc很大，那么将有大量的辐射热会进入室内，这时低传热系数K反而会阻止向室外散热，也就是说，在强辐射地区，玻璃或者材料的遮阳系数Sc优先于传热系数K，这与一般地区强调传热系数K不一样。建筑玻璃和外窗材料的选择是一项综合考量工作，除了节能性，同时还必须兼顾材料的安全性、舒适性、经济性，应在满足规范的前提下，找到一个平衡点，选用最适合目标建筑的材料。

从表3中可以看出，低透射低辐射玻璃，本身有较低的传热系数K，同时遮阳系数Sc也很低，可以保持房间内的可见光透过率，比较适合武汉的特点，然后再考虑其透光性。如果选用造价高的节能窗体有可能降低整体的性价比，甚至节能不节钱。针对本建筑而言，南向辐射最强，而东西向次之，北向最小可以近似于不考虑。规范要求东、西、南向窗K≤3.0 W/(m2·K)，Sc≤0.8，只能采用遮阳系数Sc较低的Low-E玻璃窗;但是北向辐射低，窗墙比达到0.21，规范只要求K≤3.5 W/(m2·K)，如果采用普通中空玻璃能达到节能效果，同时可比全使用Low-E玻璃节省大量初投资。

表4 主要节能玻璃窗价格［6］

在表4中，由于真空玻璃与充惰性气体中空玻璃在价格上浮动较大，且节能效率相比中空玻璃和Low-E玻璃没有明显的优势能够补偿价格上的差距，因此本次节能设计的改造材料主要为中空玻璃和Low-E玻璃，通过探索不同的玻璃材料配置方法来满足节能效果的同时，又能够在经济上最节约，更易于推广使用。

4 改造方案经济性和节能效果比较

4个方案比较见表5～表8。

表5 4个方案经济性对比

表6 中空玻璃窗和Low-E玻璃窗的节能效果

表7 各个方案节能效率和节能费用比较

从表8中可以得出，方案1和方案4的回收年限较方案2和方案3有明显优势。方案1的回收年限虽然是最短的，但是它的节能效率却是最小的。相比较下，方案4的节能效率最高，换算成电费，也节约的最多，虽然在回收年限上不如方案1，但是我们还是认为方案4是最优方案。综上所述，我们认为方案4更加的合理和经济。所以我们得出最终的方案为南窗改为Low-E中空玻璃，东、西、北窗改为中空玻璃。另外需要说明的是，由于我们进行的是独立的外窗改造，所以在整个建筑节能效率上忽略了其他因素的影响，最后的结果无法十分精确，在外窗节能效率和单价上也是参考当前的经验值，很可能在今后科技发展和技术进步的情况下，会有所不同。但是我们作为一种单独的节能设计改造的探索，还是具有一定的借鉴价值。

表8 各个方案最后节能效果和经济性比较

5 结论与建议

通过文献资料的搜集和查阅，我们了解到了武汉地区既有建筑在节能改造上，特别是针对办公建筑的外窗改造上，在南向窗应该更注重于玻璃的遮阳性能，而在东、西、北窗上则是注重玻璃的隔热性能。并且通过一系列的比较和模拟，得出最经济同时又能满足节能要求的改造方案。这才是我们现阶段应该大力推广的建筑节能改造方法。本文仅从外窗改造方面进行经济和节能的计算，并没有涉及到内外遮阳和其他因素，是为了能够最直接的反映出玻璃窗的物理性能在节能效果当中的作用。当然在真正的项目当中，我们应该把更多的因素考虑进来，包括外围护结构的墙，屋面，门;材料方面的费用;以及在具体施工时的安装人工费用等，这样或许得出来的结果更加可靠。作为一种新的快捷的节能设计改造，这也是一种新的尝试。

［1］ 廖 浩.武汉市既有行政办公建筑节能改造研究［D］.武汉：武汉理工大学，2009.

［2］ 许 怡.武汉市某公共建筑能耗模拟与节能分析［D］.武汉：华中科技大学，2008.

［3］ 王沣浩，王东洋，罗昔联.既有建筑围护结构能耗模拟及节能分析［J］.建筑科学，2007(2)：22-26.

［4］ 何家礼.节能门窗的设计及其适用性研究［D］.长沙：长沙理工大学，2005.

［5］ DB 42/XXX-2008湖北省地方标准，武汉城市居住建筑节能设计标准［S］.

［6］ 陈孚江.既有建筑节能技术优化与评价方法研究［D］.武汉：华中科技大学，2006.