夏热冬冷地区既有公共建筑窗户节能改造技术优化★

祁少明 徐梦杰 葛子豪 张 帅

(常州工学院，江苏 常州 213002)

夏热冬冷地区既有公共建筑窗户节能改造技术优化★

祁少明 徐梦杰 葛子豪 张 帅

(常州工学院，江苏 常州 213002)

选取夏热冬冷地区的一栋办公楼作为研究对象，通过DeST-C软件，模拟了窗玻璃型材、窗户遮阳方式等外窗节能改造技术的建筑能耗状况，得出该区既有建筑节能改造更换窗户时不仅应考虑窗户的传热系数，而且要考虑选用小的太阳得热系数；南向不宜出挑深度大的水平遮阳板；宜选择3片～4片深度为300 mm～450 mm的水平百叶遮阳。

夏热冬冷地区，既有公共建筑，窗户，节能改造

0 引言

我国既有非节能公共建筑数量大，运行能耗高，节能改造迫在眉睫。公共建筑中，尤其是办公楼、宾馆、商场等建筑，占全年能耗的50%～60%用于空调制冷和采暖系统[1]。夏热冬冷地区的既有公共建筑主要对空调系统进行节能改造，但保温隔热性能先天不足的围护结构必然会导致能耗大幅度升高[2]。外窗是围护结构的重要组成部分，大部分公共建筑窗墙面积比大，窗户的能耗损失占整个围护结构的50%左右，外窗的节能改造不仅可以降低建筑能耗，而且改造施工最为便捷。所以，外窗的节能改造是公共建筑节能改造的重点[3]。节能改造技术应具有季节应变性，夏热冬冷地区的大型公共建筑节能改造，不能生搬寒冷地区的改造方案和技术措施，需要研究因地制宜的节能改造措施[4]。

1 研究对象及计算输入参数

1.1 研究对象概况

选择夏热冬冷地区代表性城市南京，以一栋办公建筑作为研究对象，该办公楼主体3层，局部4层，层高3.0 m～3.6 m，采暖制冷建筑面积1 316.7 m2，主要功能为办公，设有6个会议室。办公楼围护结构构造做法及热工参数见表1。

表1 办公楼围护结构做法及热工参数 W/(m2·K)

1.2 输入参数

研究对象所处地理位置为：北纬32°，东经118.8°。DeST-C模拟软件的各类房间内扰设置的默认值是以大量调查为基础的，较符合正常相应建筑运行状况，本文模拟计算输入内扰参数选取默认值。

2 窗户玻璃及型材对建筑能耗的影响

选取包括研究对象已采用的普通6 mm单玻窗共七种窗户进行建筑冷热负荷及总负荷模拟，分析不同类型窗户的节能率，得出夏热冬冷地区既有公共建筑更换窗户节能改造适宜的措施。几种窗户类型的参数见表2。根据GB 50189—2015公共建筑节能设计标准中的规定：SHGC=SC×0.87[5]。

表2 不同类型窗户的参数

研究对象的不同类型窗户模拟结果如图1所示，全年总节能率如图2所示。其中节能率为：

(1)

其中，α为节能率；q1为编号1窗户的总负荷指标，W/m2；qi为编号为i窗户的总负荷指标，W/m2，i=2，3，…，7。

从图1和图2可以看出：

1)夏热冬冷地区建筑的空调季冷负荷指标远大于采暖季热负荷指标，即该区的能耗主要用于夏季空调制冷；

2)在窗户的遮阳系数和太阳得热系数接近的情况下，随着窗户传热系数的减小，建筑采暖季热负荷指标逐渐减小，建筑空调季冷负荷指标逐渐增大，但建筑全年总负荷指标逐渐减小，几种窗户的总负荷由55.18 W/m2降到48 W/m2，全年节能率达到13.5%，即夏热冬冷地区的窗户宜选择传热系数小的窗户；

3)窗户的传热系数相等(编号4和编号5均为2.8 W/(m2·K)，但窗户的太阳得热系数不同(编号4和编号5分别为0.696和0.522)，导致建筑采暖季热负荷指标增加了1.22 W/m2，建筑空调季冷负荷指标减小1.68 W/m2，说明夏热冬冷地区窗户的太阳得热系数对建筑夏季制冷负荷影响较大，该区宜选择太阳得热系数小的窗户；

4)编号4和编号6的窗户相比，虽然传热系数降低仅为0.4 W/m2，由于太阳得热系数降低，总的节能效果明显，全年总节能率由10.1%上升为12.8%，上升了2.7%；而编号6和编号7的窗户相比，传热系数降低为0.7 W/m2，但由于太阳得热系数升高，全年总节能率由12.8%上升为13.5%，上升仅为0.7%。说明夏热冬冷地区的窗户不宜一味降低传热系数，要同时考虑选择太阳得热系数小的窗户。

3 窗户设置遮阳对建筑能耗的影响

窗户遮阳是夏热冬冷地区夏季隔热的主要措施之一。在既有办公建筑节能改造中，由于建筑北向窗口没有太阳辐射直接得热，研究对象东西向窗洞口面积所占比例小，所以，本次模拟不考虑北向和东西向窗口遮阳改造。以水平形式遮阳为例，分析南向窗口的遮阳对建筑能耗的影响。

3.1 水平遮阳板出挑深度的影响

1)水平遮阳板不同出挑深度的外遮阳系数。根据JGJ 134—2010夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准的计算式[6]：

SD=ax2+bx+1

(2)

x=A/B

(3)

其中，SD为外遮阳系数；A，B分别为水平遮阳板出挑深度、遮阳板距窗台的高度；a，b均为外遮阳系数计算用的拟合系数。

计算水平遮阳不同出挑深度的外遮阳系数SD见表3。其中，窗户高度B=1 800 mm，外遮阳系数计算用的拟合系数a=0.50，b=-0.80[6]。同时计算研究建筑外窗夏季综合遮阳系数SCw和太阳得热系数SHGC。

表3 不同出挑深度水平遮阳的遮阳参数

2)不同出挑深度水平遮阳板的建筑能耗。选择遮阳板出挑深度为300 mm，450 mm，600 mm，800 mm，1 000 mm，1 200 mm六种情况与无遮阳情况相比较。模拟结果见图3和图4。

从图3和图4可以看出：a.随着遮阳板出挑深度的增大，由于遮挡太阳辐射得热使建筑采暖季热负荷增加，而建筑空调季冷负荷减小，建筑总负荷减小，说明设置遮阳对建筑节能有利；b.由于增加水平遮阳板使太阳得热系数降低幅度小，水平遮阳板出挑从300 mm增加到1 200 mm，太阳得热系数从0.65降低到0.51，全年总节能率从0.8%上升到4.13%，说明夏热冬冷地区建筑不宜出挑大深度的水平遮阳板。

3.2 水平百叶遮阳形式的影响

根据JGJ 134—2010夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准的规定，外遮阳系数计算用的拟合系数：固定水平百叶遮阳a=0.50，b=-1.20；活动水平百叶遮阳冬季为a=0.03，b=-0.47，夏季为a=0.79，b=-1.40[6]。考虑结构的合理性、立面的美观性、经济性等，百叶设置A=300 mm，B=300 mm。利用式(2)，式(3)，计算百叶遮阳的外遮阳系数SD(如表4所示)。同时计算研究建筑外窗夏季综合遮阳系数SCw和太阳得热系数SHGC。

表4 水平百叶遮阳的遮阳参数

选择水平百叶的片数分别为2片～6片，百叶间距300 mm，与无遮阳情况能耗模拟结果比较见图5和图6。

由图5和图6可以看出：

1)随着水平百叶片数的增加，由于百叶深度较小且冬季百叶全部打开，遮挡太阳辐射得热使建筑采暖季热负荷增加量很小，增加量仅为1.35%以下，而建筑空调季冷负荷减小量较大，减少量最大达15.13%，全年总负荷节能率最大为10.8%，说明设置百叶遮阳对建筑夏季空调节能有利；

2)百叶片数增加到4片以上，节能率变化趋势平缓，说明夏热冬冷地区公建节能改造中不宜一味增加百叶片数，考虑窗户的高度设置3片～4片比较合适。

4 窗户改造后的建筑能耗

根据上述的分析，对研究的办公楼窗户进行改造，窗户选择断热铝合金Low-E中空玻璃(6+12A+6)，其传热系数为2.8 W/(m2·K)，设置深度为300 mm，间距为300 mm，4片铝合金活动水平遮阳。模拟改造后的建筑能耗见表5。改造后的建筑夏季空调冷负荷由改造前的41.65 W/m2降低到33.26 W/m2，冬季采暖热负荷由14.83 W/m2降低到11.86 W/m2，全年节能率达20.11%，节能效果明显。

表5 改造前后建筑能耗指标和节能率

5 结语

1)对于窗墙面积比大的既有公共建筑节能改造，选择更换窗户和加设遮阳的措施节能效果明显。

2)夏热冬冷地区既有公共建筑节能改造，窗户型材和玻璃的选择不仅仅要考虑其传热系数，而且要重视窗户的太阳得热系数，在传热系数相同的情况下，选择太阳得热系数越小的窗户。

3)夏热冬冷地区既有公建改造不宜采用设置出挑深度大的水平遮阳板，而宜选择百叶遮阳。

[1] 江 亿.我国建筑能耗趋势与节能重点[J].建设科技，2006(7)：10-13.

[2] 任乃鑫，阮 帆，赵宇洲.夏热冬冷地区既有办公建筑围护结构节能改造[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2012，28(4)：678-683.

[3] 张志顺，李明军，刘 琪.既有建筑改造设计中生态节能适宜技术的应用[J].建筑技术，2015，46(2):110-112.

[4] 程 云，郑荣跃，黄 莉，等.夏热冬冷地区既有公共建筑围护结构节能改造策略研究[J]，建筑节能，2014，42(8)：102-106.

[5] GB 50189—2015，公共建筑节能设计标准[S].

[6] JGJ 134—2010，夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准[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 ★：常州工学院自然科学基金项目(YN1306)；江苏省大学生创新项目(201611055008Z)

祁少明(1970- )，男，实验师

TU201.5

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