优化外围护结构热工性能对未来办公室内热负荷的影响研究

陈宇华[仲量联行测量师事务所(上海)有限公司， 上海 200041]

在建筑节能和环境保护成为建筑设计关注点和必答题的大趋势中，外围护结构的热工性能不断提升，外围护结构对整个建筑的能耗影响也日趋减少。但是，如因此忽略外围护结构的热性能，则可能会导致以下两个问题。一是可能会影响建筑外围区域人员的热舒适性。二是随着 LED 照明和笔记本电脑等的广泛应用，办公设备能耗大幅减少，冬季办公室外围区域预计将更多出现需要供暖的工况。

通常在办公楼常规设计中，外围护结构的热工性能对整体建筑能耗的影响较小。在办公楼总热负荷中室内热负荷（如照明和插座负荷）占比相对较高。另一方面，常规建筑设计中往往重视玻璃幕墙的视觉效果，在确保玻璃幕墙透明度和透光性的时候容易忽略或降低玻璃幕墙的热工性能。不重视外围护结构的热工性能可能会导致以下两个设计问题。① 外围护结构的热工性能较差可能会引起办公外围空间使用者的热舒适性下降，从而降低环境质量和体验感受。② 随着LED 照明灯具和笔记本电脑在办公室中的广泛使用，室内热负荷将显著下降，从而在冬季办公室外围区域将产生更高的供暖需求。如果缺乏适当设计外围护结构的热工性能，建筑全年总能耗可能会急剧增加。为此，在未来办公室内热负荷日趋降低的大背景下，需要进一步确保和提升外围护结构的热工性能以同时保证建筑节能和使用者的热舒适性。

1 文献调研

根据田边教授(日本早稻田大学)团队对节能和办公室环境舒适度调查的研究，照明系统和办公设备系统的现场测量数据显示，自 2011 年地震以来，日本办公楼室内热负荷已显著下降。该研究还论证了较差的外围护结构的热工性能将导致整体建筑能耗增加并影响使用者的热舒适性。D.Jenkins 的研究旨在量化和论证直接影响未来办公环境中的供暖和供冷需求的因数。研究时建议未来办公设计时，还需要考虑所使用的插座和照明设备的功率变化和效率提升。Michal D 的研究根据文献调研和实测结果，论述了电脑和电脑显示器的热负荷变化趋势。该研究强调，ASHRAE 公布了办公设备热负荷的推荐值（ASHRAE Fundamentals 2005）是基于 20 世纪 90 年代的研究数据。但实测结果发现，一般办公设备的峰值热负荷与铭牌功耗之比通常在25%～50% 之间，当铭牌功耗 ＜1 kW 时电脑的热负荷值通常为铭牌功率的 7%～32%，显示器的热负荷值通常为铭牌功率 15%～32%。与 ASHRAE 公布的设计值相比，使用者的使用率是造成实际办公设备负荷减少的另一个关键因素。根据 Osaman S 的研究，对于现有美国的商业建筑而言，不同地理位置和不同类型的建筑都出现了照明负荷减少的现象。在温暖气候条件下，照明负荷的减少将有助于节省空调制冷能耗。但在寒冷气候环境中，照明负荷的减少反而会造成空调热负荷的增加。为此，需要针对特定地理区域和特定建筑物类型进行具体热负荷分析。

2 不同国家办公建筑中的 U 值和遮阳系数

通过对世界各国一些主要项目的设计参数分析，梳理了目前的行业惯例的外围护结构设计和设计参数常规值。表 1整理了美国、英国和中国的设计规范中规定的外墙 U 值和遮阳系数（SC）值。所有 U 值和 SC 值都是窗系统的整体热工性能，包括玻璃和窗框。在日本，设计规范中无其他国家规定的 U 值或 SC 值的最低设计基准值。

表 1 世界各国外墙和玻璃的热工性能设计参数

从对各国的设计规范比较中可以发现，所有国家都鼓励降低和控制建筑物整体 CO2减排量，而并不是单一规定和限制 U 值和 SC 值的设计基准值。为了确保在建筑设计中满足建筑外立面的视觉特色，并在设计创新上留下更多发展空间，通常在实际设计项目中针对外围护结构的热工性能提出优化综合要求。

这类外围护结构的热工性能要求通常包含在建筑能源规范[Building Energy Code (BEC)]中，此规范于 1973 年石油危机后开始开发和使用。美国 BEC 主要是 ASHRAE 90 这一设计规范，最早于 1975 年出版，1980 年、1985 年、1989年和 1994 年都有更新版本，目前最新版本为 2016年版。2001 年和 2004 年版本的 ASHRAE 90 对于外围护结构的热工性能要求大致一致，然而 2007 年的版本开始再次提高了热工性能的要求。英国 BEC 的要求主要体现在 Part L 设计规范中，从 2002 年、2006 年和 2013 年的版本中都有相同的外围护结构热工性能要求。中国的第一个 BEC 是在 1993年为酒店项目开发的，在这个设计规范中仅对遮阳系数 SC值作了要求，需要同时满足窗墙比为 0.45。在实际项目设计中，外围护结构的热工性能是必要的考量点。表 2 列出了在英国，美国，中国和日本等城市近期建造的甲级写字楼项目的一些幕墙热工性能参数。

表 2 世界各国甲 A 办公楼的幕墙设计参数

实际项目数据表明，实际项目设计中的外围护结构的热工性能都高于设计规范要求。例如，尽管美国设计规范中要求玻璃幕墙的 U 值 ≤3.41 W/（m2·K），在实际项目中幕墙采用了 U 值 ≤1.0 W/（m2·K）的超高热工性能产品。在英国和中国的项目中都可以发现相同的情况，通常设计中外围护结构采用了高出规范要求 20% 的热工性能。同时也可以总结出以下行业背景状况。

（1）在建筑行业中已确立了节能的重要性。

（2）对新建建筑项目而言，确保和提高外围护结构的热工性能具有较好的成本效益比。

（3）由于大量高性能玻璃的供应要求，玻璃的初始投资成本相对减小。

此外，“ASHRAE 50% 中小型办公楼先进能源设计指南”(ASHRAE 90383, 2011)中还设置了更高的外围护结构热工性能设计标准。如在上海等属于气候区 3 的地理位置，建筑物需要将窗墙比从 40% 降低到 20%。

3 办公室的内部热负荷

办公室的内部热负荷主要包括照明负荷、小动力负荷和人员负荷。由于办公地点、商业类型和工作方式的不同，人员密度也各不相同。自 20 世纪以来，办公室人员密度有了显著变化。新技术的发展，如云计算、移动技术、虚拟办公室和新工作方式一直在不断向下调整人员密度。1999年～2003 年，美国的办公室人员密度从 80 m2/人显著下降到 90 m2/人。

根据 Nagata 自 2005 年的调查，日本的照度水平将从 750 Lx 降至 500 Lx，接近全球惯例。目前荧灯的发光效率将从 100 Lm/W 增加到 150 Lm / W，在不久的将来甚至可以达到 200 Lm/W，这意味着照明负载可以＜5 W/ m2。2010 年中国整个市场的 LED 照明使用率为 0.5%，到 2013年增加为 3.0%，而 2013 年日本为 4.0%。

计算机和显示器的能耗占总办公室小动力负载的 1/2以上。计算机和显示器的能耗从 1994 年开始不断增加，并在 2008 年达到顶峰。如今，计算机和显示器的能耗逐渐降低。与此同时，耗能较少的笔记本电脑的使用日趋普及，Nagata 的研究表明笔记本电脑约占计算机总数的 70.0%。

此外,其他办公配套电器例如打印机等也更加高效，所产生的内部热负荷将更是微不足道。表 3 列举了办公室内部热负荷的设计标准是如何逐渐变化的。显然易见，最近照明负载和小动力负载显著降低。

表 3 各国能耗设计标准

4 结 语

本文通过文献调研得出结论，即现代办公环境和设计趋势显示内部热负荷、照明负荷、小动力负荷日趋减少。在各国设计规范比较和分析中，再次证明外墙的热性能对能耗的重要性得到关注，成为节能策略的第一步。同时通过大量实际案例的调研和分析，列举了世界各国甲 A 办公楼的玻璃设计参数, 包括玻璃外墙 U 值和遮阳系数 SC 值。综上所述，进一步优化外墙热工性能既可以确保办公外围区域更好的热舒适性，又是一种可以减少年度能耗的有效的解决方案。