外窗对建筑能耗综合影响分析——以黄山地区某办公建筑为例

储 蔚，徐 俊，王东红，王 浩，胡浩威*

(1.安徽建筑大学 安徽省绿色建筑先进技术研究院，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大学 城市建设学院，安徽 合肥 238076；3.中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026；4.安徽省建筑设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230002)

我国建筑能耗现在约占社会总能耗的40%以上，而空调能耗和采暖能耗约占到建筑总能耗的55%，降低制冷和采暖能耗能够有效地降低建筑总能耗。围护结构是改善该部分能耗的主要影响因素，而围护结构当中的重要部件外窗热工性能较差，科学布置外窗对减少建筑能耗与改善建筑内空气质量非常重要。值得注意的是，由于20世纪90年代我国城镇化增速，办公建筑数量增长加快，截止2019年底，全国办公建筑存量达到全国公共建筑的30%以上，办公建筑年耗电量占全国城镇总耗电量的22%以上。由于技术原因，我国20世纪90年代建造的办公建筑大多为非节能建筑，该类建筑使用时间长、能耗高，因此，既有办公建筑节能改造迫在眉睫。

国内外学者对外窗在整个建筑能耗中的影响做了一些研究。王烨[1]等分析了窗户传热系数Kw、玻璃遮阳系数SC、窗墙比R在不同热工分区办公建筑总负荷指标影响因素中的权重值；龙恩深[2]等分析了当建筑体形系数不同时,窗墙面积比对全年空调与供暖冷热耗量指标的影响；简毅文[3]等研究了在不同朝向下,窗墙比对建筑全年供暖能耗、空调能耗以及总能耗的影响规律；薛鹏[4]等研究了在不同外遮阳构造形式及尺寸条件下，可同时满足采光和节能需求的窗墙比取值范围；戴绍斌[5]等分析了考虑窗户自然采光时，夏热冬冷地区办公建筑的综合能耗随着建筑窗墙比的变化而变化的规律；Elice[6]等通过使用工业建立的优点数据来比较现有的窗口技术的热性能，讨论解决辐射、对流和传导性传热的方法，如玻璃涂层，主动透光率控制，惰性气体填充和热中断等；Li[7]等发现薄膜材料在透明玻璃上的热性能优于在有色玻璃或层压玻璃上的热性能；Yeom[8]等考虑工人的任务绩效和办公建筑的能耗确定了办公楼的最佳窗墙比为东立面44.47%，南立面50.58%，西立面44.37%，北立面40.95%；Badeche[9]等采用参数化方法对冷热节能潜力进行了评价,研究确定了三种不同气候区域优化窗口过程中最突出的因素。

通过文献调研，前人研究较少考虑将与窗户有关的多个因素结合特定开窗通风次数对办公建筑能耗的综合影响进行对比。研究选取黄山市建设大厦的节能改造案例，运用DeST-c建筑能耗模拟软件，通过构建建筑模型，添加特定参数和特定建筑围护结构等建筑特征，较为精确地预测建筑环境在没有环境控制系统时和存在环境控制系统时可能出现的状况，设定黄山市所在地区全年气象条件，设置特定通风次数，分析了窗墙比、窗户朝向、窗户传热系数与遮阳板形式、深度等对黄山市建设大厦全年空调、采暖能耗的影响因素。

1 研究模型

1.1 建筑几何模型

使用DeST软件，参照黄山市建设大厦的建筑数据建立几何模型，模型立体结构如图1所示，标准层平面布局如图2所示。由图1、图2可知，该建筑改造前南北窗墙比约为0.3，建筑地上13层，一层的层高为4.2 m，2～4层的层高为3.6 m，5～13层层高为3.3 m，总建筑高度为48.6 m(含设备层)，总建筑面积约为4 500 m2，体型系数为0.43，建筑使用人数约为200人。大楼属于办公建筑，按照各个房间的功能分为办公大厅、办公室、洗手间、走廊。调研黄山建设大厦节能改造前围护结构参数资料，设定模型围护结构热工参数如表1所示。

图1 建筑模型示意图 图2 标准层平面图

表1 模型围护结构热工性能参数

1.2 热工条件

选取黄山市地区典型气象年数据作为气象参数，全年各天室外干球温度统计如图3所示。结合黄山市实际气候条件，在空调期晚上6点至次日早上8点室外温度明显下降，开窗通风能够降低室内温度，减轻夏季空调的负担，故在此期间设定窗户的通风次数为4 次/h，其他的时间段设定为1 次/h。办公大厅、办公室设空调，洗手间、走廊不设空调。根据人体舒适度研究设定办公室内人的容忍温度为16～29 ℃，相对湿度控制范围为20%～80%，空调的控制温度范围为18～26 ℃。该地区采暖期为11月15日至次年3月15日，空调期为6月1日至9月30日。黄山市地区的采暖度日数为 1 537.99 ℃·d，空调度日数为110.68 ℃·d。室内多种内扰会对全年建筑总能耗有着一定的影响，大厦各房间内扰设定如表2所示。

表2 模拟建筑房间内扰参数

图3 黄山全年干球温度

1.3 参数选取

模拟研究了南北两个朝向、0.2～0.6共5种窗墙比、5种外窗传热系数、两种形式外遮阳在0～1 m共6种不同深度的变化等对办公建筑采暖能耗、制冷能耗以及总能耗的影响规律。模拟黄山建设大厦节能改造前外窗采用的普通6 mm单层玻璃，节能改造后采用真空+镀low-e膜玻璃，如表3所示。

2 模拟结果分析

依据《安徽省建筑节能设计标准(夏热冬冷地区)》规定和现行办公建筑设计标准，黄山地区全年采暖单位面积能耗不得高于27.8 kW·h/(m2·a)，全年空调单位面积能耗不得高于24.1 kW·h/(m2·a)，全年单位面积总能耗不得高于 51.9 kW·h/(m2·a)。对黄山建设大厦改造前围护结构的能耗现状进行模拟，结果为全年采暖单位面积的能耗为38.47 kW·h/(m2·a)，空调单位面积的能耗为30.89 kW·h/(m2·a)，全年单位面积总能耗为69.36 kW·h/(m2·a)。

改造前建筑能耗与设计标准对比如图4所示。由图4可得，黄山建设大厦各项能耗指标皆超过以上规定，且通过黄山市公共机构能耗监管平台——远大物联网云服务平台调研了实际电费缴费也与模拟结果较为相符。为响应国家既有建筑节能改造的号召，黄山建设大厦节能改造势在必行。研究从建筑外窗出发，探究外窗对该建筑各项能耗的影响规律。

图4 改造前建筑能耗与设计标准对比

2.1 北向模拟结果分析

5种工况下，保持南向窗墙比为0.3，北向窗墙比从0.2依次增长到0.6，分别进行了30组模拟，记录数据，各工况下该建筑全年的采暖能耗与空调能耗和该建筑北向外窗窗墙比关系如图5、图6所示。

图5 北向采暖能耗 图6 北向空调能耗

由图6分析可知，5种工况的斜率k均大于0，故其全年空调能耗与北向窗墙比成正相关，这是由于北向窗墙比增大在夏天加大了室内的冷量损失。工况E曲线在工况D上方，外窗传热系数的大小并不与建筑的全年空调能耗成正相关。主要是夏季室外太阳辐射能力强，而添加了low-e膜的工况D能有效减少室内的太阳辐射得热。虽然工况E的隔热保温性能较好，传热损失量较工况D低，但是其获得的太阳辐射得热量较工况D要多，其较工况D多的太阳辐射得热量要多于其较D少的传热损失量，所以工况E能耗较工况D高。故挑选外窗时，传热系数并不是越小越节能。

2.2 南向模拟结果分析

5种工况下，保持北向窗墙比为0.3，南向窗墙比从0.2依次增长到0.6，分别进行了30组模拟，记录数据，各工况下该建筑全年的采暖能耗与空调能耗和该建筑南向外窗窗墙比关系如图7、图8所示。

从图7的模拟结果可知，工况A的斜率k大于0，其他4种工况斜率k都小于0。故工况A全年采暖能耗与南向窗墙比成正相关，其他4种工况全年采暖能耗与南向窗墙比成负相关。说明工况A虽然窗墙比增大增加了太阳辐射得热，但是由于A的传热系数较大，冬季其向外传热的传热损失量略大于冬季它的总辐射得热量，所以其全年采暖能耗略有增加；而其他几种材料的窗户不管采取哪一种外窗形式，增大南向外窗的窗墙比都会使得全年采暖能耗降低。根本原因和A工况的情况相反，其他工况的传热系数较低，保温性能较好，冬季它们能较好地阻止室内热量向外散失，还能因为增大了窗墙比增加了太阳辐射得热，使得散失热量小于得热量，减小了采暖负担，达到节能的目的。

图7 南向采暖能耗 图8 南向空调能耗

5种工况下随窗墙比增大采暖能耗减少量如图9所示。从图9能够看出，工况A、B、C、D、E下的采暖能耗随着窗墙比从0.2增到0.6分别下降了-2.66%、4.84%、9.84%、10.80%、12.96%，传热系数越小，下降幅度就越大，故南向外窗传热系数越小，对减少采暖能耗越有利。再次回溯图8可知，工况E的曲线都在工况D的上方，说明工况E的空调能耗在各个窗墙比下都要高于工况D，表明并不是所有情况下传热系数越低越好。

图9 5种工况下随窗墙比增大采暖能耗减少量 图10 南北向空调能耗增长量

5种工况下窗墙比从0.2增到0.6后空调能耗的增长量如图10所示。由图10可知，5种工况南向的均高于北向，分别高出了4.42%、19.10%、48.73%、18.81%、35.78%，南向窗墙比对空调能耗的影响程度大于北向。这是因为黄山市所在地区夏季时，北向外窗的太阳辐射远没有南向强。

2.3 总能耗影响分析

5种工况下，保持南向窗墙比为0.3，北向窗墙比从0.2依次增长到0.6，模拟得到全年总能耗如图11所示。保持北向窗墙比为0.3，南向窗墙比从0.2依次增长到0.6，模拟得到全年总能耗图如图12所示。

由图11、图12中曲线可得，5种工况曲线的斜率均大于零，全年总能耗均与窗墙比成正相关，且两个朝向均如此，其中传热系数的大小对总能耗的高低有着较大的影响。因为随着窗墙比的增大，冬季太阳辐射得热量的增加量带来的采暖能耗减少量远小于夏季太阳辐射得热量带来的空调能耗增加量，于是就有无论哪种工况下总能耗都是与窗墙比成正相关。

图11 北向全年累计总能耗 图12 南向全年累计总能耗

2.4 外遮阳板对总能耗的影响分析

通过以上南北向模拟结果表明的建筑全年空调能耗都与窗墙比成正相关，增大窗墙比对降低空调能耗不利，但是南向窗墙比增大在冬季会降低采暖能耗。夏季减少南向外窗太阳辐射得热，冬季增加太阳辐射得热能够很好地减少建筑总能耗，还能够有效提高室内空气质量和自然采光，变得更加美观。在南向外窗设置外遮阳能够有效地解决上述问题，达到减少建筑总能耗的目的。设定南北向窗墙比均为0.3，北向不设置外遮阳，南向设置，探究外遮阳在不同工况下对该办公建筑全年总能耗的影响规律，并做出生命周期经济分析，给出合理化外遮阳形式与深度。

如何从建筑原材料的获取、运输、安装，建筑系统的建造及建成后的使用过程等各个环节，实行以能源消耗最小化、效益最大化的全过程控制，是能效管理很重要的一个方面[10]。通过模拟计算两种遮阳方式及遮阳板深度，配合5种不同工况的全生命周期费用，统计如下。模拟设定水平外遮阳，通过计算得到数据统计如图13所示。由图13可知，全年总能耗与垂直遮阳板的深度成负相关，且外窗传热系数越低全年建筑总能耗就越低。模拟设定垂直外遮阳，通过计算得到数据统计如图14所示。由图14可知，全年总能耗与垂直遮阳板的深度也成负相关，在相同遮阳板深度，相同窗户玻璃工况时垂直遮阳板的节能效果较水平遮阳板要差。

图13 总能耗与南向水平遮阳关系 图14 总能耗与南向垂直遮阳关系

在工况A下水平、垂直遮阳板深度与其全生命周期费用的模拟数据如表4、表5所示。通过表4、表5可以看出，两种遮阳方式生命周期费用随着遮阳板深度增加而减少。且通过分析可知，虽然深度1 m时生命周期费用最低，但在选择外遮阳时应综合考虑外遮阳的美观、采光效果、通风效果、经济效益等，所以外遮阳深度不宜过高，应采用0.8 m深度。故同样采用0.8 m深度外遮阳时，探究不同工况的全生命周期费用与外遮阳形式关系，通过模拟统计数据如表6、表7所示。

表4 工况A下水平遮阳板深度与生命周期费用

表5 工况A下垂直遮阳板深度与生命周期费用

表6 水平遮阳板在5种工况下生命周期费用

表7 垂直遮阳板在5种工况下生命周期费用

由表6、表7可知，在同种工况时，水平遮阳板的生命周期费用均比垂直遮阳板低，故建议黄山市所在地区节能改造采用水平遮阳的方式。在采用水平遮阳板时，5种工况中工况D的费用最低，相对于A、B、C、E分别节约了4.09 万元、3.03 万元、1.22 万元、0.32 万元。

无遮阳与设0.8 m深度遮阳总能耗对比如图15所示。从图15能够得出，采用0.8 m深度水平遮阳板时，在5种不同传热系数外窗下的全年总能耗比不设置水平遮阳板全年总能耗依次降低了3.33%、4.37%、6.91%、8.94%、7.58%。可以看出南向外窗外采用水平遮阳板能够达到较好的节能效果，且工况D的节能效果与经济效益最佳。

图15 无遮阳与设0.8 m深度遮阳总能耗对比 图16 改造后建筑能耗与设计标准对比

模拟黄山建设大厦改造后采用工况D，真空+镀low-e膜玻璃，增大南向窗墙比到0.5,以保证自然采光、通风及美观，增加0.8 m深度水平遮阳板和窗帘遮阳等减少太阳辐射，模拟结果表明全年采暖能耗为25.36 kW·h/(m2·a)，空调能耗为22.74 kW·h/(m2·a) ，全年总能耗为48.1 kW·h/(m2·a)。改造后建筑能耗与设计标准对比如图16所示。由图16可知，模拟黄山建设大厦节能改造后，全年单位面积采暖能耗约降低了34.08%，全年单位面积空调能耗约降低了26.38%，全年单位面积总能耗约降低了30.65%。

3 结论

黄山建设大厦南北向的窗墙比均与全年空调能耗成正相关，5种工况下的空调能耗随窗墙比增大而增长的量，南向比北向分别高出了4.42%、19.10%、48.73%、18.81%、35.78%，故该地区南向窗墙比对空调能耗的影响较北向大。该建筑全年采暖能耗与南向窗墙比成负相关，北向窗墙比对冬季采暖能耗影响较南向小。建筑总能耗均与窗墙比成正相关，故在保证采光、通风与美观时该地区既有建筑节能改造应尽可能少的扩大窗墙比。

水平遮阳无论是从节能效果还是全生命周期费用方面都要优于垂直遮阳，其深度与建筑总能耗成负相关，故在综合考虑成本和办公室采光的条件下，黄山地区既有办公建筑节能改造时应最大化增加遮阳板深度。模拟黄山建设大厦南向窗墙比采用0.5能够有效地保证建筑的通风和采光，设置较低传热系数的真空+镀low-e膜玻璃，增加0.8 m深度的水平遮阳板与窗帘遮阳等使得其全年单位面积采暖能耗、空调能耗、总能耗较改造前分别降低了34.08%、26.38%、30.65%。

0.8 m深度水平遮阳、垂直遮阳在全生命周期费用模拟中，水平遮阳的工况D比传热系数较低的工况E低1.22 万元，垂直遮阳的工况D比传热系数较低的工况E低0.49 万元，虽然较低传热系数的外窗能够有效地降低建筑的总能耗，但是选择时应考虑成本、镀膜层效果、太阳辐射得热量多少等，并不是传热系数越低效果就越好。