低辐射中空玻璃对办公建筑能耗的影响

陈德敏， 刘莹惠， 李嘉琪， 姜苏， 陆彪， 鲁月红

(安徽工业大学建筑工程学院， 马鞍山 243032)

为推动中国近零耗建筑的发展，住房和城乡建设部于2019年发布《近零能耗建筑技术标准》，其中近零能耗公共建筑能效指标为在2016年建筑节能标准基础上建筑综合节能率可提高到60%以上[1]，说明建筑综合节能的提升空间较大。建筑围护结构是连接室内外光热环境的通道，而外窗是围护结构保温隔热的薄弱部分，其损失热量占总能量损失的30%～40%[2]，是建筑节能措施中重要组成的部分。

外窗应用低辐射玻璃和适当的窗墙比对降低建筑能耗有积极作用，而目前对办公建筑综合考虑使用的玻璃类型和窗墙比对建筑能耗的影响的研究较少。姜雷[3]研究发现low-E玻璃应用于被动式超低能耗建筑外围护结构中节能和舒适性好。Somasundaram等[4]实验研究发现热带气候地区建筑在原有玻璃的内侧安装一层低辐射玻璃组成新的双层玻璃可节省高达9%的日空调能耗。Moghaddam等[5]研究了在瑞典古建筑中应用低辐射镀膜玻璃窗对建筑能源性能的影响，发现双层玻璃窗内窗玻璃的外表面应用低辐射膜有助于减少热损失，冬季通过玻璃部分的热量损失可减少36%，减少年供暖能耗6%。Francesco等[6]研究了澳大利亚办公楼应用节能窗的节能潜力，发现节能效果与窗墙比有很强的相关性。Luke等[7]基于美国商业建筑能耗调查报告数据，对1 000栋办公楼的能源使用情况进行统计分析，研究发现窗墙比是冷却能源使用的重要预测指标。徐燊等[8]研究了中国5种典型气候区办公建筑窗墙比对建筑能耗的影响规律，发现不同气候区建筑综合能耗随窗墙比变化规律不同。张春明[9]研究了寒冷气候区城市济南和兰州建筑形态对建筑能耗的影响，发现在南北立面的玻璃尺寸增大，建筑制冷负荷呈线性增加。谢静超等[10]基于西沙的气象实测数据，采用动态模拟计算拟建宾馆建筑全年能耗，发现窗墙比每增加0.1，单位建筑面积空调负荷可增加3～5 kW·h。Foroughi等[11]采用遗传算法优化商业建筑外窗，发现在寒冷和炎热气候区，选择最佳的窗户尺寸和位置可分别降低建筑总能耗2%和15%。

因此，在以上研究的基础上，现讨论低辐射双层中空玻璃镀膜位置、外窗尺寸和方位对建筑房间能源消耗的影响。建立办公建筑模型，房间仅单侧开窗，其外窗分别采用镀膜位置不同的低辐射双层中空玻璃和普通中空玻璃(6 mm+12 mm空气+6 mm)；在中国不同气候区条件下，计算不同方位窗墙比变化时，全年的制冷能耗、供暖能耗和综合能耗值；将计算结果进行对比分析，得出各项能耗的变化规律；给出不同气候区选用玻璃类型的节能建议。

1 模型构建

1.1 建筑模型

以某一办公建筑标准房间为建筑模型，开间为4.5 m，进深为8 m，层高为3 m，房间采用单侧采光。窗墙比大小参考GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》[12]规范的要求，取值变化范围为0.3～0.7，变化步长取0.1，建筑围护结构的传热系数取值参考规范，屋面和外墙的传热系数分别为0.23、0.46 W/(m2·K)。透明围护结构采用3种不同类型的双层中空玻璃，结构如图1所示。

3种玻璃的光热性能由WINDOW7.7计算得出，参数如表1所示。房间内部热源设置如表2所示，包括照明、电器设备、使用率和室外空气渗透量。由于本文研究重心是透明围护结构的几何参数和材料参数的取值在中国不同气候条件下对办公建筑能耗的影响，所以暖通空调系统采用理想负荷空调系统，室内夏季制冷和冬季供暖温度设定值分别为26 ℃和20 ℃，运行时间从7:00—18:00，建筑全年能耗采用EnergyPlus9.0计算。

本文研究的建筑能耗计算模型，窗采用上述3种玻璃，其他参数均相同，并以每一个相同窗墙比外窗采用A型玻璃为基准玻璃，该建筑模型为基准模型。

图1 3种类型中空玻璃结构示意图Fig.1 Schematic diagram of three types of insulating glass structures

表2 房间内热源参数设定

1.2 气象参数

中国建筑热工设计分五大典型气候区分别为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、温和地区和夏热冬暖地区，分别选取哈尔滨、北京、南京、昆明和广州5个城市，各个城市的冬季供暖和夏季制冷期如表3[13]所示。五大气候区城市气象数据采用中国标准气象数据(Chinese Standard Weather Data，CSWD)。

表3 五大典型气候区城市供暖和制冷期设定

由表3中所示的五大典型气候区城市的供暖和制冷期，其中温和地区城市昆明市全年无供暖和制冷，故将以哈尔滨、北京、南京和广州4个城市来研究。

2 结果分析

全年综合能耗包括制冷能耗、供热能耗、照明能耗和电器设备能耗，单位面积综合能耗计算式为

ETotal=EC+EH+EL+EEq

(1)

式(1)中：ETotal为全年单位面积综合能耗(kW·h)/m2；EC为全年单位面积制冷能耗，(kW·h)/m2；EH为全年单位面积供暖能耗，(kW·h)/m2；EL为全年单位面积照明能耗，(kW·h)/m2；EEq为全年单位面积电器设备能耗，(kW·h)/m2。

通过外窗进入室内得热量计算公式为

Q=QGain-QLoss

(2)

式(2)中：Q为通过外窗进入到室内得热量，kW·h；QGain为通过外窗进入到室内获得的热量，kW·h；QLoss为通过外窗从室内流失的热量，kW·h。

2.1 室内总得热量变化规律

为了讨论不同气候条件下，低辐射中空玻璃镀膜位置、外窗方位和窗墙比对办公建筑能耗的影响，取窗墙比值为0.3和0.7时，通过房间外窗进入到室内得热量数据来分析。广州、南京、北京和哈尔滨通过外窗进入到室内得热量数据如图2～图5所示。

WWR为窗墙比图2 广州市通过外窗进入室内得热量Fig.2 Heat gain into the room through windows in Guangzhou

WWR为窗墙比图3 南京市通过外窗进入室内得热量Fig.3 Heat gain into the room through windows in Nanjing

夏热冬暖地区广州市，仅夏季制冷冬季不供暖。由图2易知，夏季在同一窗墙比时，通过外窗进到室内得热量，窗在西侧时为4个方位中最大，最大值在7月份，值为721.03 kW·h，夏季总得热量最大值为3 137.28 kW·h，窗在北侧时最小，最小值在9月份，值为216.99 kW·h，夏季总得热量最小值为1 171.05 kW·h；窗在同一方位且用B型玻璃时，室内得热量最小，最小值为31.40 kW·h；窗墙比由0.3增大到0.7，外窗分别采用A型、B型和C型玻璃，窗在西侧时室内得热量增量最大值分别为380.99、155.45、237.05 kW·h。

夏热冬冷地区南京市，夏季制冷冬季供暖。由图3易知，夏季在同一窗墙比时，通过外窗进入到室内得热量，窗在西侧时最大，最大值在7月份，值为852.37 kW·h，夏季总得热量最大值为2 794.50 kW·h，窗在北侧时最小，最小值在9月份，值为125.60 kW·h，夏季总得热量最小值为806.14 kW·h；窗在同一方位且用B型玻璃时，室内得热量最小，最小值为19.2 kW·h；窗墙比由0.3增大到0.7，外窗分别采用A型、B型和C型玻璃，窗在西侧时室内得热量增量最大值分别为450.33、178.05、280.54 kW·h。

冬季通过外窗进入到室内得热量，在同一窗墙比时，4个不同方位外窗房间，窗在南侧时最大，最大值在12月份，值为283.28 kW·h，冬季总得热量最大值为893.97 kW·h；窗墙比由0.3增大到0.7，外窗分别采用A型、B型和C型玻璃，窗在南侧时室内得热量增量最大值分别为151.52、45.38、99.55 kW·h。

WWR为窗墙比图4 北京市通过外窗进入室内得热量Fig.4 Heat gain into the room through windows in Beijing

图5 哈尔滨市通过外窗进入室内得热量Fig.5 Heat gain into the room through windows in Harbin

寒冷地区北京市，夏季制冷冬季供暖。由图4易知，夏季在同一窗墙比时，通过外窗进入到室内得热量，窗在西侧时最大，最大值在7月份，值为783.85 kW·h，夏季总得热量最大值为2 864.83 kW·h，窗在北侧时最小，最小值在9月份，值为108.90 kW·h，夏季总得热量最小值为734.76 kW·h；窗在同一方位且用B型玻璃时，室内得热量最小，最小值为14.37 kW·h；窗墙比由0.3增大到0.7，外窗分别采用A型、B型和C型玻璃，窗在西侧时室内得热量的增量最大值分别为412.79、164.71、265.23 kW·h。

冬季通过外窗进入到室内得热量，在同一窗墙比时，4个不同方位外窗房间，窗在南侧时最大，最大值在2月份，值为392.71 kW·h，冬季总得热量最大值为1 765.54 kW·h；窗墙比由0.3增大到0.7，外窗分别采用A型、B型和C型玻璃，窗在南侧时室内得热量的增量最大值分别为213.13、67.53、138.62 kW·h。

严寒地区哈尔滨市，仅冬季供暖夏季不制冷。由图5易知，冬季通过外窗进入到室内得热量，在同一窗墙比时，窗在南侧时最大，最大值在3月份，值为358.97 kW·h，冬季总得热量最大值为1 346.73 kW·h；窗墙比由0.3增大到0.7，4个不同方位外窗分别采用A型、B型和C型玻璃，窗在南侧时室内得热量增量最大值分别为196.53、58.71、130.11 kW·h。

综上，不同气候区城市的办公建筑房间，在相同窗墙比且外窗采用相同玻璃类型时，夏季室内总得热量，均表现为窗在西侧的更大，窗在北侧的更小；冬季室内总得热量，均表现为窗在南侧的更大。外窗在同一方位且用B型玻璃，室内全年总得热量最小。窗墙比增大时，房间室内全年得热量增量，外窗用A型玻璃的更大，B型玻璃的更小。

2.2 制冷能耗变化规律

由于哈尔滨夏季无制冷，所以分析时以广州、南京和北京3个城市进行讨论，变化规律如图6所示。为了方便分析制冷能耗计算结果，外窗用低辐射中空玻璃的房间能耗与用A型玻璃的房间能耗的差值为

ΔQC,B=|QC,B-QC,A|

(3)

式(3)中：ΔQC,B为外窗用B型玻璃房间单位面积制冷能耗与用A型玻璃的房间单位面积制冷能耗的差值，(kW·h)/m2；QC,B为外窗用B型玻璃房间单位面积制冷能耗，(kW·h)/m2；QC,A为外窗用A型玻璃房间单位面积制冷能耗，(kW·h)/m2。

ΔQC,C=|QC,C-QC,A|

(4)

式(4)中：ΔQC,C为外窗用C型玻璃房间单位面积制冷能耗与用A型玻璃的房间单位面积制冷能耗的差值，(kW·h)/m2；QC,C为外窗用C型玻璃房间单位面积制冷能耗，(kW·h)/m2。

由图6易知在相同窗墙比时，外窗采用3种类型玻璃的房间制冷能耗，均表现为窗在西侧时，值最大，窗在北侧时，值最小，制冷能耗规律与通过外窗进到室内得热量规律一致；当窗在西侧且用同一种玻璃时，广州、南京和北京的单位面积最大制冷能耗，分别为61.23、51.03、39.39 (kW·h)/m2；窗在同一方位，ΔQC,B和ΔQC,C均表现为广州最大，最大差值分别为24.16 (kW·h)/m2、14.19 (kW·h)/m2。

图6 不同气候区全年单位面积制冷能耗Fig.6 Annual cooling energy consumption per unit area in different climate zones

随着窗墙比增大，不同气候区城市，外窗分别在4个方位均表现为制冷能耗增大，例如，当窗在西侧且采用A型玻璃时，房间制冷能耗增大，广州的增量最大，北京的增量最小，单位面积制冷能耗分别增加了20.55、15.90 (kW·h)/m2。

与采用A型玻璃相比，窗分别位于4个方位的房间均表现为B型玻璃比C型玻璃节能效果更明显。广州、南京和北京三座城市对比发现，外窗在西侧采用B型玻璃且窗墙比为0.7时制冷节能率最大，值分别为39.50%、46.40%、47.50%。

2.3 供暖能耗变化规律

由于广州冬季无供暖，所以分析时以南京、北京和哈尔滨3个城市进行讨论，变化规律如图7所示。为了方便分析供暖能耗计算结果，外窗用低辐射中空玻璃的房间能耗与用A型玻璃的房间能耗的差值为

ΔQH,B=|QH,B-QH,A|

(5)

式(5)中：ΔQH,B为外窗用B型玻璃房间单位面积供暖能耗与用A型玻璃的房间单位面积供暖能耗的差值，(kW·h)/m2；QH,B为外窗用B型玻璃房间单位面积供暖能耗，(kW·h)/m2；QH,A为外窗用A型玻璃房间单位面积供暖能耗，(kW·h)/m2。

ΔQH,C=|QH,C-QH,A|

(6)

式(6)中：ΔQH,C为外窗用C型玻璃房间单位面积供暖能耗与用A型玻璃的房间单位面积供暖能耗的差值，(kW·h)/m2；QH,C为外窗用C型玻璃房间单位面积供暖能耗，(kW·h)/m2。

由图7易知在相同窗墙比下，外窗采用3种类型玻璃的房间供暖能耗，均表现为窗在南侧时最小，供暖能耗规律与通过外窗进到室内得热量规律相反；当外窗采用同一种玻璃且位于南侧时，哈尔滨、北京和南京的单位面积最大供暖能耗分别为59.37、17.54、8.53 (kW·h)/m2；窗在同一方位，ΔQH,B和QH,C均表现为哈尔滨最大，最大差值分别为9.99、12.62 (kW·h)/m2。

随着窗墙比增大，外窗采用3种类型玻璃，房间全年供暖能耗均表现为窗在南侧时减小，窗在北侧时增大，例如，当窗在北侧且采用A型玻璃时，房间单位面积供暖能耗增大，哈尔滨的增量最大，最大增加了7.40 (kW·h)/m2。

与采用A型玻璃相比，窗分别位于4个方位的房间均表现为C型比B型玻璃节能效果更明显。南京和哈尔滨外窗在东侧采用C型玻璃且窗墙比为0.7时供暖节能率最大，值分别为28.80%、17.80%，北京外窗在西侧采用C型玻璃且窗墙比为0.7时，供暖节能率最大，值为20.50%。

2.4 综合能耗变化规律

广州、南京、北京和哈尔滨全年单位面积综合能耗变化规律如图8所示。为了方便分析综合能耗计算结果，外窗用低辐射中空玻璃的房间能耗与用A型玻璃的房间能耗的差值为

ΔQT,B=|QT,B-QT,A|

(7)

式(7)中：ΔQT,B为外窗用B型玻璃房间单位面积综合能耗与用A型玻璃的房间单位面积综合能耗的差值，(kW·h)/m2；QT,B为外窗用B型玻璃房间单位面积综合能耗，(kW·h)/m2；QH,A为外窗用A型玻璃房间单位面积综合能耗，(kW·h)/m2。

ΔQT,C=|QT,C-QT,A|

(8)

式(8)中：ΔQT,C为外窗用C型玻璃房间单位面积综合能耗与用A型玻璃的房间单位面积综合能耗的差值，(kW·h)/m2；QT,C为外窗用C型玻璃房间单位面积综合能耗，(kW·h)/m2。

WWR为窗墙比图8 不同气候区全年单位面积综合能耗Fig.8 Annual total energy consumption per unit area in different climate zones

由图8(a)～图8(c)易知，在相同窗墙比下，外窗采用3种类型玻璃的房间综合能耗，广州、南京和北京均表现为窗在西侧时最大，单位面积综合能耗最大值分别为121.01、118.22、118.07 (kW·h)/m2；图8(d)易知，哈尔滨窗在北侧时，综合能耗最大，单位面积综合能耗最大值为135.51 (kW·h)/m2；窗在南侧时，综合能耗最小，4个城市的单位面积综合能耗最小值分别为85.80、85.42、87.85、105.69 (kW·h)/m2；窗在同一方位，ΔQT,B表现为广州最大，最大差值为24.16 (kW·h)m2，ΔQT,C表现为南京最大，最大差值为15.09 (kW·h)/m2。

随着窗墙比增大，广州和南京，窗分别在4个方位且采用3种类型玻璃的房间综合能耗均增大，北京窗在南侧的房间采用B型和C型玻璃，均呈减小趋势，哈尔滨采用C型玻璃，均呈减小趋势。

随着窗墙比增大，与采用A型玻璃相比，广州、南京和北京的4个方位办公建筑房间外窗采用B型比C型玻璃更节能，窗在西侧窗墙比为0.7时综合节能率最大，值分别为20.0%、19.2%、15.4%；哈尔滨4个不同方位房间外窗采用C型比B型玻璃更节能，窗在东侧窗墙比为0.7时综合节能率最大，值为9.6%。

3 结论

研究了中国不同建筑热工气候条件下办公建筑房间，在4个不同方位单侧开窗，外窗分别采用3种类型双层中空玻璃，窗墙比变化时全年制冷能耗、供暖能耗和综合能耗的变化规律，得出以下结论。

(1) 在固定窗墙比下，外窗分别在4个方位的房间，全年综合能耗计算结果，广州、南京和北京均为窗在西侧时，值最大，窗在南侧时，值最小，哈尔滨窗在北侧时，值最大，窗在南侧时，值最小。

(2) 随着窗墙比增大，外窗分别在4个方位的房间，全年各项能耗计算结果，不同气候区城市夏季制冷能耗均增大；冬季供暖能耗，窗在南侧的房间均减小，窗在北侧的房间均增大；全年综合能耗，广州和南京均增大，而北京表现为窗在南侧的房间采用B型和C型玻璃呈减小趋势，哈尔滨采用C型玻璃，呈减小趋势。

(3) 与基准模型相比，广州、南京和北京在窗位于西侧采用B型玻璃且窗墙比为0.7时制冷节能率最大，值分别为39.5%、46.4%、47.5%；南京和哈尔滨在窗位于东侧采用C型玻璃且窗墙比为0.7时供暖节能率最大，值分别为28.8%、17.8%，北京在窗位于西侧采用C型玻璃且窗墙比为0.7时供暖节能率最大，值为20.5%；广州、南京、北京窗位于西侧采用B型玻璃且窗墙比为0.7时综合节能率最大，值分别为20.0%、19.2%、15.4%，哈尔滨窗位于东侧采用C型玻璃且窗墙比为0.7时综合节能率最大，值为9.6%。

(4) 从全年综合能耗来看，广州、南京和北京外窗分别在4个方位时，均采用B型玻璃更佳，哈尔滨外窗在南向时采用A型玻璃更佳，其他3个方位时，采用C型玻璃更佳。