曲 濤, 卞相娟, 王志楚, 仇中柱

(1.青島國(guó)際郵輪港開(kāi)發(fā)建設(shè)有限公司,山東 青島 266011; 2.山東省濱州市建筑設(shè)計(jì)研究院,山東 濱州 256613;3.東南大學(xué), 江蘇 南京 210096; 4.上海電力學(xué)院, 上海 200090)

隨著社會(huì)的發(fā)展,人們的生活品質(zhì)不斷提高,對(duì)居住和辦公環(huán)境的舒適性提出了更高的要求。這些要求的實(shí)現(xiàn)在今天已經(jīng)不是問(wèn)題,然而伴隨這些高舒適要求而來(lái)的是大量的能源消耗[1]。影響建筑能源消耗的因素很多,如房屋的自然通風(fēng)性、建筑朝向、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性等,但在整個(gè)建筑圍護(hù)構(gòu)件中,門(mén)窗的熱工性能是影響室內(nèi)熱環(huán)境與建筑能耗的主要因素[2-6]。因此,外窗是建筑節(jié)能的關(guān)鍵部位,也是節(jié)能技術(shù)的重點(diǎn)。隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題、建筑節(jié)能問(wèn)題的日益重視,玻璃窗的節(jié)能也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

目前,外窗節(jié)能主要是從控制窗墻比、改善窗的保溫性能、提高窗的氣密性、減少冷空氣滲透和遮陽(yáng)等方面進(jìn)行研究[7-8]。目前,常用的外窗設(shè)計(jì)方案有4種:單層透明玻璃窗、雙層low-e玻璃窗、單層玻璃窗貼隔熱膜和雙層玻璃窗加外遮陽(yáng)。

EnergyPlus是由美國(guó)能源部和勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室共同開(kāi)發(fā)的一款建筑能耗模擬軟件,是在軟件BLAST和DOE-2基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的,具有兩者的優(yōu)點(diǎn)。EnergyPlus軟件能夠根據(jù)建筑的物理組成和機(jī)械系統(tǒng)(暖通空調(diào)系統(tǒng))計(jì)算建筑的冷熱負(fù)荷,通過(guò)暖通空調(diào)系統(tǒng)維持室內(nèi)設(shè)定溫度。EnergyPlus還能夠輸出非常詳細(xì)的各項(xiàng)數(shù)據(jù),已有學(xué)者采用該軟件對(duì)窗戶玻璃的外表面溫度、內(nèi)表面溫度等數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,結(jié)果表明,計(jì)算誤差在可以接受的范圍內(nèi)[9-10]。這說(shuō)明該軟件用于建筑能耗模擬精度較高。

本文以上海地區(qū)某賓館建筑為研究對(duì)象,采用EnergyPlus軟件,通過(guò)對(duì)4種外窗設(shè)計(jì)方案的全年能耗與初投資進(jìn)行比較,來(lái)確定夏熱冬冷地區(qū)最優(yōu)化外窗設(shè)計(jì)方案。

1 建筑模型

1.1 建筑幾何模型與圍護(hù)結(jié)構(gòu)

上海處于中國(guó)夏熱冬冷地區(qū)。上海某賓館建筑共8層,建筑面積為5 846 m2,其中空調(diào)面積為4 730 m2。每層有22個(gè)房間,每個(gè)房間可住2位客人。該建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外墻結(jié)構(gòu)為20 mm厚1∶3防水石灰砂漿+240 mm中空磚+20 mm保溫層+18 mm厚1∶1∶4水泥石灰砂漿打底,傳熱系數(shù)為0.85 W/(m2·K)。屋頂結(jié)構(gòu)為2 mm防水層+40 mm水泥砂漿+35 mm保溫層+30 mm細(xì)石混凝土+20 mm室內(nèi)抹灰,傳熱系數(shù)為0.595 W/(m2·K)。各朝向的窗墻比為0.5,外窗總面積為1 588.48 m2。其建筑幾何模型見(jiàn)圖1,建筑平面圖見(jiàn)圖2。

圖1 建筑模型

圖2 建筑平面示意

1.2 建筑能耗模擬設(shè)定條件

上海室外氣象條件如下:北緯31°10′,東經(jīng)121°26′;海拔4.5 m;夏季大氣壓力為1 005.3 kPa,冬季大氣壓力1 025.1 kPa;夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度為33.5 ℃,冬季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度為-1.8 ℃[11]?？头坑?jì)算參數(shù)如下:夏季室溫24 ℃,冬季室溫21 ℃,室內(nèi)空氣相對(duì)濕度≤60%,新風(fēng)量≥30 m3/(人·h),客房人員密度為2人/間,每間客房設(shè)備功率均為900 W,客房照明密度為18 W/m2[12-13]。走廊計(jì)算參數(shù)如下:夏季室溫26 ℃,冬季室溫19 ℃,室內(nèi)空氣相對(duì)濕度≤60%,新風(fēng)量≥30 m3/(人·h),走廊人員密度為0.02人/m2,走廊照明密度為8 W/m2[12-13]。人員在室時(shí)間、設(shè)備和照明的使用時(shí)間參考文獻(xiàn)[12]。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 能耗模擬計(jì)算

針對(duì)上述的建筑模型,運(yùn)用建筑能耗模擬軟件EnergyPlus進(jìn)行能耗模擬。經(jīng)軟件模擬計(jì)算后,可得到不同設(shè)計(jì)方案的建筑能耗。4種外窗設(shè)計(jì)方案的具體光熱參數(shù)見(jiàn)表1[14]。

表1 不同外窗的光熱參數(shù)

2.2 能耗模擬結(jié)果

2.2.1 制冷能耗模擬結(jié)果

逐月制冷能耗模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。全年制冷能耗模擬結(jié)果見(jiàn)表2。

圖3 不同外窗制冷能耗逐月模擬結(jié)果

MWh

由圖3可以看出,單層透明玻璃窗貼隔熱膜的逐月制冷能效最好,雙層玻璃窗加外遮陽(yáng)次之。單層透明玻璃窗與雙層low-e玻璃窗相比,6月和9月的制冷能耗基本相同,7月和8月單層透明玻璃窗的制冷能耗大,其他月份雙層low-e玻璃窗的制冷能耗最大。由表2可以看出,單層透明玻璃窗貼隔熱膜的全年制冷能耗最小,其次為雙層玻璃窗加外遮陽(yáng),再次為單層透明玻璃窗,雙層low-e玻璃窗的全年制冷能耗最大,比單層透明玻璃窗貼隔熱膜多284.51 MWh。

2.2.2 制熱能耗模擬結(jié)果

逐月制熱能耗模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。全年制熱能耗模擬結(jié)果見(jiàn)表3。

圖4 不同外窗制熱能耗逐月模擬結(jié)果

由圖4可以看出,對(duì)于逐月制熱能耗,雙層low-e玻璃窗的能效最好,雙層玻璃窗加外遮陽(yáng)次之,單層透明玻璃窗貼隔熱膜最差。4種設(shè)計(jì)方案都是1月份所需的制熱能耗最大,分別為雙層low-e玻璃窗37.99 MWh,雙層玻璃窗加外遮陽(yáng)47.55 MWh,單層透明玻璃窗59.82 MWh,單層透明玻璃窗貼隔熱膜77.53 MWh。由表3可以看出,雙層low-e玻璃窗的全年制熱能耗最小,其次為雙層玻璃窗加外遮陽(yáng),再次為單層透明玻璃窗,單層透明玻璃窗貼隔熱膜的全年制熱能耗最大,是雙層low-e玻璃窗的兩倍多。

2.2.3 總能耗模擬結(jié)果

逐月總能耗模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。全年總能耗模擬結(jié)果見(jiàn)表4。

圖5 不同外窗總能耗逐月模擬結(jié)果

由圖5可以看出,對(duì)逐月總能耗來(lái)說(shuō),1月、2月、3月和12月雙層玻璃窗加外遮陽(yáng)的能耗最小,雙層low-e玻璃窗次之,單層透明玻璃窗貼隔熱膜最大。4月份,雙層玻璃窗加外遮陽(yáng)的能耗還是最小,其次為單層透明玻璃窗貼隔熱膜,雙層low-e玻璃窗最多。5月到11月期間,單層透明玻璃窗貼隔熱膜的能耗最小,其次為雙層玻璃窗加外遮陽(yáng)。7月和8月單層透明玻璃窗的能耗最大。由表4可以看出,雙層玻璃窗加外遮陽(yáng)的全年總能耗最小,能效最好,其次為單層透明玻璃窗貼隔熱膜,再次為雙層low-e玻璃窗,單層透明玻璃窗的全年總能耗最大。以能耗最大的單層透明玻璃窗為參照來(lái)計(jì)算其他方案的節(jié)能率,雙層玻璃窗加外遮陽(yáng)的節(jié)能率為18.39%,單層玻璃窗貼隔熱膜的節(jié)能率為17.5%,雙層low-e玻璃窗的節(jié)能率為5.75%。

表4 不同外窗全年總能耗模擬結(jié)果 MWh

3 經(jīng)濟(jì)性分析

利用EnergyPlus軟件對(duì)4種外窗設(shè)計(jì)方案的建筑能耗進(jìn)行模擬計(jì)算后,再根據(jù)各種材料的市場(chǎng)價(jià)格和上海的賓館用電電價(jià)0.776元/kWh進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性計(jì)算,并以單層透明玻璃窗的設(shè)計(jì)方案為參照,計(jì)算另外3種設(shè)計(jì)方案的簡(jiǎn)單回收期,具體見(jiàn)表5。

表5 經(jīng)濟(jì)性分析

由表5可以看出,若采用單層透明玻璃窗的設(shè)計(jì)方案,根據(jù)某公司提供的單價(jià)為100元/m2(包括材料和安裝施工)進(jìn)行計(jì)算,則初投資為158 848元,每年能耗費(fèi)用為623 477元。若采用雙層low-e玻璃窗的設(shè)計(jì)方案,按單價(jià)為250元/m2(包括材料和安裝施工)進(jìn)行計(jì)算,則初投資為397 120元,每年能耗費(fèi)用為 587 618元,比單層透明玻璃窗方案節(jié)省了35 859元,簡(jiǎn)單回收期為11.07 a。若采用單層透明玻璃窗貼隔熱膜的設(shè)計(jì)方案,按單價(jià)為150元/m2(包括材料和安裝施工)進(jìn)行計(jì)算,則初投資為238 272元,每年能耗費(fèi)用為514 371元,比單層透明玻璃窗方案節(jié)省了109 106元,簡(jiǎn)單回收期為2.18 a。若采用雙層玻璃窗加外遮陽(yáng)的設(shè)計(jì)方案,按單價(jià)為140元/m2(包括材料和安裝施工)進(jìn)行計(jì)算,則初投資為222 387元,每年能耗費(fèi)用為508 799元,比單層透明玻璃窗方案節(jié)省了114 678元,簡(jiǎn)單回收期為1.94 a。

4 結(jié) 論

利用建筑能耗模擬軟件EnergyPlus對(duì)單層透明玻璃窗、雙層low-e玻璃窗、單層透明玻璃窗貼隔熱膜和雙層玻璃窗加外遮陽(yáng)4種外窗設(shè)計(jì)方案的建筑能耗進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)論如下。

(1) 對(duì)于全年總能耗,雙層玻璃窗加外遮陽(yáng)的設(shè)計(jì)方案的能效最好,單層透明玻璃貼隔熱膜次之,再次為雙層low-e玻璃窗,單層透明玻璃窗最差。以能耗最大的單層透明玻璃窗為參照,計(jì)算其他方案的節(jié)能率,雙層玻璃窗加外遮陽(yáng)的節(jié)能率為18.39%,單層玻璃窗貼隔熱膜的節(jié)能率為17.5%,雙層low-e玻璃窗的節(jié)能率為5.75%。

(2) 結(jié)合能耗費(fèi)用和初投資計(jì)算4種設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)效益,以單層透明玻璃窗為參照,計(jì)算了另外3種設(shè)計(jì)方案的簡(jiǎn)單回收期,雙層low-e玻璃窗為11.07 a,單層透明玻璃窗貼隔熱膜為2.18 a,雙層玻璃窗加外遮陽(yáng)為1.94 a。

(3) 在本文設(shè)定的外窗光熱參數(shù)下,夏熱冬冷地區(qū)雙層玻璃窗加外遮陽(yáng)的外窗設(shè)計(jì)方案節(jié)能效果最好。外窗節(jié)能設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)單盲目地采用雙層low-e玻璃窗或加貼隔熱膜并不一定能夠達(dá)到預(yù)想的節(jié)能效果。