曲 涛, 卞相娟, 王志楚, 仇中柱

(1.青岛国际邮轮港开发建设有限公司,山东 青岛 266011; 2.山东省滨州市建筑设计研究院,山东 滨州 256613;3.东南大学, 江苏 南京 210096; 4.上海电力学院, 上海 200090)

随着社会的发展,人们的生活品质不断提高,对居住和办公环境的舒适性提出了更高的要求。这些要求的实现在今天已经不是问题,然而伴随这些高舒适要求而来的是大量的能源消耗[1]。影响建筑能源消耗的因素很多,如房屋的自然通风性、建筑朝向、围护结构的保温隔热性等,但在整个建筑围护构件中,门窗的热工性能是影响室内热环境与建筑能耗的主要因素[2-6]。因此,外窗是建筑节能的关键部位,也是节能技术的重点。随着人们对环境问题、建筑节能问题的日益重视,玻璃窗的节能也越来越受到人们的关注。

目前,外窗节能主要是从控制窗墙比、改善窗的保温性能、提高窗的气密性、减少冷空气渗透和遮阳等方面进行研究[7-8]。目前,常用的外窗设计方案有4种:单层透明玻璃窗、双层low-e玻璃窗、单层玻璃窗贴隔热膜和双层玻璃窗加外遮阳。

EnergyPlus是由美国能源部和劳伦斯·伯克利国家实验室共同开发的一款建筑能耗模拟软件,是在软件BLAST和DOE-2基础上开发的,具有两者的优点。EnergyPlus软件能够根据建筑的物理组成和机械系统(暖通空调系统)计算建筑的冷热负荷,通过暖通空调系统维持室内设定温度。EnergyPlus还能够输出非常详细的各项数据,已有学者采用该软件对窗户玻璃的外表面温度、内表面温度等数据与测试数据进行对比验证,结果表明,计算误差在可以接受的范围内[9-10]。这说明该软件用于建筑能耗模拟精度较高。

本文以上海地区某宾馆建筑为研究对象,采用EnergyPlus软件,通过对4种外窗设计方案的全年能耗与初投资进行比较,来确定夏热冬冷地区最优化外窗设计方案。

1 建筑模型

1.1 建筑几何模型与围护结构

上海处于中国夏热冬冷地区。上海某宾馆建筑共8层,建筑面积为5 846 m2,其中空调面积为4 730 m2。每层有22个房间,每个房间可住2位客人。该建筑围护结构的外墙结构为20 mm厚1∶3防水石灰砂浆+240 mm中空砖+20 mm保温层+18 mm厚1∶1∶4水泥石灰砂浆打底,传热系数为0.85 W/(m2·K)。屋顶结构为2 mm防水层+40 mm水泥砂浆+35 mm保温层+30 mm细石混凝土+20 mm室内抹灰,传热系数为0.595 W/(m2·K)。各朝向的窗墙比为0.5,外窗总面积为1 588.48 m2。其建筑几何模型见图1,建筑平面图见图2。

图1 建筑模型

图2 建筑平面示意

1.2 建筑能耗模拟设定条件

上海室外气象条件如下:北纬31°10′,东经121°26′;海拔4.5 m;夏季大气压力为1 005.3 kPa,冬季大气压力1 025.1 kPa;夏季空调室外计算干球温度为33.5 ℃,冬季空调室外计算干球温度为-1.8 ℃[11]。客房计算参数如下:夏季室温24 ℃,冬季室温21 ℃,室内空气相对湿度≤60%,新风量≥30 m3/(人·h),客房人员密度为2人/间,每间客房设备功率均为900 W,客房照明密度为18 W/m2[12-13]。走廊计算参数如下:夏季室温26 ℃,冬季室温19 ℃,室内空气相对湿度≤60%,新风量≥30 m3/(人·h),走廊人员密度为0.02人/m2,走廊照明密度为8 W/m2[12-13]。人员在室时间、设备和照明的使用时间参考文献[12]。

2 模拟结果与讨论

2.1 能耗模拟计算

针对上述的建筑模型,运用建筑能耗模拟软件EnergyPlus进行能耗模拟。经软件模拟计算后,可得到不同设计方案的建筑能耗。4种外窗设计方案的具体光热参数见表1[14]。

表1 不同外窗的光热参数

2.2 能耗模拟结果

2.2.1 制冷能耗模拟结果

逐月制冷能耗模拟结果见图3。全年制冷能耗模拟结果见表2。

图3 不同外窗制冷能耗逐月模拟结果

MWh

由图3可以看出,单层透明玻璃窗贴隔热膜的逐月制冷能效最好,双层玻璃窗加外遮阳次之。单层透明玻璃窗与双层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月单层透明玻璃窗的制冷能耗大,其他月份双层low-e玻璃窗的制冷能耗最大。由表2可以看出,单层透明玻璃窗贴隔热膜的全年制冷能耗最小,其次为双层玻璃窗加外遮阳,再次为单层透明玻璃窗,双层low-e玻璃窗的全年制冷能耗最大,比单层透明玻璃窗贴隔热膜多284.51 MWh。

2.2.2 制热能耗模拟结果

逐月制热能耗模拟结果见图4。全年制热能耗模拟结果见表3。

图4 不同外窗制热能耗逐月模拟结果

由图4可以看出,对于逐月制热能耗,双层low-e玻璃窗的能效最好,双层玻璃窗加外遮阳次之,单层透明玻璃窗贴隔热膜最差。4种设计方案都是1月份所需的制热能耗最大,分别为双层low-e玻璃窗37.99 MWh,双层玻璃窗加外遮阳47.55 MWh,单层透明玻璃窗59.82 MWh,单层透明玻璃窗贴隔热膜77.53 MWh。由表3可以看出,双层low-e玻璃窗的全年制热能耗最小,其次为双层玻璃窗加外遮阳,再次为单层透明玻璃窗,单层透明玻璃窗贴隔热膜的全年制热能耗最大,是双层low-e玻璃窗的两倍多。

2.2.3 总能耗模拟结果

逐月总能耗模拟结果见图5。全年总能耗模拟结果见表4。

图5 不同外窗总能耗逐月模拟结果

由图5可以看出,对逐月总能耗来说,1月、2月、3月和12月双层玻璃窗加外遮阳的能耗最小,双层low-e玻璃窗次之,单层透明玻璃窗贴隔热膜最大。4月份,双层玻璃窗加外遮阳的能耗还是最小,其次为单层透明玻璃窗贴隔热膜,双层low-e玻璃窗最多。5月到11月期间,单层透明玻璃窗贴隔热膜的能耗最小,其次为双层玻璃窗加外遮阳。7月和8月单层透明玻璃窗的能耗最大。由表4可以看出,双层玻璃窗加外遮阳的全年总能耗最小,能效最好,其次为单层透明玻璃窗贴隔热膜,再次为双层low-e玻璃窗,单层透明玻璃窗的全年总能耗最大。以能耗最大的单层透明玻璃窗为参照来计算其他方案的节能率,双层玻璃窗加外遮阳的节能率为18.39%,单层玻璃窗贴隔热膜的节能率为17.5%,双层low-e玻璃窗的节能率为5.75%。

表4 不同外窗全年总能耗模拟结果 MWh

3 经济性分析

利用EnergyPlus软件对4种外窗设计方案的建筑能耗进行模拟计算后,再根据各种材料的市场价格和上海的宾馆用电电价0.776元/kWh进行经济性计算,并以单层透明玻璃窗的设计方案为参照,计算另外3种设计方案的简单回收期,具体见表5。

表5 经济性分析

由表5可以看出,若采用单层透明玻璃窗的设计方案,根据某公司提供的单价为100元/m2(包括材料和安装施工)进行计算,则初投资为158 848元,每年能耗费用为623 477元。若采用双层low-e玻璃窗的设计方案,按单价为250元/m2(包括材料和安装施工)进行计算,则初投资为397 120元,每年能耗费用为 587 618元,比单层透明玻璃窗方案节省了35 859元,简单回收期为11.07 a。若采用单层透明玻璃窗贴隔热膜的设计方案,按单价为150元/m2(包括材料和安装施工)进行计算,则初投资为238 272元,每年能耗费用为514 371元,比单层透明玻璃窗方案节省了109 106元,简单回收期为2.18 a。若采用双层玻璃窗加外遮阳的设计方案,按单价为140元/m2(包括材料和安装施工)进行计算,则初投资为222 387元,每年能耗费用为508 799元,比单层透明玻璃窗方案节省了114 678元,简单回收期为1.94 a。

4 结 论

利用建筑能耗模拟软件EnergyPlus对单层透明玻璃窗、双层low-e玻璃窗、单层透明玻璃窗贴隔热膜和双层玻璃窗加外遮阳4种外窗设计方案的建筑能耗进行模拟计算,结论如下。

(1) 对于全年总能耗,双层玻璃窗加外遮阳的设计方案的能效最好,单层透明玻璃贴隔热膜次之,再次为双层low-e玻璃窗,单层透明玻璃窗最差。以能耗最大的单层透明玻璃窗为参照,计算其他方案的节能率,双层玻璃窗加外遮阳的节能率为18.39%,单层玻璃窗贴隔热膜的节能率为17.5%,双层low-e玻璃窗的节能率为5.75%。

(2) 结合能耗费用和初投资计算4种设计方案的经济效益,以单层透明玻璃窗为参照,计算了另外3种设计方案的简单回收期,双层low-e玻璃窗为11.07 a,单层透明玻璃窗贴隔热膜为2.18 a,双层玻璃窗加外遮阳为1.94 a。

(3) 在本文设定的外窗光热参数下,夏热冬冷地区双层玻璃窗加外遮阳的外窗设计方案节能效果最好。外窗节能设计中简单盲目地采用双层low-e玻璃窗或加贴隔热膜并不一定能够达到预想的节能效果。