外窗遮陽對閩北辦公建筑綜合能耗的影響

陶求華,莊 杰

(1.集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院廈門361021;2.福建華電永安發(fā)電有限公司永安366000)

0 引言

從終端用能角度看,辦公建筑能耗主要包括空調(diào)系統(tǒng)、照明、辦公設(shè)備等三個方面的耗能,主要節(jié)能潛力在空調(diào)系統(tǒng)能耗、照明系統(tǒng)能耗兩方面[1],而這兩方面能耗都跟建筑外窗有關(guān)。建筑外窗帶給人們陽光、溫暖和風(fēng)景,同時也是夏季得熱的重要來源[2],建筑通過外窗損失的能耗往往占圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的50%左右,約為墻體的4倍[3]。隨著我國建筑業(yè)的高速發(fā)展和建筑節(jié)能的全面推進(jìn),節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和民眾對外窗的熱舒適等性能要求越來越高,但目前我國大部分既有建筑和新建建筑窗玻璃采用的是普通透明玻璃,既不節(jié)能也不安全,即使是傳熱系數(shù)較低的中空玻璃也不能達(dá)到既經(jīng)濟(jì)適用又安全可靠的要求。本文將采用建筑能耗模擬分析軟件DEST,模擬分析閩北地區(qū)辦公建筑外窗由于太陽輻射得熱引起的能耗特點(diǎn)。

1 外窗太陽輻射得熱數(shù)學(xué)模型

太陽輻射是影響建筑室內(nèi)熱環(huán)境的重要因素。以南平地區(qū)為例,夏季太陽直射輻射強(qiáng)度最高可達(dá)1045 W/m2,太陽總輻射強(qiáng)度高達(dá)1309 W/m2。透過玻璃窗的太陽輻射得熱量與玻璃窗的朝向有關(guān),并隨季節(jié)與每天的具體時刻而變化。i朝向τ時刻玻璃窗的太陽輻射得熱量按下式計算 [4]:

式中:

Q1(i,τ)—i朝向τ時刻玻璃窗輻射得熱,W;SSGD(i)—i朝向τ時刻太陽直射得熱,W/m2;SSGd(i)—i朝向τ時刻散射得熱,W/m2;F(i)—i朝向窗面積,m2;

Xf—窗玻璃的有效面積系數(shù),%;

Xs(i)—陽光實(shí)際照射面積比;SC—無遮陽透明單(雙)層玻璃窗的遮陽系數(shù)整窗的遮陽系數(shù)SC、太陽能得熱系數(shù)SHGC與整窗的太陽能透過率T、吸收率P之間的關(guān)系為[5]:0.87Sc-Px=T,SHGC-Px=T,對于普通玻璃,Px很小,可近似認(rèn)為T=SHGC=0.87SC。

綜上,采取措施減小整窗的太陽能透過率,可減小玻璃窗的太陽輻射得熱量,降低室內(nèi)溫度,減小空調(diào)能耗。

2 建筑側(cè)窗采光數(shù)學(xué)模型

對于室內(nèi)采光狀況,一般用采光系數(shù)C作為衡量建筑室內(nèi)采光的指標(biāo)[6]:

式中:

Cd′—側(cè)窗窗洞口的采光系數(shù),受房間的進(jìn)深、開間和窗高影響;

Kp′—側(cè)面采光的室內(nèi)反射光增量系數(shù),與室內(nèi)表面采用材料顏色有關(guān);

Kw—側(cè)面采光的室外建筑物擋光折減系數(shù);

Kc—側(cè)面采光的窗寬修正系數(shù),取建筑長度方向一面墻上的窗寬總和與建筑長度之比;

Kτ′—側(cè)面采光的總透射比;

式中:

τ—玻璃可見光透射比;

τc—窗的擋光折減系數(shù);

τw—玻璃的污染折減系數(shù)

由上式可知,如果減小可見光透射比,側(cè)面采光總透射比減小,相應(yīng)的采光系數(shù)減小,使得室內(nèi)自然采光量降低。一般地,采用遮陽措施后,可見光透射比會減小,影響室內(nèi)天然采光,不得不增加人工照明補(bǔ)償,從而加大辦公建筑照明能耗。

由以上討論可知,外窗遮陽可以減小夏季空調(diào)能耗,增加照明能耗,外窗遮陽應(yīng)綜合考慮照明能耗和空調(diào)能耗,兼顧空調(diào)制冷與照明用電間的能耗平衡,選擇適合于閩北地區(qū)辦公建筑的遮陽措施。

3 辦公建筑外窗DeST模擬

3.1 建筑模型及參數(shù)設(shè)置

1)建筑模型

研究以南平地區(qū)一個辦公建筑為例,建筑立體模型如圖 1所示。該建筑共11層,建筑面積 9 900m2,各朝向的窗墻比均為0.46。

圖1 南平地區(qū)辦公建筑示意圖

其圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)設(shè)置表

2)參數(shù)設(shè)置

夏季室內(nèi)設(shè)計溫度26℃,最多人員密度為0.1人/m2,燈光產(chǎn)熱為0～10W/m2,設(shè)備產(chǎn)熱為0～20W/m2,最低新風(fēng)量為30m3/(人·h);設(shè)定最低照度300 lx,建筑運(yùn)行時間為每周周一至周五,上午7點(diǎn)至晚上8點(diǎn)鐘。

3.2 模擬分析方法

本文通過對比分析探討外窗綜合遮陽系數(shù)Sw對南平地區(qū)辦公建筑綜合能耗的影響,外窗的具體參數(shù)見表2。

表2 相同的外窗玻璃傳熱系數(shù)與不同綜合遮陽系數(shù)

首先,采用建筑環(huán)境模擬分析軟件DeST對上述外窗進(jìn)行建筑采光計算,得到各種情形下的自然采光量。

假定辦公建筑照明系統(tǒng)可根據(jù)逐時照度進(jìn)行智慧控制,在上班時段08∶00～16∶00,若自然采光照度≥300 lx,人工照明關(guān)閉;若不足300 lx,則開啟人工照明補(bǔ)償不足部分[7]。

單位面積i時刻所需補(bǔ)充照明功率可由式 (4)計算[8]:

式中:

LPDi—單位面積某時刻所需補(bǔ)充照明功率,W/m2;

Pw—燈具耗功,取T5高效節(jié)能燈管,燈管功耗28W,鎮(zhèn)流器功耗4W;

Ei—上班時段i時刻室內(nèi)自然采光逐時照度,lx;

Φ—光通量,取T5高效節(jié)能燈管,2500 lm;

U—燈具維護(hù)系數(shù),取0.8;

K—利用系數(shù),取0.8

則可求出單位面積照明年耗電量。

然后,繼續(xù)采用DeST對上述外窗進(jìn)行建筑空調(diào)負(fù)荷計算,得到各種情形下的空調(diào)負(fù)荷。則單位面積空調(diào)電耗可由式 (5)計算[9]:

式中:

E—單位面積空調(diào)季電耗,kWh/m2;

Q—單位面積空調(diào)季負(fù)荷,kWh/m2;

EERs—空調(diào)系統(tǒng)能效比,計算公式為式 (6):

式中:

EERt—空調(diào)末端能效比,全空氣系統(tǒng)取6;

COP—冷水機(jī)組制冷性能系數(shù),取4.8;

WTFcw—冷卻水輸送系數(shù),取25;

WTFchw—冷凍水輸送系數(shù),取30;

計得EERs=2.23,則可計算得到單位面積空調(diào)電耗。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 綜合遮陽系數(shù)與照明能耗、空調(diào)能耗

改變遮陽系數(shù)后,照明能耗的變化見圖2。

圖2 綜合遮陽系數(shù)對照明能耗的影響

從圖中可知綜合遮陽系數(shù)越小,照明能耗越大,而且呈漸變趨勢,當(dāng)綜合遮陽系數(shù)小于0.51時,對照明能耗的影響增大。在0.51＜Sw＜0.74中,每降低 0.01綜合遮陽系數(shù),照明能耗增加0.27%;在0.24＜Sw＜0.51中,每降低0.01綜合遮陽系數(shù),照明能耗增加0.62%;在0.12＜Sw＜0.24中,每降低0.01綜合遮陽系數(shù),照明能耗增加1.17%。

如圖3所示為空調(diào)能耗隨綜合遮陽系數(shù)的變化。

圖3 綜合遮陽系數(shù)對空調(diào)能耗的影響

從圖3可知,傳熱系數(shù)與空調(diào)能耗呈線性相關(guān),其擬合公式為y=-1192.7x+47184,R2=0.9851。

綜合考慮照明能耗和空調(diào)能耗,綜合遮陽系數(shù)對綜合能耗的影響如圖4。

圖4 綜合遮陽系數(shù)對綜合能耗的影響

從圖4可見,綜合能耗隨綜合遮陽系數(shù)呈先降后升的趨勢,對比方案6與方案1,方案6節(jié)能5%,年節(jié)電3047.84kWh。

選擇外窗遮陽措施時不能只考慮空調(diào)電耗,想當(dāng)然地采用遮陽系數(shù)最低的窗膜,反而可能造成不節(jié)能的后果;因此,選擇外窗遮陽措施時,要綜合考慮照明能耗和空調(diào)能耗。

5 結(jié)論

本文采用建筑環(huán)境模擬分析軟件DeST,模擬8種方案,分析相同傳熱系數(shù)下不同的綜合遮陽系數(shù)對建筑照明能耗、空調(diào)能耗的影響。

通過模擬分析后,認(rèn)為,兼顧空調(diào)與照明綜合能耗,外窗的綜合遮陽系數(shù)存在一個中間值,能以最小的空調(diào)能耗上升為代價換取最大的利用自然光源,以達(dá)到節(jié)電的目的。

選取合適的遮陽系數(shù)既能充分利用自然光源,也能避免外界帶來過多的熱量。

本次模擬結(jié)果顯示,閩北地區(qū)外窗綜合遮陽系數(shù)最優(yōu)值為0.31。

[1] DBJ/T11 6XX-2008,公共建筑節(jié)能檢測評估[S]

[2] U.S.Department of Energy.Energy-Efficient Windows.DOE/CH10093-290FS 216.October 1994

[3] T.Nikolaou,G.Stavrakakis,Contribution of shading in improving the energy performance of buildings,2nd PALENC Conference and 28th AIVC Conference on Building Low Energy Cooling and Advanced Ventilation Technologiesin the 21st Century,September 2007,p716-722

[4] 彥啟森,趙慶珠.建筑熱過程 [M].北京:中國建筑出版社,1986:30-36

[5] 清華大學(xué)DeST開發(fā)組.建筑環(huán)境系統(tǒng)模擬分析方法—DeST[M].北京:建筑工業(yè)出版社,2006

[6] GBT 50033-2001,建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S]

[7] 張亞.基于LonWorks技術(shù)的智能照度控制器設(shè)計[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2008,(1):168-172

[8] 蔣勇,龍海珊.建筑照明照度計算探討[J].中外建筑,2008,(11):162-163

[9] GBT17981-2007,空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[S]