既有办公建筑外窗改造方式的分析研究.pdf

97收稿日期：2 0 2 2-0 4-0 7；修回日期：2 0 2 3-0 7-19ATU111.42096-9422(07-0097-06文献标志码：中图分类号：文章编号：doi:10.3969/9422.2023.07.017SSJournalofBEEEnergy-SavingRetrofittingNo.7 in 2023(Total Vol.51.No.389)节能改造2023年第7 期（总第51卷第3 8 9 期）建筑节能（中英文既有办公建筑外窗改造方式的分析研究周亚平，陈宁?（1江苏千骏工程检测咨询有限公司，南京214000；2.江苏硕佰建筑科技有限公司，南京214000)摘要：以南京具有代表性的小面积多层机关办公建筑为例，采用DeST-C软件进行模拟分析，对该类办公建筑外围护结构中外窗改造方式进行了研究，通过对围护结构改造节能贡献率、外窗节能改造方式以及外窗更换改造的玻璃类型选择进行分析，结果表明：外围护结构改造的节能贡献率分别为：外窗 外墙 屋面，年累计负荷降低比例分别为15.2 9%、10.0 7%和4.2 1%，应优先考虑对外窗进行改造。对于较为老旧的铝合金单玻窗，采用贴膜方式改造时，年累计负荷相比于老旧建筑的降低比例仅为1.2 0%，效果十分有限，不建议采用。而外窗更换改造时，采用热工性能更优异的中透光外窗，年累计负荷相比于采用高透光外窗不仅没有提升，反而降低了0.19%。说明夏热冬冷地区进一步提升外窗的热工性能参数，虽然增加了成本投入，但对节能的进一步提升贡献比较有限。应同步考虑采用活动外遮阳，在冬季时减少影响，而在夏季时尽可能降低进入室内的太阳辐射得热，才能将外窗改造的节能效益发挥到最大。关键词：夏热冬冷地区；围护结构改造；节能贡献率；玻璃贴膜Analysis and Research on the Transformation Mode ofExternal Windows of ExistingOffice BuildingsZHOU Yaping,CHEN Ning(1.Jiangsu Qianjun Engineering Testing Consulting Co.,Ltd.,Nanjing 214000,China;2.Jiangsu Shuobai Building Technology Co.,Ltd.,Nanjing 214000,China)Abstract:Taking the representative small-area multi-storey ofice building in Nanjing as an example,the transformation methods of external windows in the outer envelope of this kind of office building arestudied by using DesT-c software.Through the analysis of the energy-saving contribution rate of envelopetransformation,the energy-saving transformation methods of external windows and the selection of glasstypes for the replacement and transformation of external windows,the results show that the energy-savingcontribution rate of the peripheral protective structure transformation is:external window external wall roof,and the annual cumulative load reduction ratio is 15.29%,10.07%and 4.21%respectively.Theexternal window transformation should be given priority.For the relatively old aluminum alloy single glasswindow,when the film is used for transformation,the annual cumulative load is only 1.20%lower thanthat of the old building,and the effect is very limited,so it is not recommended to use it.During thereplacement and transformation of the outer window,when the medium transparent outer window withbetter thermal performance is adopted,the annual cumulative load is not increased compared with the hightransparent outer window,but it decreases by 0.19%.This shows that further improving the thermalperformance parameters of external windows in hot summer and cold winter areas has increased the costinvestment,but its contribution to the further improvement of energy saving is relatively limited.The use ofactive external shading should be considered simultaneously to reduce the impact in winter and reduce thesolar radiation heat gain entering the room as much as possible in summer,so as to maximize the energy-98周亚平，等：既有办公建筑外窗改造方式的分析研究saving benefits of the transformation of external windows.Keywords:hot summer and cold winter area;envelope reconstruction;energy saving contributionrate;glass film0引言目前，我国已经步入城镇化较快发展的中后期，城市发展已经进人了由“大规模增量建设”转为“存量提质改造和增量结构调整并重”的重要时期。2 0 2 1年6 月1日，国管局发布的“十四五”公共机构节约能源资源工作规划”中明确指出2 0 2 5年公共机构单位建筑面积能耗下降5%，持续开展既有建筑围护结构、照明、电梯等综合型用能系统和设施设备节能改造，既有建筑的绿色化改造仍将是“十四五”期间的重点工作之一 2 目前，针对办公建筑节能改造研究较多。西南石油大学的赵军波采用正交实验法，发现上海地区对能耗影响从大到小分别为：外窗遮阳系数 外窗传热系数 屋面传热系数 外墙传热系数 3 。重庆大学的耿幼明通过研究得到了围护结构（夏热冬冷地区）对既有办公建筑整体能耗的重要性影响顺序为：外窗遮阳 外墙 屋面 4 。节能贡献率最高分别可达到7.0%、5.1%、3.7%和3.3%。湖北省建科院的黄惊等人以夏热冬冷地区某典型办公建筑为例，运用DesignBuilder软件模拟建筑全年能耗，结果表明，在满足规范要求的前提下，夏热冬冷地区建筑减小外窗太阳得热系数的节能效果更加明显 5。浙江大学的姜敏对夏热冬冷地区的既有办公建筑节能改造潜力评价指标体系进行了研究，研究表明就围护结构而言，外窗、外墙、屋顶、遮阳的相对权重系数分别为0.469 3,0.145 1,0.326 2,0.059 56根据现有研究，基本上研究分析的对象都是针对面积较大的办公建筑，而目前现有的公共机构办公建筑（尤其是县、区级）中存有大量的小面积、多层的办公楼，大部分为老旧的非节能建筑，面临着改造的问题。通过南京某公共机构办公楼的模拟分析，对外窗、外墙、屋面实施节能改造的贡献率进行分析研究。同时，部分项目为了能够在尽可能低的影响（不影响办公）和较少投资下对外窗进行改造，会考虑采用贴膜的方式。本文通过对外窗改造的两种方式（更换外窗、外窗贴膜）进行分析对比，为其他项目涉及类似改造时提供借鉴1建筑概况以南京市某小型办公楼为例（楼层布局见图1），建立了典型建筑模型（见图2）。该建筑地上5层，总建筑面积为2 8 2 9.6 m，各朝向的窗墙比分别为：南向0.48、北向0.4 3、东向0.0 9、西向0.0 9图1建筑标准层功能布局图图2DeST建筑模型示意图2模拟工况及参数设置2.1围护结构由于外墙存在热桥部位，直接按照墙体主体部分做法设置，将导致外墙的热工性能好于实际（DeST只按设置的围护结构参数计算，不考虑热桥），且由于实际施工问题，保温材料的效果低于理论值，因此进行节能计算时保温材料针对都会考虑修正系数。本次模拟计算按照实际建筑的节能计算值确定保温层厚度等参数。2.1.1改造前未改造的老旧建筑采用砖墙，屋顶不设置保温层，窗户采用单玻窗，围护结构的具体参数见表1。表1未改造前，围护结构做法及热工参数围护结构部位围护结构做法热工性能参数外墙R=0.46(m K)/W水泥砂浆（10 mm）+K M l 粘土多孔砖（2 4 0 mm）+水泥砂浆（2 0 mm）（由外到内）K=1.62 W/(m.K)水泥砂浆（2 5mm）+石灰砂浆（3 mm）+沥青油毡（4 mm）+屋面R=0.53(m.K)/W细石混凝土（4 0 mm）+水泥膨胀珍珠岩（7 0 mm）+（至上而下）K=1.45W/(m.K)水泥砂浆（2 0 mm）+钢筋混凝土（12 0 mm）+石灰砂浆（2 0 mm）K=6.7 W/(m.K)外窗6mm单玻铝合金外窗SHGC=0.73999ZHOU Yaping,et al.Analysis and Research on the Transformation Mode of ExternalWindowsof ExistingOfficeBuildings2.1.2改造后参照公共建筑节能设计标准（GB50189一2015）的要求，对项目进行改造，围护结构的热工性能参数见表2。表2改造后，围护结构做法及热工参数围护结构部位围护结构做法热工性能参数外墙水泥砂浆（2 0 mm）+岩棉板（3 0 mm）+水泥砂浆（10 mm）+R=1.14(m.K)/W(由外到内）KMl粘土多孔砖（2 4 0 mm）+石灰砂浆（2 0 mm）K=0.77W/(m.K)细石混凝土（4 0 mm）+石灰砂浆（10 mm）+沥青油毡（4 mm）+屋面R=1.88(mK)/W水泥砂浆（2 0 mm）+挤塑聚苯板（50 mm）+(至上而下)K=0.49W/(m.K)轻集料混凝土（3 0 mm）+钢筋混凝土（12 0 mm）+石灰砂浆（2 0 mm）K=2.5 W/(m.K)外窗16mm高透光Low-E+9mm空气+6 mm透明断桥隔热铝合金外窗SGHC=0.432为了研究贴膜对建筑节能的作用，需进一步确定贴膜后外窗的热工性能参数。目前，玻璃贴膜主要有热反射膜、低辐射膜和吸热膜3 种 7 ,市场上主要的产品以热反射膜和低辐射膜为主。玻璃贴膜采用膜的形式、单层和中空玻璃以及贴膜具体位置对效果均有影响，需要进一步研究 8 。根据于紫薇的研究，双层窗不适宜采用贴膜技术，单层窗贴膜经济性较高。但由于贴膜产品种类较多，实际贴膜后的遮阳系数差异较大，从0.2 0 8 0.52 5之间不等-12 。为了分析贴膜后的能耗变化情况，本文贴膜后的玻璃参数直接取全国民用建筑工程技术措施（节能专篇）中的相关参数，即6 mm高透Low-E玻璃的传热系数为3.6W/（m.K），得热系数0.51,可见光透射率0.6 1。由于采用贴膜的方式，窗框仍为铝合金，所以整窗传热系数依旧很高（详见表3 中的外窗3）。另外，为了研究改造时，选择不同类型玻璃对建筑节能的影响，特选择中透光LoW-E玻璃（外窗2）与高透光Low-E玻璃（外窗1)进行对比。表3 外窗贴膜和中透光外窗的热工性能参数外窗编号围护结构做法热工性能参数外窗26mm中透光Low-E+9mm空气+6 mm透明断桥隔热铝合金外窗K=2.4 W/(m.K),SGHC=0.348外窗36mm单玻铝合金外窗（贴Low-E膜）K=5.1 W/(m.K),SGHC=0.4082.2室内热扰本项目的室内热扰的设置参数详见表4,具体逐时参数见图3。按照实际情况，这种小面积的办公楼很少有设置新风系统的。因此，本文模拟计算时，也未考虑新风系统。换气次数取1次；同时，空调季取6.19.30；采暖期取11.1 次年3.3 1。表4室内热扰设置参数参数项会议室办公室卫生间走廊楼梯间照明功率密度/（W/m）99655设备功率密度/（W/m）151515015人员（m/人）2.582050/密度/人/）0.40.1250.050.02人员散热量/（W/人）61616161/人员散湿量/（g/h）109109109109新风量/m/(h人)/空调设定温度（夏/冬）26/2026/203模拟结果分析3.1围护结构改造贡献率研究对未改造的老旧建筑和分别改造外窗（以下所提及的“改外窗”指采用“窗户1”）、外墙、屋面部位进行改造时的年累计负荷进行分析，具体结果见表5和图4。10080%/印60402005101520时刻图3人员、设备和灯光逐时参数夏季时，外墙和屋面的改造不仅没有降低冷负荷，反而还分别增加了0.56%和0.0 9%。这是由于墙体本身具有蓄热的作用，在白天，室外温度高于室内，墙体主要起到蓄热的作用；到了夜间，墙体温度高于环境温度，外墙通过改造增加了保温后，阻碍了墙体向室外环境的散热 13 ；同时随着外墙传热系数逐渐减小,夏季室内产生的热量在夜间将难以通过外墙逆向传热散到室外环境中去，增大了第二天早上的空调启动负荷，这也是导致了外墙改造后夏季空调负荷不降反增的主要原因,这与现有的研究结论一致13.。O100周亚平，等：既有办公建筑外窗改造方式的分析研究表5围护结构改造后，年累计负荷汇总表老旧建筑改窗户改外墙改屋面全部改造年累计热负荷/kWh165378.57159 631.86147 796.14158 263.68132.667.44年累计冷负荷/kWh159 117.17139.582.78160053.37159271.58139.717.25年累计总负荷/kWh324495.74299214.63307849.51317535.27272.384.693531.51年累计冷负荷30口年累计热负荷%/口年累计总负荷2519.782015.291511.8110.6310.0711.731053.474.304.210-0.57-0.09-5改窗户改外墙改屋面全部改造改造围护结构的不同部位图4围护结构改造的累计负荷变化情况根据暖通设计标准 14 ，南京夏季空调室外计算温度为3 4.8，则夏季的室内外温差仅为8.8（夏季室内设计温度取2 6）。因此，通过提升外墙和屋面的传热系数对降低累计冷负荷效果有限。而在冬季时，由于室内外温差达到了2 4.1（冬季空气调节室外计算温度为4.1，冬季室内设计温度取20），通过对屋面和外墙的改造，显著降低了热损失，减少了累计热负荷，相比于未改造建筑分别降低了 10.6 3%和 4.3 0%。夏季时，通过对外窗的改造，显著提升了外窗的传热系数、降低了太阳得热系数，减少了空调季通过外窗的热损失和通过外窗进人室内的太阳辐射得热，对降低累计冷负荷效果显著，相比于未改造建筑降低了11.8 1%。而冬季时，虽然通过提升外窗的传热系数降低了热损失，但由于太阳得热系数的降低，减少了进人室内的太阳辐射得热，导致节能效果一般，相比于老旧建筑累计热负荷降低比例为3.4 7%。综合冬季和夏季的效果，改造不同部位的节能效果从最大到最小分别为：外窗 外墙 屋面，降低比例分别为15.29%、10.0 7%和4.2 1%，与现有的研究结果基本一致 4 O本项目采用分体空调供应，参照居住建筑的节能标准 15,夏季和冬季的空调性能系数分别取3.1和2.5,则通过改窗户、外墙、屋面的节能率分别为7.32%、5.7 3%和2.3 8%（见表6 和图5）。表6围护结构改造后，运行能耗及节能率汇总表老旧建筑改窗户改外墙改屋面全部改造空调供暖能耗/kWh66 151.4363852.7459118.4663305.4753 066.98空调制冷能耗/kWh51328.1245026.7051630.1251 377.9345070.08空调系统年能耗/kWh117.479.55108879.44110748.57114 683.4098 137.06节能率/%7.325.732.3816.46空调供暖能耗口空调制冷能耗毛一一节能率%16.461510104%/本骐105107.325.7352.38口老旧建筑改窗户改外墙改屋面全部改造改造围护结构的不同部位图5围护结构改造节能率3.2外窗改造方式分析研究外窗采用更换外窗和贴膜（以下所提及的“外窗贴膜”指采用“窗户3”）的方式进行改造，计算结果见表7 和图6。根据计算结果，年累计冷负荷相比于老建筑的降低比例相差较小，仅为0.3 3%。这主要是因为夏季时，对于外窗改造来说外窗的太阳得热系数是主要影响因素，而传热系数影响相对较小（前面已解释，主要是夏季室内外温差较小）的原因。贴膜后的外窗太阳得热系数与更换外窗（高透LoW-E）的得热系数很接近导致的。这也说明了，通过增加外遮阳措施也是降低夏季冷负荷的有效办法之一。冬季时，外窗贴膜后的年累计热负荷相比于老建筑不仅没有降低，反而增加了9.14%。这主要是因为冬季时，外窗的传热系数相比于得热系数更加重要。而采用贴膜的方式，玻璃的传热系数虽然从5.7W/（m.K)提升到3.6 W/（m.K），但是由于窗框仍然为铝合金窗框（传热系数为10.8 W/（mK），因此外窗整体传热系数仅从6.7 W/（m K）提升到5.1W/(mK）,通过外窗减少的热损失较少，整体热损失仍然较高。同时，贴膜后外窗的得热系数从0.739提升至0.4 0 8，大大降低了通过外窗进人室内101ZHOU Yaping,et al.Analysis and Research on the Transformation Mode of External Windows of Existing Office Buildings表7不同外窗改造方式下，负荷以及能耗情况累计负荷/kWh能耗/kWh热负荷冷负荷年累计空调制热空调制冷年累计老旧建筑165378.57159 117.17324 495.7466 151.4351.328.12117479.55改窗户159.631.86139582.78299 214.6363852.7445 026.70108879.44外窗贴膜180 497.50140095.30320592.8072199.0045192.03117391.03年累计冷负荷口年累计热负荷口年累计总负荷1512.2811.9510%7.7953.471.2005-10-9.14改窗户外窗贴膜外窗改造的两种不同方式图6不同外窗改造方式下，累计负荷变化情况的太阳辐射得热，导致了年累计热负荷不降反增。通过增加贴膜，年累计负荷降低比例仅为1.2 0%，效果有限。根据空调运行的年能耗（见图7），外窗通过贴膜的方式进行改造的年节电量仅为8 8.52 kWh，节能率为0.0 8%，效果较差。而通过更换外窗的方式进行节能改造，年节电量为8 6 0 0.11kWh，节能率为7.3 2%。空调供暖能耗口空调制冷能耗一一节能率%87.32口10 10*64510*20.08,00老旧建筑改窗户外窗贴膜外窗改造的两种不同方式图7不同外窗改造方式下，空调年用电量和节能率情况3.3外窗更换改造的玻璃类型选择在外窗更换改造时，在满足标准的前提下，可选择高透Low-E双玻窗或者中透Low-E双玻窗（一般不选择较低透光，可见光透射比小，影响自然采光）。中透LoW-E双玻窗相比于高透Low-E的传热系数仅低0.1W/（m K），但太阳得热系数从0.432下降为0.3 4 8，遮阳效果更佳。通过模拟分析的结果（见表8 和图8），年累计冷、热负荷的变化规律同上述表述一致：采用中透Low-E双玻窗时，夏季由于太阳得热系数的下降进一步降低了通过外窗进人室内的太阳辐射得热，年累计冷负荷相比于老旧建筑的降低比例从12.2 8%（高透LoW-E双玻窗）提升至16.9 1%；但在冬季，由于减少的进人室内的太阳辐射得热量高于传热系数提升减少的传热量，导致了年累计热负荷相比于老旧建筑反而增加了1.3 6%。采用中透光外窗的全年累计负荷相比于高透光外窗降低了0.19%,相差不大。根据空调运行的年能耗（见图9），采用中透光外窗的节电量相比于高透光外窗降低了8 2 0.17 kWh，节能率降低了0.7%。这也说明了，在夏热冬冷地区，降低外窗传热系数的同时降低外窗遮阳系数，对空调制冷能耗的节能贡献率比较有限，宜在降低外窗传热系数的同时，采用活动外遮阳，在冬季增加外窗得热系数，而在夏季降低太阳得热系数，才能将节能效益发挥到最大 16,17 4研究结论（1）对于面积较小的多层办公建筑，分部位进行改造的节能贡献率分别为：外窗 外墙 屋面，年累表8外窗改造采用不同类型玻璃，负荷以及能耗情况累计负荷/kWh能耗/kWh热负荷冷负荷年累计空调制热空调制冷年累计老旧建筑165378.57159 117.17324 495.7466 151.4351328.12117479.55改窗户（高透Low-E）159631.86139582.78299214.6363852.7445.026.70108879.44改窗户（中透Low-E）167 632.10132205.00299.837.1067 052.8442.646.77109 699.61计负荷降低比例分别为15.2 9%、10.0 7%和4.2 1%，节能率分别为7.3 2%、5.7 3%和2.3 8%，与现有的研究结果基本一致。在改造时，应优先考虑对外窗进行改造。（2）对于较为老旧的铝合金单玻窗，在改造时不建议采用贴膜的方式。通过贴膜，年累计负荷相比于老旧建筑的降低比例仅为1.2 0%，效果十分有限。而通过更换外窗的方式，年累计负荷可降低15.2 9%，空调系统节能率可达7.3 2%，效果显著。102周亚平，等：既有办公建筑外窗改造方式的分析研究1年累计冷负荷口年累计热负荷口年累计总负荷16.9115%12.28107.797.6053.470-1.36改窗户(高透光)改窗户（中透光）更换窗户采用不同类型玻璃图：采用不同类型玻璃，累计负荷变化情况采暖供暖能耗口空调制冷能耗一0 一节能率%7.47.32Q101047.2%/李骐47.05106.86.66.620老旧建筑改窗户（高透）改窗户（中透光)更换窗户采用不同类型玻璃图9采用不同类型玻璃，空调年用电量和节能率情况（3）在外窗更换改造时，采用热工性能更优异的中透光外窗时，年累计负荷相比于采用高透光外窗不仅没有提升，反而降低了0.19%。这说明了，夏热冬冷地区进一步提升外窗的热工性能参数，虽然增加了成本投人，但对节能的进一步提升贡献比较有限。应同步考虑采用活动外遮阳，在冬季时减少影响，而在夏季时尽可能降低进入室内的太阳辐射得热，才能将外窗改造的节能效益发挥到最大。参考文献：【1 秦红岭.存量发展阶段城市更新的价值逻辑与整体推进路径 J.城乡建设,2 0 2 1,（7）：10-13.2李军.在多元共治中推动绿色低碳转型国管局公共机构节能管理司负责人答记者问 J.中国机关后勤,2 0 2 1，（6）：5-7.3赵军波.基于DeST模拟的夏热冬冷地区绿色公共建筑被动式节能设计研究 D.成都：西南石油大学,2 0 18.4耿幼明.既有办公建筑围护结构节能改造研究 D.重庆：重庆大学，2 0 15.5黄惊，刘士清，唐小虎，等.夏热冬冷地区办公建筑外窗热工性能及节能效果分析 J.建筑节能,2 0 19,4 7（6）：8 8-9 2.【6 姜敏.夏热冬冷地区既有办公建筑节能改造潜力评价研究 D.杭州：浙江大学,2 0 10.7高嘉明，卢振，罗春燕.基于实测参数的玻璃贴膜节能效果评估方法 J.建筑节能,2 0 15,4 3(12):9 1-9 3.【8 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