1、第 29 卷 ， 总第 166 期2011 年 3 月 ， 第 2 期 节 能 技 术 ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGYVol. 29， Sum. No. 166Mar. 2011， No. 2建筑外窗热工性能对空调能耗与节能的影响分析王 欢1， 2， 吴会军1， 2， 丁云飞1， 2， 周孝清2( 1 广州大学土木工程学院 ， 广东 广州 510006;2 广州大学广东省建筑节能及应用技术重点实验室 ， 广东 广州 510006)摘 要 : 利用建筑环境模拟软件 DeST c， 对广州某办公建筑外窗热工性能对空调能耗的影响进行了计算 ， 计算结果表明减小外窗遮阳系
2、数能显著降低空调能耗 ， 当遮阳系数从 0. 9 减小至 0. 2时空调耗冷量可降低 26%; 而外窗传热系数对空调能耗影响较小 。并通过对全年逐时空调节能率进行分析 ， 研究了遮阳系数影响空调能耗的机理 ， 发现遮阳系数减小引起较大空调负荷所对应的时刻空调节能率上升是全年空调节能率大幅提高的原因 。研究结果对于以夏季空调能耗为主的夏热冬暖地区的建筑节能具有参考意义 。关键词 : 外窗 ; 遮阳系数 ; 传热系数 ; 空调能耗 ; 空调节能率中图分类号 : TU 1114 文献标识码 : A 文章编号 : 1002 6339 ( 2011) 02 0172 04收稿日期 2010 11 30
3、修订稿日期 2010 12 22基金项目 : 国家自然科学基金 ( 50906014) ; 住房与城乡建设部科技计划 ( 2010 K1 24)作者简介 : 王欢 ( 1973 ) ， 女 ， 硕士 、讲师 ， 从事建筑节能技术研究工作 。Analysis on the Effects of Thermal Properties of External Windowson Cooling Energy Consumption and Efficiency of BuildingsWANG Huan1， 2， WU Hui jun1， 2， DING Yun fei1， 2， ZHOU Xiao
4、 qing2( 1 College of Civil Engineering， Guangzhou University， Guangzhou 510006， China;2 Guangdong Provincial Key Laboratory of Building Energy Efficiency and Application Technologies，Guangzhou University， Guangzhou 510006， China)Abstract: The building environment simulation software DeST c was used
5、to analyze the effects of ther-mal properties of external windows on the cooling energy consumption and efficiency on the base of an of-fice building in Guangzhou The results show that decreasing the shading coefficient of external windowscan significantly reduce the cooling energy consumption As th
6、e shading coefficient of external windowsdecreases from 0 9 to 0 2， the cooling need of the office building reduces by 26% However， the heattransfer coefficient of external windows has little effect on the cooling energy consumption Furthermore，the mechanism of the reduction of cooling energy consum
7、ption caused by the decrease of the shading coef-ficient was also studied through the hourly analysis on the cooling energy efficient rates all the year roundIt can be found that the cause of the significant increase of annual cooling energy efficient rates is that as271the shading coefficient decre
8、ases， the hourly cooling energy efficient rates increase significantly for thehours with higher cooling load These results can provide references for the building energy efficiency inhot summer and warm winter zoneKey words: external window; shading coefficient; heat transfer coefficient; cooling en
9、ergy consumption;cooling energy efficient rate现代建筑能耗已经成为社会总能耗的主要构成部分 。而在建筑能耗中 ， 空调能耗占了很大份额 ， 例如在广州市 ， 空调用电负荷占全市总用电负荷的比重高达 30% 40% 1。玻璃外窗作为现代建筑不可或缺的组成部分 ， 具有建筑采光 、通风 、视野和美观等功能 。但是 ， 由于玻璃本身的保温隔热性能较差 ， 特别是在夏热地区 ， 夏季室外气温高 ， 太阳辐射强烈 ， 导致建筑外窗引起的空调能耗很大 2。针对玻璃外窗热工性能对建筑空调能耗的影响 ， 马晓雯等 3分析了广州 、重庆 、北京三地窗户的运行状态和外
10、窗传热系数对居住建筑夏季空调总能耗的影响 ， 结果表明外窗传热系数的变化对居住建筑夏季空调总能耗的影响很小 ; 赵书杰 4认为提高窗的热工性能和遮阳控制是夏季防热和降低空调负荷的重点 ， 并对各种形式的建筑遮阳技术应用进行了探讨 ; 卜增文等 5选取 6 种不同传热系数和遮阳系数的窗玻璃进行空调负荷和能耗模拟计算 ， 结果表明对空调负荷以及全年能耗影响最大的是玻璃的遮阳系数 ， 其次是传热系数 ; 孙甜甜等 6模拟分析了外窗综合遮阳系数对建筑物不同朝向能耗的影响 ， 结果表明南向遮阳系数的改变对能耗的影响最大 ， 且活动式遮阳的效果远好于固定式遮阳 。本文以广州某办公建筑为例 ， 利用建筑环境
11、模拟软件 DeST c 7进行详细的模拟计算 ， 分析玻璃外窗的保温隔热性能对建筑空调能耗的影响 ， 以期为新型建筑节能玻璃材料热工性能的优化 8 10和建筑空调节能提供参考 。1 建筑概况及模拟条件该建筑为广州某 3 层办公楼 ， 坐北朝南 ， 首层层高 42 m， 二 、三层层高均为 36 m， 总建筑面积2 415 m2。该办公楼首层建筑平面如图 1 所示 。建筑外墙为加气混凝土墙 ， 传热系数为 1. 161 W/( m2K) ; 屋顶为加气混凝土保温屋面 ， 传热系数为0. 812 W/( m2K) ) ， 符合 公共建筑节能设计标准 广东省实施细则 ( DBJ 15 51 2007
12、) 11422 条 ( 强制性条文 ) 对夏热冬暖地区围护结构传热系数限值的规定 。根据建筑的基本情况 ， 利用 DeST c 建立的该办公建筑模型如图 2 所示 。该办公建筑空调系统运行时间为周一至周五的7: 00 至 18: 00， 空调房间的温度 、相对湿度 ， 不同类型房间人均占有的使用面积 ， 照明功率和电器设备功率密度 ， 以及人员逐时在室率 、照明开关时间和电器设备逐时使用率均按照 公共建筑节能设计标准 广东省实施细则 ( DBJ 15 51 2007) 11设定 。图 1 广州某办公楼首层平面图2 外窗热工性能对空调能耗的影响外窗的热工性能参数主要是传热系数 K 和遮阳系数 S
13、c， 为使模拟结果具有普遍性 ， 参照常用外窗的热工性能参数 11， 选取外窗传热系数 K 值分别为 2. 0 6. 0 W/( m2K) ; 遮阳系数 Sc值分别为371图 2 广州某办公楼 DeST 模型图02 09。该办公建筑的南向窗墙比为 50%， 当计算传热系数 K 值的变化对空调能耗的影响时 ， 取遮阳系数 Sc=0. 35; 当计算遮阳系数 Sc值的变化对空调能耗的影响时 ， 取传热系数 K =3 0 W/( m2K) 。利用建筑环境模拟软件 DeST c 对该办公建筑进行全年空调能耗模拟计算 ， 结果如图 3 所示 。图 3 传热系数 K 值和遮阳系数 Sc值对空调耗冷量指标的
14、影响21 传热系数对空调能耗的影响分析从图 3 中可看出 ， 若保持外窗的遮阳系数 Sc=0. 35 不变 ， 传热系数从 6. 0 W/( m2K) 减小至 2 0W/( m2K) ， 空调耗冷量指标非但没有减少 ， 反而增加约 9. 5%。同样 ， 文献 7 针对单 、双层窗对建筑夏季空调能耗的影响进行了比较 ， 在全天关窗 ( 室内外换气取为 1 次 /h) 情况下 ， 利用 DeST 模拟计算的结果是采用双层窗后 ， 空调能耗却增加了 8%。这是因为从传热过程来看 ， 双层窗的传热系数比单层窗要小 ， 因此在夏季室外温度较高时 ， 有利于隔绝室外的热量向室内传递 ， 起到保温的作用 ;
15、 但在夏季夜间或过渡季 ， 室外温度相对室内温度较低时 ， 双层窗反而不利于室内向外散热 ， 因此全年空调能耗随着外窗传热系数的减小反而增加 。而在间歇开窗( 关窗时室内外换气取为 0. 5 次 /h， 开窗时室内外换气取为 10 次 /h) 情况下 ， 采用双层窗会使空调能耗降低约 10%。因此 ， 在间歇开窗的情况下 ， 减小外窗的传热系数可以降低空调能耗 ; 但在换气次数为 1 次 /h 或更少的情况下 ， 减小外窗的传热系数会增加空调能耗 。而本文中的办公建筑能耗模拟正是在全天关窗条件下进行的 。22 遮阳系数对空调能耗的影响分析从图 3 中还可以看出 ， 若保持外窗的传热系数K =3
16、0 W/( m2K) 不变 ， 遮阳系数从 0. 9 减小到0. 2， 空调耗冷量指标降低约 26%， 即外窗遮阳系数每减小 0 1， 空调耗冷量指标平均减小约 3 7%， 说明在夏热冬暖地区 ， 采用低遮阳系数的外窗可有效降低全年的空调能耗 。同时也说明对于以夏季空调能耗为主的夏热冬暖地区而言 ， 研究外窗遮阳系数对建筑节能的影响是非常必要和重要的 。3 外窗遮阳系数对空调节能率的影响为了进一步研究减小外窗遮阳系数对空调节能的影响 ， 下面分别计算采用较小的外窗遮阳系数 Sc值相对于外窗遮阳系数 Sc值为 1 0 时该办公建筑的空调节能率 6P =E1 E2E1100% ( 1)式中 P空调
17、节能率 ， %;E1外窗遮阳系数 Se为 1. 0 时的空调冷负荷 ， kW;E2外窗遮阳系数分别为 0 2 0 9 时的空调冷负荷 ， kW。当遮阳系数 Sc变化时 ， 取传热系数 K =30 W/( m2K) 。31 遮阳系数对全年空调节能率的影响分析采用不同的外窗遮阳系数 Sc值时 ， 利用 DeST c 计算该办公建筑的全年空调节能率结果如图 4 所示 。可以看出 ， 若保持外窗的传热系数不变 ， 遮阳系数从 0. 9 减小至 0. 2， 对应外窗遮阳系数 Sc为 1. 0的全年空调节能率从 1. 3% 上升至 26. 9%， 可见减小遮阳系数可以显著提高全年空调节能率 。但是 ，全年
18、中每个小时的空调负荷都是变化的 ， 为了加深对空调节能率影响的理解 ， 有必要进一步对逐时空调节能率进行深入的分析 12 13。32 遮阳系数对全年逐时空调节能率的影响分析通过 DeST c 进行逐时负荷模拟 ， 当外窗遮阳系数为 10 时 ， 统计得到该办公建筑全年有空调冷负荷的时刻为 2 741 h。选取遮阳系数分别为 0 8、06、04 和 02， 计算得到该办公建筑的全年逐时空调节能率随外窗遮阳系数 Sc为 1 0 时空调负荷的471图 4 外窗遮阳系数对全年空调节能率的影响变化如图 5 所示 ， 各图中所有时刻的平均节能率分别等于图 4 中相同遮阳系数对应的全年空调节能率 。首先 ，
19、 从图 5 中可以看出 ， 空调负荷越小 ， 节能率越高 ; 空调负荷越大 ， 节能率则越低 。这是由于本文在计算不同遮阳系数 Sc值对应的空调负荷时 ， 假定外窗的传热系数 K 均为 3 0 W/( m2K) ， 参考前述在全天关窗条件下 ， 全年空调能耗随着外窗传热系数的减小反而增加的原因 ， 是不难理解的 。因为空调负荷较大时 ， 室外气温较高且太阳辐射很强 ， 良好的围护结构保温性能反而使室内得热难以传出室外 ， 导致空调负荷增加 ， 空调节能率降低 。而负荷较小时 ， 情况则刚好相反 。从图 5 中还可以清楚地看出 ， 随着遮阳系数的减小 ， 由于中 、高空调负荷对应的时刻空调节能率
20、显著上升 ， 使得全年空调节能率能够得以大幅提高 。图 5 外窗遮阳系数分别为 08、06、04 和 02 时的全年逐时空调节能率4 结论通过模拟计算并深入分析建筑外窗传热系数和遮阳系数对空调能耗及节能的影响 ， 得到如下结论 ，对于以夏季空调能耗为主的夏热冬暖地区的建筑节能具有一定的参考意义 :( 1) 在全天关窗的情况下 ， 若保持外窗的遮阳系数不变 ， 当外窗的传热系数从 6 0 W/( m2K) 减小至 2 0 W/( m2K) ， 空调耗冷量指标增加约9. 5%， 即减小外窗传热系数会增加空调能耗 。( 2) 在保持外窗传热系数不变的情况下 ， 当遮阳系数从 0 9 减小至 0 2，
21、 空调耗冷量指标降低约26%， 而且对比外窗遮阳系数为 1 0 的建筑全年空调节能率从 1 3% 上升至 26 9%， 表明减小遮阳系数可以显著降低空调能耗 ， 提高全年空调节能率 。( 3) 对该办公建筑在外窗遮阳系数 Sc值为 1 0时全年有空调负荷各时刻的逐时空调节能率进行分析 ， 发现随着遮阳系数的减小 ， 较大空调负荷所对应的时刻空调节能率的上升是全年空调节能率大幅提高的原因 。( 下转第 192 页 )571确保节能工作在点点滴滴和每日做起 。完善企业能源管理 ， 根据 中华人民共和国节约能源法 的要求 ， 完善企业能源管理的制度和人员保障 ， 根据能源管理的要求 ， 结合自治区能
22、源管理部门职能提供企业能源管理项目的服务 ， 并根据国家标准为企业提供咨询 、检验和评价等工作内容 13。参考文献 1 秦和 关于提高我国电动机能效标准限定值的探讨 J 中小型电机 ， 2005， 32( 1) : 70 73 2 黄生琪 ， 周菊华 我国节能减排的意义 、现状及措施 J 节能技术 ， 2008， 26( 2) : 172 175 3 丰旭 ， 景兴宇 挖掘电机节能的新商机 J 电器工业 ， 2009，( 8) : 23 27 4 赵凯 ， 张凌宇 国际推动电动机节能降耗的经验做法 J 电力需求侧管理 ， 2006，( 7) : 59 61 5 张万英 中国电机系统节能挑战项目
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