引用本文
刘依明, 许沛琪, 刘念雄. 高寒地区典型办公建筑南向组合式外窗热工设计优化[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2023, 63(11): 1878-1886.  
LIU Yiming, XU Peiqi, LIU Nianxiong. Thermal design and optimization of south-oriented combined external window for a typical office building in frigid plateau region[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2023, 63(11): 1878-1886.  
高寒地区典型办公建筑南向组合式外窗热工设计优化
刘依明, 许沛琪, 刘念雄    
清华大学 建筑学院, 北京 100084
收稿日期：2022-10-08
基金项目：国家重点研发计划项目(2022YFC3803800)
作者简介：刘依明(1989—), 男, 博士研究生
通讯作者：刘念雄, 教授, E-mail: phlnx@tsinghua.edu.cn
摘要：为提升西藏高寒地区办公建筑的节能效果与室内使用品质, 针对日喀则市某典型办公楼进行分析。借助DesignBuilder软件, 对采用9种不同形式南向外窗设计的建筑案例进行建筑负荷、主要房间操作温度及热舒适的全年逐时模拟。该研究分析了各案例的性能差异, 结果表明：断热桥铝合金6 mm单玻幕墙、6 mm透明+12 mm空气+6 mm透明的中空双层窗以及保温窗帘构成的组合式外窗, 能够显著降低办公楼全年负荷, 并提升主要房间的室内热舒适, 可作为西藏高寒地区办公建筑南向外窗设计的优先选择。
关键词：高寒地区    组合式外窗    太阳得热系数    建筑负荷    逐时操作温度    热舒适    
Thermal design and optimization of south-oriented combined external window for a typical office building in frigid plateau region
LIU Yiming, XU Peiqi, LIU Nianxiong    
School of Architecture, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract: [Objective] Existing design standards for energy efficiency impose rigorous static restrictions on the shape coefficient and envelope performance of buildings. However, these requirements are incompatible with dynamic adjustment to real-time changes in the weather. Thus, the loss of energy-saving effect and indoor use quality of the building proffers the potential for improvement. Therefore, this study introduces the south-oriented combined external window design for buildings based on the principle of leap heat transfer. This design improves the solar heat gain during the daytime and the insulation performance at night, which is a feasible strategy to dynamically improve the indoor thermal environment and reduce the building load. However, the effect of this design strategy on the Tibetan plateau region still needs further investigation. To improve the energy efficiency and indoor usage quality of office buildings, this study takes a typical office building in Xigaze as the object to explore the more suitable design strategies for south-oriented external windows. [Methods] This study compares nine building cases with distinct south-oriented external window designs. By quantifying the differences in building performance induced by each window design, the most efficient south-oriented external window design in the Tibetan plateau region is identified. The triple-glazing low-E windows in the baseline case meet the thermal performance requirements. In the rest of the design cases, the external window components consist of a 6 mm glass curtain wall with heat-break bridge aluminum alloy, a normal insulating window or low-E insulating window composed of two pieces of 6 mm glass and 12 mm air interlayer, and an insulating cotton curtain. DesignBuilder 6.1 is used in this study to analyze the cool and heat loads, hourly operating temperature, and thermal comfort of the primary rooms in a dynamic simulation throughout the year. Consequently, the comparison of the performance scores of nine building cases serves as the foundation for case validation. [Results] The results indicate the followings: (1) In the absence of heating and air conditioning, the indoor operating temperature fluctuates less in summer and more in winter. (2) In the absence of heating and air conditioning, the average time percentage of indoor temperature (from 18 ℃ to 26 ℃) varies significantly depending on various types of windows. The dynamically adjustable external window allows for a longer period of comfort in the office and a relatively long period of comfort in the dormitory. (3) The combination of a 6 mm glass curtain wall with heat-break aluminum alloy, normal insulated windows consisting of two pieces of 6 mm glass and 12 mm air interlayer, and thermal insulation curtains presents the lowest heat load and total load in the design case. (4) Compared with the baseline case, the proposed external window design enables a higher level of annual thermal satisfaction and indoor thermal sensation. [Conclusions] For office buildings in the frigid plateau region, glass curtain walls and heat-collecting walls should be used to fully capture solar radiation during the daytime. Meanwhile, thermal insulation should be employed to reduce heat dissipation at night. The proposed external window design presents the most significant effect on reducing building load and improving thermal comfort. Moreover, compared with windows employing low-E glass, this design reduces the construction cost and can be considered a more efficient choice for the south-oriented external window design of office buildings in the frigid plateau region.
Key words: frigid plateau region    combined external window    solar heat gain coefficient    building load    hourly operating temperature    thermal comfort    

受2015年尼泊尔大地震影响，西藏自治区日喀则市下辖部分县受灾严重。灾后重建过程中，新建建筑需要重点考虑成本控制和节能要求。由于青藏高原常年气温较低，但日照辐射量充足，因此在建筑设计中，有关学者从技术层面分别提出了不同的气候应对策略，包括对建筑体形系数的再定义和有效控制[1]，采用直接受益式外窗、太阳能热风系统、蓄热墙体与楼板等建筑主被动技术，及上述策略的协同、优化和论证等[2-6]。在建筑性能评价方面，刘大龙等[7]指出了动态能耗计算或非稳态传热计算的必要性，对相关的研究方法进行了规范。

然而，在建筑设计方面，尽管《西藏自治区民用建筑节能设计标准》[8]对建筑体形系数与围护结构热工性能进行了严格的“静态”限制，却难以支持实现根据不同时刻天气变化灵活地进行动态调节的设计和使用。基于阶跃传热原理的建筑南向组合式外窗设计[9-10]，有利于建筑获得更多太阳辐射得热，并能提升夜间的保温性能，是动态改善建筑室内热环境、降低建筑负荷的一种可行策略，但在西藏高寒地区的应用效果仍有待探索。

本文以日喀则市某办公楼为研究对象，从建筑负荷、主要房间逐时温度、热舒适等方面，对9种采用不同南向外窗设计的建筑案例进行模拟计算，量化各个外窗设计形式的建筑性能差异，分析并筛选最适合的西藏高寒地区建筑南向外窗形式。

1 建筑信息与基本参数 1.1 建筑概况与建设条件

本文研究的建筑位于日喀则市聂拉木县。当地属于严寒气候区，年平均气温为3.8 ℃，年平均无霜期113 d，冬季多以大风天为主，年日照时数可达2 567 h。受地势影响，建筑共4层，一层层高为3.6 m，其余各层层高为3.2 m，总建筑面积628.13 m2。建筑平面为规则矩形，主要朝向为南向(图 1)。建筑一层为餐厅与厨房，二、三层为办公室与卫生间，四层包括办公室、职工临时宿舍及辅助用房。建筑南向窗墙比较大，其余朝向窗墙比很小，且主要房间(办公室、职工临时宿舍)均为南向。

图 1 采用南向组合式外窗(无窗帘)的建筑平面布局示意
图选项

1.2 围护结构基本参数

该建筑非透明围护结构的情况如表 1所示，其热工性能均满足节能设计要求。透明围护结构设计中，南向门厅、楼梯间，以及其他朝向外窗采用传热系数为2.5 W/(m2·K)的断热桥铝合金高透光双银中空钢化玻璃窗(6 mm透明+12 mm空气+6 mm low-E)。南向主要房间(办公室、职工临时宿舍)的外窗面积均大于4 m2，仅采用单层玻璃幕墙或双层中空窗无法满足节能设计要求。因此，除基准案例M0选用三玻双中空窗以外，还分别根据单玻幕墙、双层中空窗与保温窗帘的不同组合方式，形成设计案例M1—M8(表 2)。其中，独立式外窗以及组合式外窗的内侧双层窗的窗墙比为54%，组合式外窗的外侧为玻璃幕墙。独立式外窗与玻璃幕墙的可开启面积比例为5%，组合式外窗的内侧双层窗为内平开窗，其可开启面积比例为80%。

表 1 建筑非透明围护结构热工性能
围护结构 传热系数K/(W·m-2·K-1) 使用部位
石材外墙 0.217 东、西、北侧外墙
涂料外墙 0.207 南向外墙
屋面 0.300 屋面
架空楼板 0.350 架空楼板
保温内墙 0.424 楼梯间及辅助房间与主要房间的隔墙
非保温内墙 1.818 主要房间之间的隔墙
非保温集热内墙 3.876 楼梯间南向集热内墙
楼板 0.500 全部内部楼板
门 1.500 外门与内门
表选项

表 2 建筑南向外窗形式及热工性能
案例编号 外窗形式(由外到内) 构成形式 传热系数K/(W·m-2·K-1) 太阳得热系数
M0 断热桥铝合金三玻双中空窗(6 mm low-E+9 mm空气+6 mm透明+9 mm空气+6 mm透明) 独立式 1.8 0.54
M1 6 mm单玻幕墙+400 mm空气+断热桥铝合金双层窗(6 mm透明+12 mm空气+6 mm透明)+窗帘 组合式 1.8(无窗帘或窗帘收起)；1.1(窗帘展开) 0.66(无窗帘或窗帘收起)
M2 6 mm单玻幕墙+400 mm空气+断热桥铝合金双层窗(6 mm透明+12 mm空气+6 mm透明)
M3 6 mm单玻幕墙+400 mm空气+断热桥铝合金双层窗(6 mm low-E+12 mm空气+6 mm透明)+窗帘 组合式 1.7(无窗帘或窗帘收起)；1.0(窗帘展开) 0.52(无窗帘或窗帘收起)
M4 6 mm单玻幕墙+400 mm空气+断热桥铝合金双层窗(6 mm low-E+12 mm空气+6 mm透明)
M5 断热桥铝合金双层窗(6 mm low-E+12 mm空气+6 mm透明)+窗帘 独立式 2.5(无窗帘或窗帘收起)；1.3(窗帘展开) 0.54(无窗帘或窗帘收起)
M6 断热桥铝合金双层窗(6 mm low-E+12 mm空气+6 mm透明)
M7 断热桥铝合金双层窗(6 mm透明+12 mm空气+6 mm透明)+窗帘 独立式 2.8(无窗帘或窗帘收起)；1.4(窗帘展开) 0.75(无窗帘或窗帘收起)
M8 断热桥铝合金双层窗(6 mm透明+12 mm空气+6 mm透明)
注：窗帘选用保温棉窗帘，无透光，热阻按0.366 m2·K/W计算，且窗帘仅在夜间使用，因此不考虑窗帘展开对整窗太阳得热系数的影响。
表选项

2 计算方法与条件设定 2.1 气象条件设定

本研究采用DesignBuilder 6.1软件对该建筑进行全年动态模拟分析。对于模拟所需的气象文件，因聂拉木县没有完整的典型气象年数据，所以本研究以同纬度、同气候区的日喀则市亚东县的典型气象年数据作为模拟分析的气象条件，全年逐时室外干球温度、太阳直射辐射如图 2所示。

图 2 建筑室外气象条件
图选项

2.2 设计工况设定

对于组合式外窗的操作模式，由于白天日照辐射量较大，为更好地实现南向集热，主要房间的双层中空窗将于白天打开。夜间出于保温需求，将内侧双层窗关闭，并拉起房间内的窗帘(表 3)。人员在室率、设备功率密度和逐时使用率等其他计算参数均按《公共建筑节能设计标准》(GB50189—2015)[11]的要求进行设定，其中：

表 3 内窗与窗帘启闭时刻工况
部位 时间 开启率/%
组合式外窗的内侧双层窗 工作日 00:00—06:00 0
06:00—07:00 10
07:00—09:00 50
09:00—17:00 100
17:00—18:00 50
18:00—19:00 10
19:00—24:00 0
休息日 00:00—24:00 0
窗帘 每天 00:00—06:00 100
06:00—07:00 90
07:00—08:00 50
08:00—17:00 0
17:00—18:00 50
18:00—19:00 70
19:00—24:00 100
注：窗帘开启指将窗帘展开。
表选项

1) 不考虑生活热水系统以及辅助房间内的室内电气设备作为热源对建筑整体负荷及室内环境的影响。

2) 建筑整体的围护结构渗风系数设定为0.50次/h。

3) 办公室、宿舍和食堂的采暖与空调设备采用高效能空气源热泵分体机，温度设定区间为18~26 ℃，湿度控制在30%~70%。其他房间无采暖空调设备。

3 建筑性能模拟与分析 3.1 主要房间逐时温度

首先，对建筑全部主要房间在非采暖空调工况下的全年逐时操作温度进行模拟计算。操作温度为空气温度和平均辐射温度对各自换热系数的加权平均值，其中空气温度加权计算采用对流换热系数，平均辐射温度加权计算根据各围护结构表面的辐射换热系数，由DesignBuilder自动求解[12]。以室内逐时操作温度最低的两个房间(房间A和K)为例，计算结果显示，夏季的室内操作温度波动较小，而冬季由于太阳直射辐射量较大，但气温很低，在二者综合作用下，冬季室内操作温度波动较大(图 3)。

图 3 非采暖空调工况下房间A和K全年逐时操作温度
图选项

室外最低气温为-23.83 ℃，出现在典型气象年的1月23日08:00。最热气温为15.7 ℃，出现在5月16日17:00；在这两个时刻，各个设计案例中的主要房间室内操作温度如图 4所示。在室外气温最低时刻，M1、M7、M8的室内操作温度要高于M0，室内外温差均超过35 ℃；在室外气温最高时刻，M1、M2、M3、M7、M8的室内操作温度高于M0，且M1、M7和M8的大部分房间室内操作温度在18~26 ℃之间。

图 4 最冷与最热时刻主要房间室内操作温度
图选项

在一天中，办公时间为工作日7:00—19:00，宿舍使用时间为工作日19:00—7:00。在这两个时间段内，办公室与宿舍的室内温度在18~26 ℃的平均时间占比因南向外窗不同而产生较大差异，可动态调节外窗使用模式的M1能够使办公室获得更长时间的舒适温度，同时使宿舍获得相对较长时间的舒适温度。此外，邻外墙办公室与其他办公室的室内平均温差在1.48~1.75 ℃之间，最大温差和最小温差分别来源于M2和M6，而M0的办公室和宿舍的平均温差在所有案例中居中(表 4)。总体而言，M1能够在非采暖空调工况下，为使用者提供更舒适的室内温度。

表 4 非采暖空调工况下全部案例的室内操作温度
案例编号 办公室舒适温度占比/% 宿舍舒适温度占比/% 邻外墙办公室与其他办公室平均温差/℃ 邻外墙办公室与其他办公室最小温差/℃ 邻外墙办公室与其他办公室最大温差/℃
M0 70.00 64.35 1.56 0.77 2.66
M1 83.21 74.30 1.68 0.81 2.93
M2 73.28 57.66 1.75 0.83 3.09
M3 81.29 63.75 1.68 0.81 2.92
M4 62.62 49.13 1.74 0.83 3.08
M5 69.49 64.31 1.51 0.73 2.59
M6 63.45 52.80 1.48 0.72 2.55
M7 66.70 75.27 1.57 0.78 2.68
M8 72.61 75.31 1.55 0.77 2.63
注：舒适温度为18~26 ℃。
表选项

3.2 建筑全年负荷

对9个案例的建筑全年单位面积负荷进行模拟分析，各案例计算结果差异明显(表 5)，全年冷热总负荷低于M0的设计案例为M1、M2、M3、M5和M8。其中，M1的热负荷和总负荷最低，相比于M0均降低了约22%，且M1的冷负荷比M0降低了约24%。缺少夜间窗帘保温的M2，其南向外窗整体热工性能与M0接近，由于夜间散热较多，建筑热负荷增加，冷负荷则明显降低。M3虽然采用low-E玻璃降低了窗的传热系数，但同时也减少了室内太阳辐射得热量，造成其总负荷高于M1。

表 5 全部案例的全年负荷
案例编号 单位面积冷负荷/(kW·h ·m-2) 单位面积热负荷/(kW·h ·m-2)
M0 0.66 12.65
M1 0.50 9.82
M2 0.01 13.14
M3 0.16 10.88
M4 0.00 15.63
M5 0.65 12.64
M6 0.17 16.09
M7 8.27 9.89
M8 2.34 10.28
表选项

此外，M5采用独立式外窗设计，无法通过外窗调节白天室内太阳辐射得热量，南向外窗传热系数较高，夜间通过窗帘加强保温，其总负荷与M0差异最小。同样采用独立式外窗设计的M8由于外窗太阳得热系数和可见光透射比较高，太阳辐射得热的影响强于通过透明围护结构的热损失影响，因此热负荷略有下降，而冷负荷提升显著。

其他案例中，M4和M6未设置窗帘，夜间保温效果差，其热负荷和总负荷均高于M3和M5。M7南向外窗太阳得热系数最高，且夜间增设窗帘保温，因此与M5和M8相比，M7冷负荷明显提升而热负荷略微下降。总体而言，保温窗帘和较好的南向外窗太阳辐射得热性能对于建筑热负荷的降低作用明显，可调节太阳辐射得热的南向组合式外窗更有利于建筑节能。

3.3 主要房间热舒适

最后，分别对办公室和宿舍在使用时的室内热环境进行分析，并根据各个房间的面积进行加权统计，计算办公室与宿舍的平均热舒适(图 5和6)。Fanger的预测平均投票数-不满意者的百分数(predicted mean vote - predicted percentage of dissatisfied，PMV-PPD)热舒适模型[13]适用于常压状态下的人体热感觉预测，而低气压环境下，PMV指标随压力下降的变化小于实际平均热感觉指标。但在相同气压条件下，PMV指标随操作温度变化的趋势与实际平均热感觉指标相同[14]，可用于不同设计案例的横向比较。

图 5 相比于M0的各设计案例主要房间热舒适变化
图选项

图 6 相比于M0的各设计案例主要房间热感觉指标变化
图选项

由图 5可知，使用高效能空气源热泵分体机作为采暖空调可以显著提升室内热舒适。相比于基准案例M0，M1、M3、M7与M8的主要房间全年平均热舒适均有所提升。对于办公室，无采暖空调工况下，M1的全年平均热舒适提升最高，其次分别为M8、M7和M3。使用采暖空调后，M1的平均热舒适提升幅度略低于M7，但仍高于M8和M3。对于宿舍，由于位于顶层，且白天处于无人状态，室内热源较少，因此室内得热蓄热有限。在全部设计案例中，宿舍全年平均热舒适提升幅度最高的为M7，其次分别为M8和M1。其余设计案例提升幅度有限，甚至有所下降。

由图 6可知，在热感觉变化方面，与M0相比，M1、M7和M8的热感觉提升明显，尤其以M7在冬季的热感觉最为显著。M1—M3的热感觉变化主要表现为4~9月份的热感觉提升，1、2、11、12月份则有所降低。总体而言，M1的热感觉提升幅度较为适中，避免了M7和M8可能引起的室内过热现象。

综上所述，组合式外窗能够更好地应对一天当中气温、日照等的变化与季节变化，在提升室内热舒适方面发挥有效作用。高效能空气源热泵分体机对于办公室的室内热舒适提升更大，能够保证建筑主要功能空间的使用舒适性。

3.4 设计案例性能比较

本研究在进行建筑全年总负荷和室内热舒适的综合评价时，借鉴了日本建筑物综合环境性能评价体系CASBEE的相关方法[15]，将采暖空调工况下各个案例的主要房间加权全年平均热舒适(Q)与建筑单位面积总负荷(L)的比值作为其性能得分。性能得分越高，表明该案例能够以相对较小的总负荷实现较高的热舒适(表 6)。M1、M3和M8相比于M0，均实现了建筑性能提升。其中，采用组合式外窗的M1和M3性能得分高于其他设计案例，且M1的性能得分比使用同规格low-E窗的M3更高，更符合低成本、高性能的设计要求。此外，从节能率和热舒适提升量的角度而言，在全年总负荷低于M0的所有设计案例中，M1的节能率达到22.40%，且热舒适提升了5.64%，均为最高。可见，M1为最佳案例。

表 6 全部案例性能得分
案例编号 Q/% L/(kW·h · m-2) 性能得分
M0 72.35 13.31 5.437
M1 77.99 10.33 7.552
M2 70.09 13.15 5.329
M3 74.17 11.04 6.717
M4 65.57 15.63 4.196
M5 72.06 13.29 5.421
M6 65.14 16.25 4.009
M7 82.55 18.17 4.544
M8 77.64 12.62 6.153
表选项

4 结论

对于太阳辐射量大的西藏高寒地区的办公建筑，应在白天日照充足时，采用单玻幕墙和集热墙充分获取太阳辐射热，夜间通过双层窗、空气间层和保温窗帘减少室内散热。基于上述原理设计的各组合式外窗案例中，选用内侧为断热桥铝合金普通双层窗(6 mm透明+12 mm空气+6 mm透明)、外侧为6 mm单玻幕墙的组合式外窗，并设置高热阻保温窗帘的案例对于降低建筑负荷、提升热舒适的作用最显著。同时，此案例相比于采用low-E玻璃的同规格组合式外窗案例，降低了成本。此外，根据每日具体的天气变化，对内侧窗、幕墙开启扇和保温窗帘进行针对性启闭操作，以确保组合式外窗的高效、合理使用，将进一步提升办公建筑的使用品质和热舒适。

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