陳宇華[仲量聯(lián)行測(cè)量師事務(wù)所(上海)有限公司， 上海 200041]

在建筑節(jié)能和環(huán)境保護(hù)成為建筑設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)和必答題的大趨勢(shì)中，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能不斷提升，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)建筑的能耗影響也日趨減少。但是，如因此忽略外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱性能，則可能會(huì)導(dǎo)致以下兩個(gè)問(wèn)題。一是可能會(huì)影響建筑外圍區(qū)域人員的熱舒適性。二是隨著 LED 照明和筆記本電腦等的廣泛應(yīng)用，辦公設(shè)備能耗大幅減少，冬季辦公室外圍區(qū)域預(yù)計(jì)將更多出現(xiàn)需要供暖的工況。

通常在辦公樓常規(guī)設(shè)計(jì)中，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能對(duì)整體建筑能耗的影響較小。在辦公樓總熱負(fù)荷中室內(nèi)熱負(fù)荷（如照明和插座負(fù)荷）占比相對(duì)較高。另一方面，常規(guī)建筑設(shè)計(jì)中往往重視玻璃幕墻的視覺(jué)效果，在確保玻璃幕墻透明度和透光性的時(shí)候容易忽略或降低玻璃幕墻的熱工性能。不重視外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能可能會(huì)導(dǎo)致以下兩個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題。① 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能較差可能會(huì)引起辦公外圍空間使用者的熱舒適性下降，從而降低環(huán)境質(zhì)量和體驗(yàn)感受。② 隨著LED 照明燈具和筆記本電腦在辦公室中的廣泛使用，室內(nèi)熱負(fù)荷將顯著下降，從而在冬季辦公室外圍區(qū)域?qū)a(chǎn)生更高的供暖需求。如果缺乏適當(dāng)設(shè)計(jì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，建筑全年總能耗可能會(huì)急劇增加。為此，在未來(lái)辦公室內(nèi)熱負(fù)荷日趨降低的大背景下，需要進(jìn)一步確保和提升外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能以同時(shí)保證建筑節(jié)能和使用者的熱舒適性。

1 文獻(xiàn)調(diào)研

根據(jù)田邊教授(日本早稻田大學(xué))團(tuán)隊(duì)對(duì)節(jié)能和辦公室環(huán)境舒適度調(diào)查的研究，照明系統(tǒng)和辦公設(shè)備系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，自 2011 年地震以來(lái)，日本辦公樓室內(nèi)熱負(fù)荷已顯著下降。該研究還論證了較差的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能將導(dǎo)致整體建筑能耗增加并影響使用者的熱舒適性。D.Jenkins 的研究旨在量化和論證直接影響未來(lái)辦公環(huán)境中的供暖和供冷需求的因數(shù)。研究時(shí)建議未來(lái)辦公設(shè)計(jì)時(shí)，還需要考慮所使用的插座和照明設(shè)備的功率變化和效率提升。Michal D 的研究根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)測(cè)結(jié)果，論述了電腦和電腦顯示器的熱負(fù)荷變化趨勢(shì)。該研究強(qiáng)調(diào)，ASHRAE 公布了辦公設(shè)備熱負(fù)荷的推薦值（ASHRAE Fundamentals 2005）是基于 20 世紀(jì) 90 年代的研究數(shù)據(jù)。但實(shí)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一般辦公設(shè)備的峰值熱負(fù)荷與銘牌功耗之比通常在25%～50% 之間，當(dāng)銘牌功耗 ＜1 kW 時(shí)電腦的熱負(fù)荷值通常為銘牌功率的 7%～32%，顯示器的熱負(fù)荷值通常為銘牌功率 15%～32%。與 ASHRAE 公布的設(shè)計(jì)值相比，使用者的使用率是造成實(shí)際辦公設(shè)備負(fù)荷減少的另一個(gè)關(guān)鍵因素。根據(jù) Osaman S 的研究，對(duì)于現(xiàn)有美國(guó)的商業(yè)建筑而言，不同地理位置和不同類(lèi)型的建筑都出現(xiàn)了照明負(fù)荷減少的現(xiàn)象。在溫暖氣候條件下，照明負(fù)荷的減少將有助于節(jié)省空調(diào)制冷能耗。但在寒冷氣候環(huán)境中，照明負(fù)荷的減少反而會(huì)造成空調(diào)熱負(fù)荷的增加。為此，需要針對(duì)特定地理區(qū)域和特定建筑物類(lèi)型進(jìn)行具體熱負(fù)荷分析。

2 不同國(guó)家辦公建筑中的 U 值和遮陽(yáng)系數(shù)

通過(guò)對(duì)世界各國(guó)一些主要項(xiàng)目的設(shè)計(jì)參數(shù)分析，梳理了目前的行業(yè)慣例的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)參數(shù)常規(guī)值。表 1整理了美國(guó)、英國(guó)和中國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的外墻 U 值和遮陽(yáng)系數(shù)（SC）值。所有 U 值和 SC 值都是窗系統(tǒng)的整體熱工性能，包括玻璃和窗框。在日本，設(shè)計(jì)規(guī)范中無(wú)其他國(guó)家規(guī)定的 U 值或 SC 值的最低設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值。

表 1 世界各國(guó)外墻和玻璃的熱工性能設(shè)計(jì)參數(shù)

從對(duì)各國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范比較中可以發(fā)現(xiàn)，所有國(guó)家都鼓勵(lì)降低和控制建筑物整體 CO2減排量，而并不是單一規(guī)定和限制 U 值和 SC 值的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值。為了確保在建筑設(shè)計(jì)中滿(mǎn)足建筑外立面的視覺(jué)特色，并在設(shè)計(jì)創(chuàng)新上留下更多發(fā)展空間，通常在實(shí)際設(shè)計(jì)項(xiàng)目中針對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能提出優(yōu)化綜合要求。

這類(lèi)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能要求通常包含在建筑能源規(guī)范[Building Energy Code (BEC)]中，此規(guī)范于 1973 年石油危機(jī)后開(kāi)始開(kāi)發(fā)和使用。美國(guó) BEC 主要是 ASHRAE 90 這一設(shè)計(jì)規(guī)范，最早于 1975 年出版，1980 年、1985 年、1989年和 1994 年都有更新版本，目前最新版本為 2016年版。2001 年和 2004 年版本的 ASHRAE 90 對(duì)于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能要求大致一致，然而 2007 年的版本開(kāi)始再次提高了熱工性能的要求。英國(guó) BEC 的要求主要體現(xiàn)在 Part L 設(shè)計(jì)規(guī)范中，從 2002 年、2006 年和 2013 年的版本中都有相同的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能要求。中國(guó)的第一個(gè) BEC 是在 1993年為酒店項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的，在這個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)范中僅對(duì)遮陽(yáng)系數(shù) SC值作了要求，需要同時(shí)滿(mǎn)足窗墻比為 0.45。在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能是必要的考量點(diǎn)。表 2 列出了在英國(guó)，美國(guó)，中國(guó)和日本等城市近期建造的甲級(jí)寫(xiě)字樓項(xiàng)目的一些幕墻熱工性能參數(shù)。

表 2 世界各國(guó)甲 A 辦公樓的幕墻設(shè)計(jì)參數(shù)

實(shí)際項(xiàng)目數(shù)據(jù)表明，實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能都高于設(shè)計(jì)規(guī)范要求。例如，盡管美國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范中要求玻璃幕墻的 U 值 ≤3.41 W/（m2·K），在實(shí)際項(xiàng)目中幕墻采用了 U 值 ≤1.0 W/（m2·K）的超高熱工性能產(chǎn)品。在英國(guó)和中國(guó)的項(xiàng)目中都可以發(fā)現(xiàn)相同的情況，通常設(shè)計(jì)中外圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用了高出規(guī)范要求 20% 的熱工性能。同時(shí)也可以總結(jié)出以下行業(yè)背景狀況。

（1）在建筑行業(yè)中已確立了節(jié)能的重要性。

（2）對(duì)新建建筑項(xiàng)目而言，確保和提高外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能具有較好的成本效益比。

（3）由于大量高性能玻璃的供應(yīng)要求，玻璃的初始投資成本相對(duì)減小。

此外，“ASHRAE 50% 中小型辦公樓先進(jìn)能源設(shè)計(jì)指南”(ASHRAE 90383, 2011)中還設(shè)置了更高的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。如在上海等屬于氣候區(qū) 3 的地理位置，建筑物需要將窗墻比從 40% 降低到 20%。

3 辦公室的內(nèi)部熱負(fù)荷

辦公室的內(nèi)部熱負(fù)荷主要包括照明負(fù)荷、小動(dòng)力負(fù)荷和人員負(fù)荷。由于辦公地點(diǎn)、商業(yè)類(lèi)型和工作方式的不同，人員密度也各不相同。自 20 世紀(jì)以來(lái)，辦公室人員密度有了顯著變化。新技術(shù)的發(fā)展，如云計(jì)算、移動(dòng)技術(shù)、虛擬辦公室和新工作方式一直在不斷向下調(diào)整人員密度。1999年～2003 年，美國(guó)的辦公室人員密度從 80 m2/人顯著下降到 90 m2/人。

根據(jù) Nagata 自 2005 年的調(diào)查，日本的照度水平將從 750 Lx 降至 500 Lx，接近全球慣例。目前熒燈的發(fā)光效率將從 100 Lm/W 增加到 150 Lm / W，在不久的將來(lái)甚至可以達(dá)到 200 Lm/W，這意味著照明負(fù)載可以＜5 W/ m2。2010 年中國(guó)整個(gè)市場(chǎng)的 LED 照明使用率為 0.5%，到 2013年增加為 3.0%，而 2013 年日本為 4.0%。

計(jì)算機(jī)和顯示器的能耗占總辦公室小動(dòng)力負(fù)載的 1/2以上。計(jì)算機(jī)和顯示器的能耗從 1994 年開(kāi)始不斷增加，并在 2008 年達(dá)到頂峰。如今，計(jì)算機(jī)和顯示器的能耗逐漸降低。與此同時(shí)，耗能較少的筆記本電腦的使用日趨普及，Nagata 的研究表明筆記本電腦約占計(jì)算機(jī)總數(shù)的 70.0%。

此外,其他辦公配套電器例如打印機(jī)等也更加高效，所產(chǎn)生的內(nèi)部熱負(fù)荷將更是微不足道。表 3 列舉了辦公室內(nèi)部熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是如何逐漸變化的。顯然易見(jiàn)，最近照明負(fù)載和小動(dòng)力負(fù)載顯著降低。

表 3 各國(guó)能耗設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研得出結(jié)論，即現(xiàn)代辦公環(huán)境和設(shè)計(jì)趨勢(shì)顯示內(nèi)部熱負(fù)荷、照明負(fù)荷、小動(dòng)力負(fù)荷日趨減少。在各國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范比較和分析中，再次證明外墻的熱性能對(duì)能耗的重要性得到關(guān)注，成為節(jié)能策略的第一步。同時(shí)通過(guò)大量實(shí)際案例的調(diào)研和分析，列舉了世界各國(guó)甲 A 辦公樓的玻璃設(shè)計(jì)參數(shù), 包括玻璃外墻 U 值和遮陽(yáng)系數(shù) SC 值。綜上所述，進(jìn)一步優(yōu)化外墻熱工性能既可以確保辦公外圍區(qū)域更好的熱舒適性，又是一種可以減少年度能耗的有效的解決方案。