建筑窗墻比對(duì)于建筑耗冷量耗熱量的影響

陳雷娟 劉春花

0 引言

窗戶是建筑的重要組成部分,也是建筑保溫中最薄弱的環(huán)節(jié),其長(zhǎng)期使用能耗約占整個(gè)建筑長(zhǎng)期使用能耗的 50%,因此窗戶的保溫性能日益受到人們廣泛關(guān)注。在建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的今天,做好窗戶的隔熱保溫是改善室內(nèi)熱舒適性、實(shí)現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

近年來(lái)居住建筑的窗墻比有越來(lái)越大的趨勢(shì),這是因?yàn)樯唐纷≌馁?gòu)買者大部分希望自己的住宅更加通透明亮?？紤]到臨街建筑立面美觀的需要,窗墻比超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值是允許的,但當(dāng)窗墻比超過(guò)規(guī)定值時(shí),應(yīng)首先考慮減小窗戶(含陽(yáng)臺(tái)透明部分)的傳熱系數(shù),如采用單框雙玻璃或中空玻璃窗,并加強(qiáng)夏季活動(dòng)遮陽(yáng),其次可考慮減小外墻的傳熱系數(shù)。

窗墻比一般是指外窗戶洞口面積與房間立面單元面積之比值。顯然,同一建筑、不同朝向的外墻,其窗墻比可能是完全不同的;不同的建筑,其窗墻比可能存在較大的差異。窗墻比越大,建筑的自然采光效果越好,通透感越強(qiáng),現(xiàn)代感越強(qiáng)。因此,現(xiàn)代建筑有向大窗墻比方向發(fā)展之勢(shì)。然而,隨著窗墻比的增大,建筑總體能耗會(huì)隨之增加。

現(xiàn)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同朝向外墻的窗墻比有不同的限值,以降低建筑總體的能耗。為了弄清窗墻比對(duì)建筑能耗的影響規(guī)律,本文就舟山市某多層住宅建筑為例進(jìn)行研究。

1 DeST軟件結(jié)構(gòu)和模塊介紹

DeST是由清華大學(xué)建筑學(xué)院建筑技術(shù)科學(xué)系建筑環(huán)境與設(shè)備研究所綜合 10余年科研成果的結(jié)晶,開發(fā)出了用于建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)模擬分析的軟件平臺(tái)——建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)模擬工具包(Designer's Simulation Toolkit,簡(jiǎn)稱 DeST)。在 DeST的基礎(chǔ)上,針對(duì)住宅建筑開發(fā)了DeST-h這樣專用能耗模擬分析軟件。DeST-h充分考慮了人的創(chuàng)造性和計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力,并將兩者有機(jī)地結(jié)合起來(lái),在整個(gè)軟件中貫穿了“全工況分析”和“分階段模擬”的概念。

DeST的幾個(gè)基本功能模塊分別是:氣象數(shù)據(jù)模塊(Medpha),計(jì)算機(jī)輔助建筑描述模塊(CABD),建筑分析模塊(BAS)和建筑環(huán)境控制系統(tǒng)分析模塊。

2 研究方法與假設(shè)

2.1 研究對(duì)象

研究對(duì)象是舟山市某小區(qū)三號(hào)樓多層居住建筑,朝向?yàn)槟媳毕?地上共 5層,建筑標(biāo)準(zhǔn)層面積 4071.2m2,建筑層高 2.9m。

2.2 假設(shè)條件

在進(jìn)行建筑耗冷量與耗熱量負(fù)荷模擬分析時(shí),把整個(gè)建筑作為模擬分析對(duì)象,所有外陽(yáng)臺(tái)和消防樓梯間不考慮耗冷與耗熱,屋頂簡(jiǎn)化為平屋頂,假設(shè)其他樓層與標(biāo)準(zhǔn)層完全相同,所不同的是,由于本文主要研究窗墻比對(duì)于建筑耗冷量與耗熱量的影響規(guī)律和對(duì)建筑采取相同改進(jìn)措施時(shí),不同窗墻比下的節(jié)能情況,假定全年空調(diào)供暖上限溫度為 26℃,供暖下限溫度為 18℃。因?yàn)閮H考慮窗墻比變化的影響,則認(rèn)為室內(nèi)人員、設(shè)備、照明等內(nèi)熱、濕源均不變,同時(shí)不考慮門窗的空氣滲透和新風(fēng)的影響。

3 不同情況下的窗墻比對(duì)建筑的影響

3.1 全年負(fù)荷對(duì)建筑的影響

表1為給定窗墻比(東 0.1,西 0.2,南 0.45,北 0.35)下建筑全年負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表,從表中可以看出,就全年來(lái)看,建筑累計(jì)耗冷量與耗熱量都比較大,因此,我們就不同情況下窗墻比對(duì)建筑能耗的影響進(jìn)行了研究。

表1 負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

3.2 不同窗墻比對(duì)建筑的影響

圖1～圖 4分別是南北向不同窗墻比(東西向窗墻比均為0.1)下建筑的全年最大冷、熱負(fù)荷圖和全年累計(jì)冷、熱負(fù)荷圖,從圖中可以看出,當(dāng)窗戶材料不變的情況下,隨著北向窗墻比的增加,全年最大熱負(fù)荷與全年累計(jì)熱負(fù)荷都會(huì)增加,但全年最大冷負(fù)荷與全年累計(jì)冷負(fù)荷則有減小趨勢(shì);

隨著南向窗墻比的增大,全年最大冷熱負(fù)荷與全年累計(jì)冷熱負(fù)荷均出現(xiàn)上升趨勢(shì),當(dāng)南向窗墻比超過(guò) 0.45時(shí),全年累計(jì)冷熱負(fù)荷出現(xiàn)了下降趨勢(shì),因此,考慮到節(jié)能問題我們應(yīng)該把窗墻比控制在合適的范圍內(nèi)。

保持南北向窗墻比不變,同時(shí)改變東西向窗墻比,建筑耗冷量與耗熱量會(huì)隨窗墻比的增大而增大;當(dāng)東西方向窗墻比不變,同時(shí)改變南北方向的窗墻比,它對(duì)建筑的耗冷量與耗熱量隨著窗戶的朝向會(huì)有顯著差異,北向窗戶所在房間耗冷量與耗熱量基本不變,但南向窗戶所在房間耗冷量與耗熱量則會(huì)隨窗墻比的增大有明顯的升高;只改變東向或西向窗墻比,建筑耗冷量與耗熱量會(huì)隨窗墻比的增大而增大,但變化不大;只改變南向或北向窗墻比,建筑耗冷量與耗熱量會(huì)隨窗墻比的增大而增大,且變化較明顯,因此我們只列出南北向不同窗墻比下的耗冷量與耗熱量的對(duì)照表。

3.3 不同窗墻比下不同窗戶材料對(duì)建筑能耗的影響

在不同窗墻比下,改變幾種窗戶材料,從圖 5,圖 6中可以看出在相同窗墻比下塑鋼材料與真空鍍膜材料的窗戶能耗要低于普通單玻和普通中空材料的窗戶能耗,在不同窗墻比下普通中空玻璃的耗冷量與耗熱量隨空氣夾層厚度的增大會(huì)減小,但變化不大,因此,在考慮建筑耗能的時(shí)候有必要考慮窗戶材料對(duì)其的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

按國(guó)家窗墻比的標(biāo)準(zhǔn),東、西向窗墻比小于 0.25,窗戶的熱阻與窗戶的結(jié)構(gòu)及窗戶窗框的材料種類及空氣夾層厚度等因素有關(guān)。增大南北窗墻比和東西窗墻比這兩個(gè)比值不利于空調(diào)建筑節(jié)能,因此應(yīng)盡量控制窗墻比。

故在進(jìn)行前期建筑設(shè)計(jì)時(shí),在保證室內(nèi)采光通風(fēng)的前提下合理控制窗墻比是很重要的,一般北向不大于 0.45;南向不大于0.35;東西向不大于0.25。通過(guò)對(duì)不同窗墻比下建筑能耗的分析得出了以下幾個(gè)結(jié)論:

1)對(duì)舟山市某小區(qū)三號(hào)樓多層居住建筑模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化,研究了不同朝向窗墻比與建筑耗熱量和耗冷量的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)窗墻比對(duì)建筑耗熱量與耗冷量有一定影響,但總的來(lái)說(shuō)影響不大。在窗戶材料相同的條件下,窗墻比與建筑耗熱量的關(guān)系基本呈線性變化。而且增大東西向和北向窗墻比對(duì)降低耗熱量較為不利,即使是采用隔熱性能較好的中空玻璃,增大北向窗墻比對(duì)耗熱量的降低幅度也很小。

2)需要說(shuō)明的是,本文僅討論了各朝向不同的窗墻比對(duì)耗冷量與耗熱量的影響,而其對(duì)冬、夏季空調(diào)能耗的影響是不同的,實(shí)際工程中應(yīng)綜合考慮冬、夏季的影響,從而降低全年的能耗。經(jīng)分析模擬結(jié)果可知,盡量將窗戶布置成南北朝向;夏熱冬冷地區(qū)建筑的全年空調(diào)耗冷量與窗墻比呈線性關(guān)系,但耗熱量與窗墻比的關(guān)系又與建筑所在地點(diǎn)有關(guān)。

[1] 付祥釗.夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能技術(shù)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

[2] 錢以明.高層建筑空調(diào)與節(jié)能[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1990:436-437.

[3] 北京建筑設(shè)計(jì)研究院.建筑設(shè)備專業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)措施[M].北京:中國(guó)建筑出版社,1998:9-10.

[4] 彥啟森,趙慶珠.建筑熱過(guò)程[M].北京:中國(guó)建筑出版社,1986:30-36.

[5] 彭關(guān)中,小平胡嘯,李文遠(yuǎn),等.DeST模擬窗戶對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2006(3):19-24.

[6] 江 億.建筑環(huán)境系統(tǒng)模擬分析方法[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006.

[7] JGJ 134-2001,夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[8] 馮 雅,楊 紅.《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中窗墻面積比的確定[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,33(4):348-351.

[9] 侯余波,付祥釗.夏熱冬冷地區(qū)窗墻比對(duì)建筑能耗的影響[J].建筑技術(shù),2001,32(10):661-663.

[10] 冉茂宇.居住建筑最小窗面積及窗墻比的確定[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2000,21(4):384-389.