基于建筑負(fù)荷窗墻比與遮陽(yáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

張華民，許秀梅，張甫仁，2

(1.重慶交通大學(xué)機(jī)電與工程學(xué)院，重慶400074;2.重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400045)

如今，大多數(shù)人都在室內(nèi)度過(guò)(大約80%)，室內(nèi)環(huán)境將影響著人們的生產(chǎn)、生活、健康狀況，它已引起人們的關(guān)注。圍護(hù)結(jié)構(gòu)是室內(nèi)和室外的物理界限，即使是原始建筑遮蔽物也努力滿足遮風(fēng)避雨、保溫隔熱、遮陽(yáng)通風(fēng)等作用。隨著時(shí)代的發(fā)展，圍護(hù)結(jié)構(gòu)也在不斷發(fā)展變化，它的功能也越來(lái)越完善，給人們帶來(lái)越來(lái)越舒適的室內(nèi)熱環(huán)境。特別是現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在節(jié)能方面發(fā)揮的作用越來(lái)越重要，人們對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的觀念有了很大的變化。

窗墻作為建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對(duì)于建筑能耗有著十分重要的影響。居住建筑外窗其能耗約占建筑總能耗的30%左右，而在嚴(yán)寒的地區(qū)，其能耗值甚至高達(dá)40%左右［1]。為了達(dá)到節(jié)能的目的，根據(jù)不同地區(qū)的氣象條件，合理選擇窗墻比，對(duì)于降低建筑能耗有著十分重要的作用。窗墻比的確定［2－6]，不僅僅局限于降低能耗這一個(gè)目的，還需要考慮室內(nèi)的采光效果、美觀以及有無(wú)遮陽(yáng)等因素共同來(lái)確定。本文將結(jié)合上述因素來(lái)綜合分析窗墻比的確定。

1 窗墻比與空調(diào)負(fù)荷的模擬分析

1.1 窗墻比

根據(jù)公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，窗墻比是指外窗面上的窗、陽(yáng)臺(tái)門(mén)及幕墻透明部分的總面積與所在朝向的建筑外墻面的總面積(包括該朝向上的窗、陽(yáng)臺(tái)門(mén)及幕墻的透明部分的總面積)之比。窗戶的傳熱系數(shù)一般大于朝向外墻的傳熱系數(shù)，因此，夏季空調(diào)制冷量隨窗墻比的增加而增加，而冬季采暖耗熱量隨窗墻比的增加而減少。

1.2 負(fù)荷模擬實(shí)例

建筑模型:取一棟樓房中的一個(gè)房間，房間的幾何尺寸為:5.2 m ×3.8 m ×2.9 m，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，只考慮安裝窗外墻(3.8 m×2.9 m)的相關(guān)能耗負(fù)荷，不考慮其余任何原因所引起的能耗。墻體材料為240 mm厚普通磚墻，窗為普通單層玻璃窗，遮陽(yáng)板寬0.5 m。

氣象參數(shù)選取:以重慶地區(qū)為例，冬、夏季室內(nèi)溫度分別為18℃、26℃。利用重慶市典型氣象年數(shù)據(jù)對(duì)不同的窗墻比和不同朝向，進(jìn)行夏季、冬季和全年能耗負(fù)荷模擬，以得出重慶地區(qū)不同朝向最節(jié)能的窗墻比值關(guān)系。

1.3 模擬結(jié)果與分析

將采用文獻(xiàn)［7] 給出的典型年相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，利用課題組所編制的《基于動(dòng)態(tài)熱舒適性的建筑環(huán)境綠色節(jié)能設(shè)計(jì)》軟件分別針對(duì)不同朝向在不同窗墻比條件下的負(fù)荷變化關(guān)系給予模擬分析，其結(jié)果如圖1－圖3所示。

據(jù)圖1、圖2可見(jiàn)，夏季空調(diào)冷負(fù)荷隨著窗墻比的增加而增加，尤其是當(dāng)窗墻比大于0.3以后，負(fù)荷增加近似成直線關(guān)系上升，其中負(fù)荷增加最快的是東西窗，北窗的增加速度最小。冬季北窗熱負(fù)荷最大，而南窗的熱負(fù)荷最小，東窗和西窗相差不大。由此可見(jiàn)，對(duì)于東西窗而言，窗墻比不宜大于0.3，而南北窗的窗墻比不宜大于0.4。

從全年綜合來(lái)看，東窗和西窗綜合空調(diào)負(fù)荷最大，而南窗和北窗的綜合空調(diào)負(fù)荷較小。在窗墻比小于0.4時(shí)，東西北窗空調(diào)負(fù)荷較大，且基本相近;而當(dāng)窗墻比大于0.4時(shí)，北窗的負(fù)荷增加趨勢(shì)放緩，小于東北窗增加的趨勢(shì)，逐漸與南窗的空調(diào)負(fù)荷相當(dāng)，當(dāng)窗墻比值大于0.7以后，基本上相同。就全年綜合空調(diào)負(fù)荷來(lái)看，當(dāng)窗墻比小于0.3時(shí)，空調(diào)綜合負(fù)荷增加的絕對(duì)差值相對(duì)較小，而當(dāng)大于0.3以后，負(fù)荷絕對(duì)差值增加的較快，尤其是東西窗增加的趨勢(shì)比南北窗增荷趨勢(shì)大許多。因此，綜合來(lái)看，在考慮遮陽(yáng)的情況下，東西窗墻比不宜大于0.3，而此時(shí)南北窗相當(dāng)能耗的窗墻比為0.35左右，故此，南北窗墻比不宜超過(guò)0.35。如果沒(méi)有遮陽(yáng)的情況下，則窗墻比還要小些。

重慶地區(qū)在冬季住宿樓一般較少開(kāi)空調(diào)來(lái)供暖，往往只考慮夏季增荷的情況，此時(shí)，從節(jié)能的觀點(diǎn)來(lái)看，綜合窗墻比不宜大于0.3。但是，窗墻比的確定還需要考慮采光、美觀效果等因素在內(nèi)。因此，綜合來(lái)看，窗墻比接近0.4時(shí)，能耗、采光和美觀效果基本都可以保證。當(dāng)然，如果針對(duì)辦公用房或者采用雙層玻璃等措施的節(jié)能窗戶，窗墻比可以適當(dāng)放大一些。

1.4 模擬結(jié)果綜合分析

從節(jié)能的角度來(lái)看，東西窗墻比不宜大于0.3，而南北窗不宜超過(guò)0.35，但根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和研究結(jié)果表明，從采光角度來(lái)看，窗墻比不宜小于0.385，從美觀角度來(lái)看，窗墻比應(yīng)介于 0.5 －0.6之間，不宜小于0.5。綜合上述結(jié)果，采用分配權(quán)重綜合計(jì)算的方法，取節(jié)能性權(quán)重為0.65，采光權(quán)重為0.25，而美觀權(quán)重為0.1。綜合可得，在重慶地區(qū)東西窗墻比的設(shè)置應(yīng)當(dāng)介于0.342－0.352之間為優(yōu);而南北窗墻比的設(shè)置應(yīng)當(dāng)介于0.375－0.385之間為優(yōu)。

2 遮陽(yáng)試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)研究對(duì)象及條件

測(cè)試對(duì)象:以某小區(qū)新裝修結(jié)構(gòu)和戶型朝向完全相同的兩個(gè)屋子南窗作為測(cè)試研究對(duì)象。

主要測(cè)試用儀器和設(shè)備:高精度溫濕度記錄儀(這里只用溫度數(shù)據(jù)，共2臺(tái))。

測(cè)試條件:

1)房間窗戶均處于開(kāi)啟狀態(tài)，門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)。

2)兩個(gè)房間受太陽(yáng)輻射情況一致。

3)一個(gè)房間外墻面給予固定水平遮陽(yáng)(另一個(gè)房間作為參照)，遮陽(yáng)板長(zhǎng) 0.5、1.0、1.5 m(有支撐，厚150 mm的指節(jié)板)，板窗距均為0.6 m。

測(cè)試內(nèi)容有室外氣溫:兩個(gè)房間的中心點(diǎn)離地1 m處的溫度值(每隔15 min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)記錄，每4次求平均值代替該小時(shí)的溫度值)。

測(cè)試時(shí)間:限于試驗(yàn)條件所限，無(wú)法在一天同時(shí)進(jìn)行不同板寬的測(cè)試與基礎(chǔ)參照房間的測(cè)試，故此試驗(yàn)分別在2007年7月30日，8月4日和8月5日三天進(jìn)行，測(cè)試時(shí)間從早上8點(diǎn)到晚上18點(diǎn)。由于受試驗(yàn)條件的限制，無(wú)法同時(shí)測(cè)試不同遮陽(yáng)板寬室內(nèi)環(huán)境的變化情況，這里，所得結(jié)果只能說(shuō)明總體變化趨勢(shì)。

2.2 測(cè)試結(jié)果及分析

選取7月30日，8月4日和8月5日為氣溫和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較高的典型日。測(cè)試結(jié)果如下圖4－圖6，綜合三天的測(cè)試曲線圖，得出圖7(綜合測(cè)試溫降率)。

由上圖可見(jiàn)，隨著遮陽(yáng)板寬度的增加，溫降值和溫降率都隨之增加。但這不意味著遮陽(yáng)板無(wú)限增加對(duì)節(jié)能最有效。從圖8綜合溫降率來(lái)看，當(dāng)板寬為0.5m時(shí)，其平均溫降率值為0.739 9%;當(dāng)板寬為1.0時(shí)的平均溫降率值為2.1423%;板寬為1.5m時(shí)的平均溫降率值為2.879 4%，但溫降值和溫降率增大的比例逐漸降低。遮陽(yáng)板寬為1.5 m時(shí)溫降值和溫降率的變化已經(jīng)很小了。從全年綜合節(jié)能的角度和節(jié)能率變化趨勢(shì)來(lái)看，重慶南窗其最優(yōu)遮陽(yáng)板寬值為1.2－1.4 m 為優(yōu)［1]。結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合美觀和設(shè)計(jì)施工等因素，綜合認(rèn)為板寬值取在0.6－0.8 m之間即為最優(yōu)尺寸。

3 結(jié)論

1)從節(jié)能的角度來(lái)看，東西窗墻比不宜大于0.3，但根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和研究結(jié)果表明，從采光角度來(lái)看，窗墻比不宜小于0.385，而從美觀角度來(lái)看，窗墻比應(yīng)介于 0.5 －0.6 之間，不宜小于 0.5。采用分配權(quán)重綜合計(jì)算的方法，取節(jié)能性權(quán)重為0.65，采光權(quán)重為 0.25，而美觀權(quán)重為 0.1。在重慶地區(qū)東西窗墻比的設(shè)置應(yīng)當(dāng)介于0.342－0.352之間為優(yōu)，南北窗墻比的設(shè)置應(yīng)當(dāng)介于0.375－0.385之間為優(yōu)。

2)綜合節(jié)能角度、美觀和設(shè)計(jì)施工等因素時(shí)，認(rèn)為重慶南窗板寬最優(yōu)值應(yīng)介于0.6－0.8 m之間。

3)對(duì)于玻璃幕墻結(jié)構(gòu)建筑，體形系數(shù)和窗墻比都對(duì)其冷負(fù)荷有一定的影響，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，當(dāng)建筑面積一定時(shí)，在滿足建筑總體規(guī)劃和使用功能的前提下，應(yīng)選擇合理的建筑平面和一定的窗墻比，從而減少建筑能耗，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

［1] 張甫仁，胡啟國(guó).住宅建筑窗的水平遮陽(yáng)方式優(yōu)化設(shè)計(jì)及節(jié)能分析［J] .西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007.39(5):695－700.

［2] 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)，2000，21(4):384－389.

［3] 簡(jiǎn)毅文，江億.窗墻比對(duì)住宅供暖空調(diào)總能耗的影響［J] .暖通空調(diào)，2006，36(6):1 －5.

［4] 龍恩深，付祥釗.窗墻比對(duì)居住建筑的冷熱耗量指標(biāo)及節(jié)能率的影響［J] .暖通空調(diào)，2007，37(2):46－50.

［5] 閆成文，姚 健，周 燕，等.夏熱冬冷地區(qū)窗墻比對(duì)建筑能耗的影響［J] .建筑節(jié)能，2007，35(5):1－3.

［6] 賈玲利，楊坤麗，韋延年.成都地區(qū)居住建筑外窗現(xiàn)狀及其存在問(wèn)題［J] .四川建筑科學(xué)研究，2006，32(6):183－185.

［7] 中國(guó)氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學(xué)建筑技術(shù)系.中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集［M] .北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

［8] 石博強(qiáng).MATLAB數(shù)學(xué)計(jì)算范例教程［M] .北京:中國(guó)鐵道出版社，2004.