窗墻比對(duì)華北農(nóng)村住宅能耗影響規(guī)律研究

劉 歡，張子平，趙士永，付素娟

(1.河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，河北邯鄲056038;2.河北建筑科學(xué)研究院，河北石家莊050200)

建筑本體性能的改善是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的根本措施，其中窗墻比是影響建筑本體性能的關(guān)鍵因素。窗墻比加大，一方面由于玻璃的透射性會(huì)導(dǎo)致房間的熱量增加，這樣在改善冬季熱環(huán)境的同時(shí)，也會(huì)造成夏季空調(diào)能耗的增加;另一方面由于玻璃的傳熱系數(shù)大于外墻的傳熱系數(shù)，會(huì)增加室內(nèi)外的換熱量，這樣在增加夏季室內(nèi)散熱的同時(shí)，也會(huì)造成冬季采暖能耗的增加。這就意味著窗墻比的加大對(duì)夏季和冬季的室內(nèi)熱環(huán)境既存在著有利的一面，也存在著不利的一面。因此，確定合適的窗墻比，對(duì)充分利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能非常關(guān)鍵。盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)窗墻比對(duì)建筑能耗的影響規(guī)律做了大量的研究，但這些研究主要是針對(duì)城鎮(zhèn)住宅，對(duì)農(nóng)村的住宅研究較少。農(nóng)村住宅與城鎮(zhèn)住宅相比在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)、保溫密閉性等方面存在較大的差異，有必要對(duì)農(nóng)村住宅單獨(dú)進(jìn)行研究。本文將研究農(nóng)村住宅窗墻比對(duì)全年空調(diào)、供暖能耗的影響規(guī)律，確定華北地區(qū)農(nóng)村住宅較合理的窗墻比。對(duì)實(shí)現(xiàn)華北地區(qū)農(nóng)村住宅的節(jié)能降耗起到舉足輕重的作用。

1 研究方法

本文通過(guò)DeST模擬的方法，結(jié)合華北地區(qū)農(nóng)村住宅的特點(diǎn)，分別計(jì)算不同外窗材質(zhì)、是否遮陽(yáng)條件下空調(diào)能耗指標(biāo)、供暖能耗指標(biāo)，以及全年空調(diào)、供暖總能耗指標(biāo)，并以此研究不同材質(zhì)外窗、是否遮陽(yáng)條件下，窗墻比對(duì)建筑能耗的影響規(guī)律。課題組對(duì)華北地區(qū)716戶農(nóng)村住宅進(jìn)行了調(diào)研。調(diào)研結(jié)果顯示:農(nóng)村住宅不同于城鎮(zhèn)住宅，多為獨(dú)戶獨(dú)院建筑，冬季多為間歇供暖、夏季多為分體式空調(diào)供冷，住宅朝向多為坐北朝南或接近坐北朝南，也有部分居民住東廂房、西廂房或南廂房，木質(zhì)門(mén)窗使用率為67%，鋁合金材質(zhì)為28%，塑鋼材質(zhì)最少僅為5%。78%的農(nóng)村住宅窗戶為單層玻璃，22%的農(nóng)村住宅窗戶為雙層玻璃。門(mén)窗與所在墻體有不同程度的縫隙，其保溫密閉性差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到國(guó)家對(duì)農(nóng)村建筑外門(mén)窗氣密性達(dá)到四級(jí)的要求。開(kāi)窗的位置及尺寸多為住戶決定，由于追求良好的通風(fēng)采光效果，導(dǎo)致農(nóng)村住宅窗墻比較大，分布在0.5－0.8之間，50%的家庭安有窗簾。建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表1所示。

2 模型的建立

為了研究方便，本文僅選擇一間長(zhǎng)、寬均為4.8 m，高3.6 m，功能為臥室的房間作為研究對(duì)象。為避免體形系數(shù)的影響，該模型只設(shè)置屋頂及開(kāi)窗墻為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，外墻為20 mm水泥砂漿+370 mm實(shí)心磚+20 mm水泥砂漿，外窗為鋁合金加雙層玻璃節(jié)能窗和木質(zhì)窗框加單層玻璃的普通外窗，屋頂為100 mm厚混凝土加80 mm厚爐渣屋面。

供暖、空調(diào)的室內(nèi)設(shè)定溫度按《寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》選取，分別為14℃和26℃，供暖、空調(diào)室外設(shè)計(jì)溫度按石家莊地區(qū)的氣象參數(shù)選取，分別為 －6℃和30.1℃ 。

設(shè)置房間人數(shù)為2人，冬季18:00－08:00，人員指數(shù)為1.0，其余時(shí)間人員指數(shù)為0.5，夏季12:00－14:00、19:00 －08:00人員指數(shù)為1.0，其余時(shí)間人員指數(shù)為0。

設(shè)置室內(nèi)照明為30 W，設(shè)備發(fā)熱為12.5 W，18:00－20:00燈光和設(shè)備指數(shù)為0.5，20:00－23:00燈光和設(shè)備指數(shù)為1.0，其余時(shí)間燈光和設(shè)備指數(shù)為0。

設(shè)置室內(nèi)換氣次數(shù)為0.5h－1至5h－1，夏季時(shí)，當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)溫度時(shí)視為住戶開(kāi)窗通風(fēng)，室內(nèi)換氣次數(shù)為5h－1，當(dāng)室內(nèi)溫度高于室內(nèi)溫度時(shí)視為住戶關(guān)閉門(mén)窗開(kāi)啟空調(diào)，室內(nèi)換氣次數(shù)為0.5h－1。

3 .數(shù)據(jù)分析

3.1 窗墻比對(duì)供暖能耗指標(biāo)的影響

綜合圖1中的 a、b、c、d，可以看出，不同類型住宅、各朝向，隨著窗墻比的增大供暖能耗指標(biāo)的變化差別較大。對(duì)于木質(zhì)單層玻璃外窗的住宅，無(wú)論遮陽(yáng)與否，隨著窗墻比的增大，供暖能耗指標(biāo)呈明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，這說(shuō)明由于窗墻比的增大帶來(lái)的太陽(yáng)輻射的熱量要小于由于窗墻比增大而引起的室內(nèi)散失的熱量。其中，北向窗墻比對(duì)供暖能耗指標(biāo)的影響最大，其它依次為東向、西向、南向。對(duì)于鋁合金雙層玻璃外窗的住宅，無(wú)論遮陽(yáng)與否，隨著窗墻比的增大供暖能耗指標(biāo)均呈不同程度的下降趨勢(shì)，由于窗墻比的增大帶來(lái)的太陽(yáng)輻射的熱量，要大于由于窗墻比的增加造成室內(nèi)散失的熱量。其中，南向窗下降幅度最大，其余依次為西向、東向、北向。

通過(guò)對(duì)比圖1中的a與c、b與d可以看出，無(wú)論是木質(zhì)單層玻璃外窗還是鋁合金雙層玻璃外窗增設(shè)外窗遮陽(yáng)后，供暖能耗指標(biāo)的變化不大。這說(shuō)明外窗遮陽(yáng)對(duì)供暖能耗指標(biāo)的影響不大，也說(shuō)明窗墻比對(duì)供暖能耗的影響基本不受外遮陽(yáng)的影響。

表1 農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of rural residential palisade structure

通過(guò)對(duì)比圖1中的a與b、c與d可以看出，當(dāng)住宅的外窗由木質(zhì)單層玻璃窗改為鋁合金雙層玻璃窗后，無(wú)論是否遮陽(yáng)，各朝向供暖能耗指標(biāo)都由增長(zhǎng)變?yōu)橄陆第厔?shì)，這說(shuō)明外窗保溫性能的提高可以降低供暖能耗指標(biāo)，也說(shuō)明窗墻比對(duì)供暖能耗指標(biāo)的影響受外窗保溫性能的影響很大。

3.2 窗墻比對(duì)空調(diào)能耗指標(biāo)的影響

綜合圖2中的 a、b、c、d可以看出，無(wú)論是木質(zhì)單層玻璃外窗、鋁合金雙層玻璃外窗、是否遮陽(yáng)，隨著窗墻比的增大，空調(diào)能耗指標(biāo)均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。這說(shuō)明由于窗墻比的增大吸收太陽(yáng)輻射的熱量要大于由于窗墻比的增加散失的熱量。其中，西向窗墻比對(duì)空調(diào)能耗指標(biāo)的影響最大，其它依次為東向、西向、北向。通過(guò)對(duì)比圖2中的a與b、c與d可以看出，當(dāng)住宅的外窗由木質(zhì)單層外窗改為鋁合金雙層玻璃外窗后，無(wú)論是否遮陽(yáng)，空調(diào)能耗指標(biāo)變化不大，這說(shuō)明外窗保溫性能的提高對(duì)空調(diào)能耗指標(biāo)的影響不大，也說(shuō)明窗墻比對(duì)空調(diào)能耗指標(biāo)的影響基本不受外窗保溫性能的影響。通過(guò)對(duì)比圖2中的a與b、c與d可以看出，無(wú)論是木質(zhì)單層玻璃外窗還是鋁合金雙層玻璃外窗，增設(shè)外遮陽(yáng)后空調(diào)能耗指標(biāo)明顯小于未遮陽(yáng)時(shí)空調(diào)能耗指標(biāo)，這說(shuō)明增設(shè)外遮陽(yáng)可以降低空調(diào)能耗指標(biāo)，也說(shuō)明窗墻比對(duì)空調(diào)能耗的影響受外窗遮陽(yáng)的影響很大。

3.3 窗墻比對(duì)全年總能耗指標(biāo)的影響

綜合圖3 中的 a、b、c、d 可以看出，在東向、西向、北向，外窗無(wú)論是否遮陽(yáng)、木質(zhì)單層玻璃外窗還是鋁合金雙層玻璃外窗，隨著窗墻比的增加全年總能耗指標(biāo)呈明顯上升趨勢(shì)，窗墻比越大越不利于建筑節(jié)能，在南向，當(dāng)由木質(zhì)單層玻璃外窗改為鋁合金雙層玻璃窗后，無(wú)論是否遮陽(yáng)總能耗指標(biāo)隨著窗墻比的增大呈現(xiàn)下降后增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在南向存在總能耗最小的窗墻比。

通過(guò)對(duì)比圖3中的a與b、c與d可以看出，無(wú)論是木質(zhì)單層玻璃外窗還是鋁合金雙層玻璃外窗，當(dāng)外窗增設(shè)遮陽(yáng)后，總能耗指標(biāo)均低于未設(shè)遮陽(yáng)時(shí)的總能耗指標(biāo)，在南向，總能耗指標(biāo)最低的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的窗墻比為0.4，當(dāng)外窗增設(shè)遮陽(yáng)后，總能耗最低的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的窗墻比為0.6，這說(shuō)明外窗遮陽(yáng)可以降低住宅的總能耗指標(biāo)，采用外窗遮陽(yáng)可以適當(dāng)增大窗墻比，也說(shuō)明窗墻比對(duì)總能耗的影響規(guī)律受外窗遮陽(yáng)的影響較大。

通過(guò)對(duì)比圖3中的a與b、c與d可以看出，當(dāng)外窗為鋁合金雙層玻璃時(shí)，無(wú)論是否遮陽(yáng)，總能耗指標(biāo)均小于木質(zhì)單層玻璃外窗時(shí)的總能耗指標(biāo)，在南向，總能耗指標(biāo)由隨著窗墻比的增大變?yōu)橄认陆岛笊仙内厔?shì)，這說(shuō)明提高外窗的保溫性能可以降低住宅的總能耗指標(biāo)，也說(shuō)明窗墻比對(duì)總能耗的影響受外窗的保溫性能影響很大。

4 結(jié)論

1)東向、西向、北向窗墻比的增大供暖能耗指標(biāo)、空調(diào)能耗指標(biāo)、全年能耗指標(biāo)均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。南向隨著窗墻比的增加供暖能耗指標(biāo)呈下降趨勢(shì)，空調(diào)能耗指標(biāo)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)外窗為雙層玻璃時(shí)總能耗指標(biāo)呈現(xiàn)下降后增長(zhǎng)的趨勢(shì)，南向窗墻比為0.4時(shí)總能耗指標(biāo)最小。

2)降低外窗傳熱系數(shù)、增設(shè)外窗遮陽(yáng)可以降低住宅的總能耗指標(biāo)，削弱了窗墻比對(duì)總能耗指標(biāo)的影響，在外窗保溫性能良好、增設(shè)外窗遮陽(yáng)的條件下可以適當(dāng)增大窗墻比。

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