基于夏熱冬冷地區(qū)住宅節(jié)能設(shè)計(jì)中窗墻比與能耗的關(guān)系探討

顏奮

摘 要：本文通過節(jié)能分析軟件，以住宅設(shè)計(jì)為例，建立一個(gè)住宅建筑的簡化模型，分析不同窗墻比的情況下設(shè)計(jì)建筑的能耗情況，并與參考建筑能耗相比較，從而得出窗墻比與建筑實(shí)際能耗之間的關(guān)系，以及不同窗墻比與設(shè)計(jì)建筑及參考建筑能耗差的關(guān)系，為住宅設(shè)計(jì)合理的窗墻比提供理論數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：住宅；節(jié)能；窗墻比；能耗

1、引言

建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)，是我國發(fā)展的基本國策之一；建設(shè)節(jié)約型社會(huì)是我們目前的主要發(fā)展方針，也是走可持續(xù)發(fā)展道路的重要途徑。建筑作為能耗大戶，節(jié)能工作己刻不容緩。而住宅是每位設(shè)計(jì)者接觸最多的、也是最常見的建筑，作為每個(gè)人生活的必需品而與我們息息相關(guān)，好的節(jié)能住宅在使用過程中可以為使用者節(jié)約大量電能，從而降低生活的成本。

而在實(shí)際住宅建筑立面設(shè)計(jì)中，通透大開窗、外飄窗、落地窗的設(shè)計(jì)比比皆是，有的還設(shè)計(jì)了超長、拐角弧形等新型飄窗，這種方式成為扮靚住宅外表的新寵，也成了開發(fā)商制造賣點(diǎn)的手段。開發(fā)商樂于選擇大面積外窗的設(shè)計(jì)，并非這項(xiàng)設(shè)計(jì)有多大的科學(xué)性，而是為了迎合市場(chǎng)奢華之風(fēng)的需求，滿足購房者對(duì)景觀視野的要求。大開窗確實(shí)擁有外觀漂亮、房內(nèi)陽光充足等優(yōu)點(diǎn)，然而，隨之而來的是不節(jié)能、隔熱性差等問題。本文通過節(jié)能軟件對(duì)夏熱冬冷地區(qū)不同窗墻比的住宅建筑模型進(jìn)行能耗分析，從而以直觀的理論數(shù)據(jù)的形式分析窗墻比與能耗之間的關(guān)系，作為設(shè)計(jì)者進(jìn)行住宅立面設(shè)計(jì)的參考，從而提高住宅的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、美觀性三者之間的平衡。

2、窗墻比與能耗關(guān)系的分析

2.1、使用的節(jié)能設(shè)計(jì)分析軟件

本文使用的PKPM建筑節(jié)能設(shè)計(jì)分析軟件是中國建筑科學(xué)研究院建筑節(jié)能研究發(fā)展中心在建筑節(jié)能領(lǐng)域長期的研究為技術(shù)基礎(chǔ)，根據(jù)國家、各省市節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)建筑進(jìn)行維護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能方案的設(shè)計(jì)，并通過計(jì)算各維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)及熱惰性指標(biāo)等數(shù)據(jù)與相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，并可對(duì)建筑的全年采暖和空調(diào)能耗進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算，根據(jù)建筑的采暖和空調(diào)的年耗電量之和是否超過限值來判斷本建筑是否符合節(jié)能設(shè)計(jì)要求。

2.2、住宅建筑簡化模型的建立

在建筑節(jié)能計(jì)算中，主要是通過計(jì)算整棟建筑的空調(diào)能耗并與參考建筑的能耗相比較，其計(jì)算所得設(shè)計(jì)建筑的采暖和空調(diào)年耗電量之和應(yīng)當(dāng)小于參照建筑的采暖和空調(diào)年耗電量之和才能得出設(shè)計(jì)建筑符合節(jié)能設(shè)計(jì)要求的結(jié)論。

節(jié)能計(jì)算中提到的參考建筑是進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能動(dòng)態(tài)計(jì)算時(shí)的假想建筑，其應(yīng)滿足下述條件：

（1）參照建筑的建筑形狀、大小和朝向均應(yīng)與所設(shè)計(jì)建筑完全相同；

（2）當(dāng)設(shè)計(jì)建筑體形系數(shù)超標(biāo)時(shí)，應(yīng)按同一比例將參照建筑屋面、外墻分為傳熱與絕熱兩部分，參照建筑外圍護(hù)傳熱面積之和除以體積等于規(guī)定體形系數(shù)限值。參照建筑各朝向和屋頂?shù)拈_窗面積應(yīng)與所設(shè)計(jì)建筑完全相同；但當(dāng)所設(shè)計(jì)建筑某個(gè)朝向的窗面積超過規(guī)范規(guī)定時(shí)，參照建筑該朝向的窗面積應(yīng)減小到符合規(guī)范的規(guī)定（例如，北≤0.35，東、西≤0.25，南≤0.5）

本文主要是分析窗墻比與建筑能耗之間的關(guān)系，而在夏熱冬冷地區(qū)，南向外窗的面積對(duì)建筑的整體能耗影響明顯，并且在住宅中南向窗的面積所占比例很大，考慮住宅建筑中南向立面作為整個(gè)建筑的主立面，是設(shè)計(jì)過程考慮的重點(diǎn)，因此通過簡化計(jì)算模型，僅以改變南向窗墻比數(shù)值的方式達(dá)到比對(duì)結(jié)果的目的。

2.2.1、簡化模型平面概況

簡化的住宅節(jié)能計(jì)算模型為矩形，由開間為3.3米，進(jìn)深為7.2米的7個(gè)單元組合成的南北向平面，層高為3米，共計(jì)10層，具體平面詳見下圖1。

2.2.2、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置

本文僅分析不同南向窗墻比情況下，同一住宅建筑模型的能耗，因此除了南向窗墻比不同外，其余與節(jié)能計(jì)算（能耗）相關(guān)的參數(shù)設(shè)置均統(tǒng)一，具體設(shè)置如下：

（1）建筑概況：

城市：上海（北緯=31.00°，東經(jīng)=121.00°）；氣候分區(qū)：夏熱冬冷地區(qū)（Ⅲ區(qū)）；建筑結(jié)構(gòu)類型：框架結(jié)構(gòu)（含框剪）；體形系數(shù)：0.40；節(jié)能計(jì)算建筑面積（地上）：1645.72 （外輪廓線） m2；建筑體積（地上）：4937.17 m3； 節(jié)能計(jì)算總建筑面積：1645.72 （外輪廓線） m2； 建筑總體積：4937.17 m3；建筑表面積：1981.63（外輪廓線） m2；建筑層數(shù)：10 ；建筑物高度：30.00 m；

（2）外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置：

屋面類型（自上而下）：水泥砂漿（40.0mm）+泡沫玻璃（70.0mm）+輕集料混凝土澆搗（屋面找坡）（30.0mm）+鋼筋混凝土（120.0mm）+混合砂漿（20.0mm）

外墻類型（自外至內(nèi)）（默認(rèn)外墻）：水泥砂漿（5.0mm）+半硬質(zhì)玻璃棉板（30.0mm）+加氣混凝土砌塊（B07級(jí)）（240.0mm）+石灰水泥砂漿（20.0mm）

分戶樓板：水泥砂漿（40.0mm）+鋼筋混凝土（120.0mm）+混合砂漿（20.0mm）

外窗（含陽臺(tái)門透明部分）：隔熱金屬型材多腔密封窗框K≤5.0[W/（m2K）]，框面積≤20%，（6mm透明+12空氣+6mm透明），傳熱系數(shù)3.20W/m2.K，玻璃遮陽系數(shù)0.86，窗框系數(shù)0.75，氣密性為6級(jí)，可見光透射比0.71.

2.3、不同南向窗墻比建筑模型的節(jié)能計(jì)算及分析

2.2.1、模型節(jié)能計(jì)算

通過調(diào)整每個(gè)單元南向窗戶的不同尺寸，以達(dá)到改變窗墻比的目的，同時(shí)為了更好的比較窗墻比遞減比例與能耗變化的關(guān)系，設(shè)置十種不同窗墻比的模型進(jìn)行節(jié)能計(jì)算，十種模型窗墻比的遞減值約為0.07，通過PKPM節(jié)能計(jì)算軟件，可以得出十種不同窗墻比建筑模型的具體計(jì)算結(jié)果，詳見下述表格1：

表格1

2.2.2、數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述表格的計(jì)算數(shù)據(jù)，可以建立如下數(shù)據(jù)圖表，更為直觀的反應(yīng)不同數(shù)據(jù)之間的關(guān)系：

圖2設(shè)計(jì)建筑能耗與窗墻比

圖3 參考建筑能耗與窗墻比

圖4 能耗差與窗墻比

從圖2“設(shè)計(jì)建筑能耗與窗墻比”中可以看出，隨著窗墻比的增加，空調(diào)總能耗逐步增加，而采暖能耗卻逐步遞減，建筑實(shí)際總能能耗逐步增加，二者關(guān)系基本呈現(xiàn)線性比例關(guān)系；

從圖3“參考建筑能耗與窗墻比”中可以看出，隨著窗墻比的增加，參考建筑的空調(diào)能耗和采暖能耗變化平緩，當(dāng)窗墻比超過規(guī)范限值（0.5）的要求時(shí)，根據(jù)節(jié)能計(jì)算的規(guī)定，參考建筑仍按照規(guī)范要求的窗墻比限值進(jìn)行能耗計(jì)算，因此參考建筑能耗不變；

從圖4“能耗差與窗墻比”中可以看出，隨著窗墻比的增加，建筑實(shí)際能耗與參考建筑的能耗差先是成曲線遞減，尤其是在窗墻比小于0.3時(shí)，隨著窗墻比的遞增，能耗差的遞減比較緩慢，說明建筑節(jié)能效果較好，而當(dāng)窗墻比超過規(guī)范限值0.5之后，能耗差下降速度明顯增快，程線性下降趨勢(shì)，說明雖然建筑依然滿足節(jié)能要求，但是建筑節(jié)能效果較差。

2.2.3、分析討論

南向開窗面積直接對(duì)室內(nèi)采暖和空調(diào)的能耗產(chǎn)生影響，夏熱冬冷地區(qū)增加南向開窗面積可以減少冬季采暖能耗，但是相應(yīng)的也會(huì)增加夏季空調(diào)能耗，而且增加的空調(diào)能耗大于減少的采暖能耗，因此建筑總能耗程上升趨勢(shì)。

建筑節(jié)能計(jì)算中的權(quán)衡計(jì)算即是通過比較設(shè)計(jì)建筑的總能耗是否小于參考建筑總能耗來判斷設(shè)計(jì)建筑是否符合節(jié)能設(shè)計(jì)要求，因此設(shè)計(jì)建筑與參考建筑的能耗差實(shí)際代表了整個(gè)建筑通過節(jié)能措施后的節(jié)能效果，能耗差越小，雖然滿足節(jié)能要求，但是節(jié)能效果較差，反之，說明節(jié)能效果較較好，即所采取的節(jié)能措施還有余量，可以通過降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能來優(yōu)化整個(gè)建筑的能耗，既能滿足規(guī)范要求的節(jié)能目標(biāo)，又能降低整個(gè)建筑的建設(shè)成本。

可見，窗墻比是影響建筑能耗的重要因素之一，在住宅設(shè)計(jì)過程中選擇合理的窗墻比對(duì)建筑節(jié)能以及控制建筑成本有著不可忽視的作用。

3、結(jié)論

在實(shí)際住宅設(shè)計(jì)中，實(shí)際建筑平面布置要比文中所建模型復(fù)雜，影響能耗的因素也不僅僅是外窗，還受體形系數(shù)及其他外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能的影響，在住宅建筑設(shè)計(jì)除了通過控制其體型系數(shù)外，更主要通過控制外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)來減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失，降低建筑能耗。而外窗的能耗在住宅建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體能耗中占有約30%～50%，這是相當(dāng)大的比例，因此，外窗作為耗能大戶，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中，在考慮采光通風(fēng)、立面效果的同時(shí)，也應(yīng)合理控制窗墻比，做到美化立面和節(jié)約建筑能耗及建設(shè)成本二者的平衡統(tǒng)一。