窗墻比在公共建筑節(jié)能設(shè)計中的應用研究

顏嘉琪

華東建筑設(shè)計研究院有限公司 上海 200011

窗墻比的設(shè)計不僅會對建筑的采光和照明產(chǎn)生影響，還會對室內(nèi)的溫度產(chǎn)生非常大的影響，如果窗戶面積、形式規(guī)格的設(shè)計不夠合理，就會流失大量的熱量，增加公共建筑空調(diào)系統(tǒng)的能耗，在節(jié)能設(shè)計的過程中，要充分考慮窗墻比對能耗的影響，將窗墻比控制在合適的范圍內(nèi)，參考窗墻比的相關(guān)標準，使室內(nèi)擁有良好的采光通風條件，有著適宜的溫度，為人們提供一個舒適的空間。

1 窗戶相關(guān)要素和建筑能耗評價指標

1.1 與窗戶有關(guān)的要素

窗戶能夠?qū)⒆匀还饩€引入到建筑內(nèi)部，人們還可以透過窗戶看到室外的景色，窗戶的設(shè)計對建筑的能耗有很大影響，墻體具有較強的保溫性，而窗戶的保溫效果較差，建筑的節(jié)能設(shè)計應注意三個要素，一是窗墻比，設(shè)計師可以在設(shè)計時參考《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》，對寒冷地區(qū)的公共建筑進行設(shè)計時，要對甲類公共建筑進行控制，按照窗墻比≤0.6的標準進行設(shè)計，其他地區(qū)公共建筑的窗墻比應≤0.7。同時，重點關(guān)注北向和東西向立面的窗墻比，可適當減小這些立面的窗墻比，適當增加建筑南立面的窗墻比。第二個要素是窗臺高度，窗臺高度主要會影響建筑的采光效果，通常，窗臺高度越低，采光效果越好，應將高度控制在合理的范圍內(nèi)，若高度過低，會影響照度的均勻性，高度過高，會影響人們的視線和舒適度，公共建筑窗臺高度應≥0.8m，住宅建筑窗臺高度應≥0.9m。第三個要素是窗戶形狀，窗戶本身的長寬比會對采光和照明能耗產(chǎn)生一定影響。

1.2 建筑能耗的評價指標

建筑能耗主要包含三方面的內(nèi)容，一是制冷能耗，夏季溫度較高，當建筑內(nèi)部的溫度高于26℃時，一般會開啟制冷模式。二是制熱能耗，冬季室內(nèi)溫度較低，當溫度在18℃以下時，往往要對建筑進行供暖，或者開啟制熱模式，將室內(nèi)的溫度控制在合適的范圍內(nèi)。三是照明能耗，在缺少天然光的情況下，需要打開建筑中的照明設(shè)備，《建筑采光設(shè)計規(guī)范》對采光照度進行了規(guī)定，光照度越低，照明能耗越高。通常，辦公區(qū)域的照度應≥500lx。公共建筑的節(jié)能設(shè)計還要

考慮光環(huán)境的評價指標，根據(jù)窗墻比進行模擬和計算，確保建筑的采光系數(shù)和全天然采光時間百分比滿足相關(guān)規(guī)定。采光系數(shù)即DF，在建筑內(nèi)部平面上選取一點，對這一點的天空漫射光形成的照度進行測量，同時對室外無遮擋平面任意一點天空漫射光的照度進行測量，室內(nèi)照度與室外照度的比值就是采光系數(shù)；全天然采光時間百分比即DA，在一年當中，建筑內(nèi)部依靠天然采光滿足最小照度要求的時間百分比，對于辦公建筑來說，全天然采光百分比應大于50%，只少有一半以上的時間能夠滿足辦公照度的需求。另外，光環(huán)境分析還可以參考有效全天然采光時間百分比，即UDI，有效照度應當在100～2000lx之間，若照度太低，無法滿足基本的辦公需求，若照度過高，會讓人們產(chǎn)生不適感。窗墻比會對制冷、制熱、光照產(chǎn)生很大影響，對建筑外立面進行設(shè)計時，一定要注意這三個方面的能耗情況，通過窗墻比的合理設(shè)計降低公共建筑的總能耗[1]。

2 窗墻比對公共建筑能耗的影響

2.1 窗墻比對建筑空調(diào)能耗的影響

公共建筑的節(jié)能設(shè)計需要考慮圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能，在各個構(gòu)件中，外窗的熱工性能最差，外墻能耗僅為外窗能耗的1/3，外窗能耗在圍護結(jié)構(gòu)總能耗中的比例大約為40%～50%，應盡量減少窗戶帶來的熱損失，對不同朝向立面的窗墻比進行控制。為了研究窗墻比對熱損失的影響，選取了上海市臨港新片區(qū)105社區(qū)金融西九項目10-01地塊1#樓，對夏熱冬冷地區(qū)公共建筑窗墻比的影響進行分析。

上海市臨港新片區(qū)105社區(qū)金融西九項目10-01地塊，位于上海市浦東新區(qū)南匯新城，地塊東至香柏路，西至紫檀路，北至水蕓北路，南至環(huán)湖北一路。處于熱帶季風氣候區(qū)，7、8月平均溫度為27.9℃，平均相對濕度為82%，冬季平均溫度為2.1℃，平均相對濕度為75%，既要做好夏季降溫工作，也要做好冬季采暖工作。1#樓辦公建筑的高度為43.95m，共有8層，高層辦公建筑，結(jié)構(gòu)體系為鋼結(jié)構(gòu)，外立面形式為玻璃幕墻。

對采暖能耗進行計算和分析，當窗墻比不斷增大時，建筑的采暖能耗也逐漸增大，例如，窗墻比從0.1逐漸增加到0.7，北向窗墻比變化后，制冷能耗增加了14%；東向窗墻比變化后，制冷能耗增長了17%；南向窗墻比變化后，制冷能耗增加了25%；西向窗墻比變化后，制冷能耗增長了37%。當窗墻比越來越高時，采暖能耗都會增加，但是，對西立面窗墻比進行調(diào)整時，能耗增加的幅度最高，這是因為上海市夏季太陽西曬時間較長，對夏季制冷的需求較高，導致制冷負荷較大，有必要對西向窗戶進行遮陽處理。當窗墻比在0.1～0.4之間時，能耗增長率都差不多，在窗墻比為0.4的情況下，西向和南向的能耗增長率開始加大，所以，0.4是一個重要的數(shù)值。對于供暖能耗來說，東向、北向窗墻比變化后，供暖能耗分別增加了0.4%和3%，而南向和西向窗墻比不端增加后，供暖能耗逐漸降低，南向降低了12%，西向降低了10%?？傮w來說，西向?qū)ㄖ偰芎牡挠绊懽畲螅舷虼沃?，北向窗墻比對能耗的影響最小。由此可知，如果必須要增加該建筑窗戶的面積，盡量增加西向窗戶的面積，同時還要對西向窗戶采取遮陽措施，減少窗墻比對采暖能耗的影響。當建筑的窗墻比較大時，不應減小墻體的傳熱系數(shù)，應以窗戶的調(diào)整為主，減小窗戶的傳熱系數(shù)。在綜合考慮下，要想讓公共建筑呈現(xiàn)出最好的節(jié)能效果，應將窗墻比控制在0.4左右，盡量不要讓窗墻比超過0.6。

2.2 窗墻比對建筑能耗影響的模擬分析

公共建筑在整個城市建筑中的占比非常小，但是公共建筑的能耗卻在總能耗中占有較高的比例。上海市臨港新片區(qū)105社區(qū)金融西九項目10-01地塊1#樓，建筑主要功能包含辦公室、會議室等空間，共有8層，建筑一層層高為6米，標準層層高為4.5m，上海屬于夏熱冬冷地區(qū)、且濕度較大。對1#辦公樓進行模擬和分析，主要采用了PKPM軟件。在參數(shù)的設(shè)置中，屋面、外墻、樓板的熱工參數(shù)分別為0.50、0.51、1.89，夏季和冬季的室溫分別設(shè)定為25℃和20℃，同時還對相對濕度、各空間人員熱擾、燈光熱擾功率密度值、電氣設(shè)備功率進行了設(shè)定，空調(diào)系統(tǒng)在白天開啟，新風量設(shè)置為30m/（h·p）。窗墻比會影響窗戶的傳熱系數(shù)，進而影響整個建筑的傳熱系統(tǒng)，當窗墻比較大時，會增加空調(diào)的能耗，但是，較高的窗墻比有利于改善采光性能，能夠改變照明系統(tǒng)的運行模式，會降低照明能耗，需要綜合分析各方面的能耗，考慮各部分能耗和總能耗的情況。

對于空調(diào)能耗來說，當窗墻比在0.1～0.3之間時，空調(diào)熱負荷逐漸降低，超過0.3后，熱負荷逐漸升高。隨著窗墻比的增高，空調(diào)冷負荷逐漸加大，空調(diào)總能耗也逐漸加大，所以，窗墻比越大，空調(diào)能耗越大。根據(jù)軟件模擬，發(fā)現(xiàn)空調(diào)冷負荷存在較大的變化幅度，最大增幅達到了76.4%，與之相比，空調(diào)熱負荷的變化幅度相對較小。窗墻比在0.6～0.65之間時，空調(diào)總能耗增速較大，總能耗的最大增幅大約為34%。對于照明能耗來說，窗墻比為0.1時，照明能耗為55.51，窗墻比為0.4時，照明能耗為47.09，窗墻比為0.7時，照明能耗為41.14。由此可見，窗墻比和照明能耗呈反比的關(guān)系，窗墻比變大時，照明能耗會逐漸降低。綜合能耗，最大變化幅度大約為－25.9%。

從綜合能耗的層面進行分析，需要全面考慮空調(diào)、照明、電梯、設(shè)備等部分的能耗，由于窗墻比不會對電梯和其他設(shè)備的能耗產(chǎn)生影響，所以，在綜合能耗的分析中只參考空調(diào)和照明的能耗。經(jīng)過模擬，發(fā)現(xiàn)綜合能耗的變化非常復雜，窗墻比在0.1～0.2之間時，綜合能耗從104.03升高為104.5，窗墻比在0.2～0.4之間時，綜合能耗從104.5降低為103.72，窗墻比在0.4～0.7之間時，綜合能耗從103.72升高到106.41。由此可知，隨著窗墻比不斷加大，綜合能耗呈現(xiàn)出加大、減小、加大的變化趨勢，當窗墻比在0.35～0.45之間時，綜合能耗降到了最低，該建筑可以按照這一標準進行控制，將窗墻比設(shè)計在該區(qū)間中，最大程度降低建筑的能耗。

2.3 基于窗墻比的公共建筑節(jié)能設(shè)計方法

將窗墻比控制在合理的范圍內(nèi)，能夠有效減少熱量傳輸時的損耗，建筑立面的設(shè)計要考慮建筑結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)設(shè)計窗墻比。公共建筑的節(jié)能設(shè)計應重點對窗戶進行設(shè)計，通過窗戶的合理設(shè)計控制窗墻比，減少能量損失。首先，要選擇合適的材料，不同材質(zhì)的窗戶有著不同的氣密性，性能較好的材料能夠減少熱量的流失，避免外部環(huán)境的冷空氣或熱空氣大量進入到室內(nèi)環(huán)境中。窗戶主要包括窗框和玻璃，窗框一般會使用兩種材料，鋼材和鋁合金的導熱系數(shù)分別為58.2和174.4，鋼材阻熱性較差、耐火性和剛性較強，鋁合金的耐腐蝕性和導熱性都比較強。選擇玻璃時，低輻射中空玻璃,冬季最佳舒適溫度比普通平板玻璃低1℃左右,夏季高1～2℃，充分滿足上海地區(qū)氣候特殊性，該類型幕墻建筑圍護結(jié)構(gòu)在夏季峰值冷負荷降低14%，運行負荷可降低32%，進而降低建筑物中空調(diào)的能耗，具有必要性。在玻璃幕墻窗框結(jié)構(gòu)選擇上，可以采用新型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要包括本實用新型涉及一種單元玻璃幕墻窗框結(jié)構(gòu)，包括：玻璃，玻璃的四端開設(shè)有卡槽；套設(shè)于玻璃端部的固定框，固定框上開設(shè)有玻璃端部插入的容納槽；鉸接于固定框上用于限制玻璃掉出的限位板；插入卡槽后借款將玻璃固定在框上。該結(jié)構(gòu)下玻璃的安裝更加簡單，且密封性滿意。

窗墻比的設(shè)計要考慮窗戶洞口的面積，窗戶和墻體都屬于建筑的外圍護結(jié)構(gòu)，外圍護結(jié)構(gòu)會直接影響建筑的能耗和光照，窗戶的玻璃是透明的，所以外窗的傳熱系數(shù)也比較高，要想減少能耗，需要對傳熱系數(shù)進行控制，減小窗墻比有利于降低傳熱系數(shù)，同時也會增加施工的成本，應保證窗戶能夠滿足采光通風的要求，適當降低窗墻比，避免熱能大量流失。設(shè)計窗戶的時候還要考慮太陽光照角度和日照率，根據(jù)建筑所在地區(qū)分析陽光照射強度，注意不同樓層和不同朝向立面的窗墻比。對南向的窗戶進行設(shè)計時，應適當增加窗戶的面積，更好地利用太陽光，其他朝向應盡量減小窗戶的面積，降低其他朝向室內(nèi)空間的能耗。

對公共建筑外立面的窗戶進行節(jié)能設(shè)計時，一定要注意外窗的氣密性。氣密性設(shè)計是外窗節(jié)能設(shè)計的重點，若窗戶的氣密性較差，會使外部的冷空氣和熱量進入到建筑內(nèi)部，增加建筑的制熱能耗和制冷能耗。窗型的設(shè)計會對外窗氣密性產(chǎn)生影響，在滿足換氣需求的基礎(chǔ)上，應計量減少開啟扇的數(shù)量，盡量不要采用平開窗，這種窗型密閉性較差。在外窗的設(shè)計中，還要注意型材規(guī)格和安裝方式，控制好窗框和窗扇的搭接量。在窗框結(jié)構(gòu)選擇上，可以采用一種新型結(jié)構(gòu)，應用多鎖點五金系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能夠滿足大尺寸開啟扇的要求，鎖點和鎖座之間緊密相扣，能夠形成較好的壓緊力，具有極強的密封性，能有效防止能量流失。該窗框結(jié)構(gòu)本體的內(nèi)端邊緣位置設(shè)置玻璃托條，玻璃托條與窗框本體內(nèi)端面垂直連接；窗框本體內(nèi)端面上設(shè)置了密封膠托條，該托條與玻璃托條平行。該結(jié)構(gòu)的主要特征，就是將玻璃的承重主要依靠窗扇型材，進而避免二次連接后可能造成的結(jié)構(gòu)膠受重力荷載作用的影響，不僅密封性更好，且安全性也有顯著增加。同時選擇密封性能較好的密封條，使用優(yōu)質(zhì)的密封橡膠條。密封條有多種材質(zhì)，存在不同的形狀，選擇密封條時應考慮型材截面的情況，硅橡膠具有良好的密封性，三元乙丙橡膠也是常用的密封材料，為增強窗戶的密封性和保溫性，可以設(shè)置多道密封[3]。

夏季的光照強度較高，若窗戶面積較大，室內(nèi)的溫度會快速升高，為了降低制冷能耗，可以對窗戶進行遮陽處理。將遮光裝置安裝在窗戶上方，遮光裝置有兩種類型，一種是外遮光，另一種是內(nèi)遮光。比較常用的有遮陽板，還可以增加挑陽臺，外遮光裝置的效果較好，但是內(nèi)遮光裝置更便于人們控制。設(shè)計時應考慮不同裝置的遮陽效果，考慮夏季和冬季的太陽高度角，考慮室內(nèi)空間的取暖需求。雖然遮陽裝置能夠減少夏季建筑的能耗，但是，北方地區(qū)冬季較為寒冷，有可能會增加冬季建筑的能耗，應綜合考慮建筑工程所在地區(qū)的環(huán)境情況，避免遮陽裝置對正常的采光產(chǎn)生影響，如果建筑位于南方地區(qū)，要重點考慮建筑的遮陽需求，如果遮陽裝置的設(shè)置比較合理，就能夠產(chǎn)生20%～30%的節(jié)能效益，有必要進行遮陽處理，以實現(xiàn)節(jié)能的目標[4]。

3 結(jié)論

窗戶和墻體都是建筑的重要構(gòu)件，窗戶面積和墻體面積的比例會是建筑節(jié)能設(shè)計的重點，必須要對窗墻比和建筑能耗情況進行分析，依照公共建筑節(jié)能設(shè)計標準和建筑的實際情況進行窗墻比的設(shè)計，讓窗墻比更加合理，滿足經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保的要求。