夏熱冬冷地區(qū)住宅外窗尺寸對建筑能耗的影響研究

廟詩詳 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ134-2010）的規(guī)定，夏熱冬冷地區(qū)建筑外窗的節(jié)能應(yīng)側(cè)重夏季隔熱，同時(shí)兼顧冬季保溫，建筑南向窗墻面積比不應(yīng)大于0.40，東、西向窗墻面積比不應(yīng)大于0.30。從標(biāo)準(zhǔn)條文規(guī)定中可知，被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)要求建筑窗墻比控制在一定區(qū)間內(nèi)，當(dāng)固定窗墻比時(shí)，開展外窗保溫、隔熱、采光、通風(fēng)等復(fù)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，是建筑節(jié)能性能化、精細(xì)化設(shè)計(jì)的必然要求。

關(guān)于夏熱冬冷地區(qū)居住建筑外窗性能對建筑能耗的影響，已有文獻(xiàn)利用動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算方法，開展重慶地區(qū)居住建筑外窗傳熱系數(shù)、窗墻面積比等方面研究，研究結(jié)果表明：外窗傳熱系數(shù)越大對建筑供暖能耗影響比空調(diào)能耗的影響作用顯著；西向外窗傳熱系數(shù)對建筑能耗影響最大，南向影響最小。建筑窗墻比在0.1～0.4時(shí)，建筑能耗的變化率較大；窗墻比在0.4～0.9時(shí)，建筑能耗的變化率較小，建筑西向窗墻比對建筑能耗影響作用最大，東向窗墻比對建筑能耗影響作用最小。

為改善夏熱冬冷地區(qū)住宅室內(nèi)居住環(huán)境質(zhì)量并推動(dòng)建筑節(jié)能工作發(fā)展，本文以合肥某高層住宅為代表的夏熱冬冷氣候區(qū)典型建筑為研究對象，對高層住宅的窗洞尺寸與建筑能耗的影響展開研究。高層建筑中，當(dāng)窗洞面積過小時(shí)，會造成自然采光采暖不足，影響舒適性的同時(shí)增加人工照明和供暖能耗；而當(dāng)窗洞面積過大時(shí)，又會嚴(yán)重降低高層建筑的節(jié)能效果。因此，探究住宅建筑外窗尺寸控制與夏熱冬冷地區(qū)住戶需求、建筑能耗之間影響關(guān)系，對于住宅建筑節(jié)能設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 模擬軟件介紹

PBECA建筑節(jié)能設(shè)計(jì)分析軟件是目前市場最為常見的一款節(jié)能計(jì)算軟件，該如今以DOE-2為計(jì)算核心，能幫助設(shè)計(jì)師精煉每一步節(jié)能設(shè)計(jì)，具有更快的模型處理速度和更高精確性更強(qiáng)的分析功能，為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)起到推動(dòng)作用，同時(shí)節(jié)省大量時(shí)間。軟件可按選定的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對居住建筑和公共建筑節(jié)能進(jìn)行節(jié)能分析——計(jì)算建筑物的各種能耗；檢查建筑物的規(guī)定性指標(biāo)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；檢查未通過規(guī)定性指標(biāo)的建筑物的性能性指標(biāo)；輸出建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)供暖空調(diào)負(fù)荷及能耗，判定建筑物是否節(jié)能。

2 研究項(xiàng)目概況

本研究選取合肥地區(qū)某高層住宅作為分析對象，該項(xiàng)目地上建筑層數(shù)為33層，地上建筑面積為21278.53m，建筑外表面積為16706.25m，體形系數(shù)為0.25。建筑外墻平均傳熱系數(shù)K為0.98（W/m·K），外窗傳熱系數(shù)均為2.20W/m·K。住宅標(biāo)準(zhǔn)層戶型兩梯三戶組合，建筑平面布局方正，南北通透，室內(nèi)功能分區(qū)合理。建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面布局和建筑節(jié)能模型如圖1、圖2所示。

圖1 住宅標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

圖2 建筑節(jié)能模型圖

建筑南立面實(shí)際窗墻比為0.45，北立面實(shí)際窗墻比為0.23，東西向建筑外窗面積可忽略不計(jì)，建筑各向外窗窗墻比見表1。

建筑各朝向窗墻比匯總表 表1

3 研究工況設(shè)置

為保證軟件能夠輸出能耗數(shù)據(jù)，假設(shè)所有外窗均采用斷熱鋁合金內(nèi)置百葉中空玻璃，其傳熱系數(shù)調(diào)整為2.0W/m·K，遮陽系數(shù)為0.17，其余與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)均保持不變，以此為基準(zhǔn)建筑。在上述設(shè)置條件不變的前提下，對現(xiàn)有外窗尺寸基礎(chǔ)上從高度和寬度分別進(jìn)行調(diào)整，每次調(diào)整幅度±100mm，最后根據(jù)調(diào)整后建筑能耗量與基準(zhǔn)建筑的能耗變化量進(jìn)行分析。模擬工況如表2所示。

模擬工況設(shè)計(jì) 表2

4 模擬結(jié)果分析

由圖3和圖4可知，當(dāng)建筑外窗尺寸在基準(zhǔn)建筑外窗高度基礎(chǔ)上由100mm～500mm變化時(shí)，工況1條件下建筑能耗相比基準(zhǔn)建筑能耗由1300kW·h增加到6495kW·h，工況2條件下建筑能耗相比基準(zhǔn)建筑能耗由867kW·h增加到4113kW·h。當(dāng)建筑外窗尺寸在現(xiàn)有高度基礎(chǔ)上由-500mm～-100mm變化時(shí)，工況1條件下建筑節(jié)能量相比基準(zhǔn)建筑由1298kW·h提高到6493kW·h，工況2條件下建筑節(jié)能量相比基準(zhǔn)建筑由865kW·h提高到3896kW·h。由建筑能耗變化趨勢來看，南向外窗相比北向外窗高度變化對建筑能耗影響作用較大，節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)可優(yōu)先進(jìn)行北向外窗尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 工況1建筑能耗模擬結(jié)果

圖4 工況2建筑能耗模擬結(jié)果

由圖5和圖6可知，當(dāng)建筑外窗尺寸在基準(zhǔn)建筑外窗寬度基礎(chǔ)上由100mm～300mm變化時(shí)，工況3條件下建筑能耗相比基準(zhǔn)建筑能耗由1083kW·h增加到3464kW·h，工況4條件下建筑能耗相比基準(zhǔn)建筑能耗由1083kW·h增加到2814kW·h。當(dāng)外窗尺寸在基準(zhǔn)建筑外窗寬度基礎(chǔ)上由-300mm～-100mm變化時(shí)，南向外窗調(diào)整的建筑節(jié)能量相比基準(zhǔn)建筑由1082kW·h提高到3463kW·h，北向外窗調(diào)整的建筑節(jié)能量相比基準(zhǔn)建筑由865kW·h提高到2381kW·h。根據(jù)建筑能耗變化趨勢進(jìn)行分析，在建筑南向外窗、北向外窗同時(shí)增加100mm時(shí)，建筑能耗變化量一致，超出此范圍，南向外窗相比北向外窗寬度變化對建筑能耗影響作用較大。

圖5 工況3建筑能耗模擬結(jié)果

圖6 工況4建筑能耗模擬結(jié)果

由圖7可知，一是建筑窗墻比與建筑能耗量正相關(guān)；二是建筑南向外窗高度變化相比南向外窗寬度變化，對建筑能耗影響作用明顯，但建筑北向外窗寬度與高度尺寸變化對建筑能耗影響作用與之相反。通過南向、北向外窗尺寸變化對應(yīng)的能耗量變化，可總結(jié)出影響建筑能耗的影響因素排名，南向外窗高度＞南向外窗寬度＞北向外窗寬度＞北向外窗高度。

圖7 南向、北向外窗高度與寬度變化對建筑能耗影響對比結(jié)果

5 結(jié)論與建議

通過以上研究發(fā)現(xiàn)不同方向建筑外窗尺寸變化對建筑能耗影響如下：一是南向外窗相比北向外窗高度變化對建筑能耗影響作用較大；二是建筑南向外窗高度上尺寸變化相比南向外窗寬度變化，對建筑能耗影響作用明顯；三是建筑北向外窗寬度與高度尺寸變化對建筑能耗影響作用與南向外窗尺寸變化影響規(guī)律相反。建筑設(shè)計(jì)師在建筑節(jié)能方案設(shè)計(jì)時(shí)，考慮夏熱冬冷地區(qū)住戶對自然采光和通風(fēng)的需求，優(yōu)先增加北向外窗高度，其次可適當(dāng)加大北向外窗寬度，既能最大限度控制能耗增長，又能實(shí)現(xiàn)住戶對戶內(nèi)通透明亮環(huán)境要求。

本文僅考慮外窗尺寸對建筑供暖空調(diào)能耗的影響，下一步研究方向可結(jié)合采光、通風(fēng)效果改善帶來的節(jié)能效益以及成本造價(jià)進(jìn)行綜合分析，探索更加合理的外窗節(jié)能設(shè)計(jì)方案。