基于建筑節(jié)能的被動式低能耗建筑窗墻比優(yōu)化研究

劉廣業(yè)， 吳秉義， 夏國文， 李桂洋， 佘順志

(上海寶冶集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的飛速發(fā)展，工業(yè)、交通及建筑業(yè)等行業(yè)不斷進(jìn)步，能源消耗也隨之不斷增長[1]。于是，被動式低能耗建筑憑借良好的節(jié)能效果得到了長足的發(fā)展和廣泛的推廣。繼德國等歐美國家出臺被動式低能耗建筑相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)條文后，我國也在此領(lǐng)域做了諸多工作[2-6]。不過，目前國內(nèi)的節(jié)能模擬研究主要還是以給定實體參考模型，改變建筑本體結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)或空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)，然后進(jìn)行分析為主，而針對被動式低能耗建筑的合理窗墻比、體型系數(shù)等的研究較少，因此很有必要對以建筑節(jié)能為目的的被動式低能耗建筑的窗墻比開展優(yōu)化研究。

1 工程背景及模型建立

1.1 建筑概況

模擬用典型建筑為一座被動式超低能耗公共建筑，位于青島市李滄區(qū)。典型建筑地下部分為4層，用作地下車庫、機(jī)房、地下室；地上部分共5層，主要用作展覽廳、實驗室及會議室等。建筑主體采用框架結(jié)構(gòu)，外墻做外保溫處理，外墻傳熱系數(shù)為0.18 W/m2K，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.11 W/m2K，均符合《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51350—2019)[7]對寒冷地區(qū)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的參數(shù)要求。

1.2 建筑模型建立

依據(jù)該超低能耗公共建筑設(shè)計信息，利用DeST-c軟件建立能耗模型?？紤]到典型建筑地下部分除電梯井外均未采用被動式技術(shù)，為簡化模擬，模型僅針對典型建筑地上部分。建筑內(nèi)部熱擾根據(jù)房間類型進(jìn)行設(shè)置，共分為會議室、辦公室、實驗室、衛(wèi)生間、走廊、設(shè)備間、樓梯間、電梯間等。其中，樓梯間、電梯間、設(shè)備間為非空調(diào)房間，其他為空調(diào)房間。設(shè)置的熱擾類型主要有人員熱擾、燈光熱擾、設(shè)備熱擾，具體熱擾參數(shù)均按照《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51350-2019)進(jìn)行設(shè)置。維護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)，除外窗以外，均按照典型建筑原設(shè)計進(jìn)行，且滿足規(guī)范要求。

模型用氣象數(shù)據(jù)采用軟件內(nèi)部嵌入的數(shù)據(jù)，考慮到該建筑坐落于青島市李滄區(qū)，因而采用了數(shù)據(jù)庫中青島的典型年氣象數(shù)據(jù)。相較于實際氣候數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理的典型年氣象數(shù)據(jù)，更多地考慮了極端天氣以及氣候變化。因而采用典型年氣象數(shù)據(jù)更能體現(xiàn)模型建筑全生命周期的建筑用能情況，模擬更準(zhǔn)確。青島典型年氣溫變化如圖1所示，其中縱軸表示室外干球溫度，橫軸為與之對應(yīng)的日期。

圖1 模擬用青島全年室外干球溫度

1.3 工況設(shè)計

考慮到影響建筑節(jié)能的因素眾多，在采用了多項建筑節(jié)能措施的被動式低能耗建筑中每一個因素的變化都會導(dǎo)致建筑能耗的顯著變化。本文著重選擇了外窗作為主要因素，以窗墻比及外窗傳熱系數(shù)作為主要參數(shù)進(jìn)行了模擬分析。顧名思義，窗墻比是指外窗占整個外墻的比例，可想而知，南向窗顯然要比東西向和北向窗透過的陽光多。因而不同方向的窗墻比對建筑影響很可能是不同的，所以在進(jìn)行工況設(shè)計時考慮將窗墻比分為南向窗墻比、北向窗墻比以及東西向窗墻比三個維度進(jìn)行分析。在已有研究[8-9]的基礎(chǔ)上設(shè)置了5種窗墻比類型，分別為0.2/0.3/0.4/0.5/0.6。參考被動式低能耗建筑產(chǎn)品選用目錄，結(jié)合《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中對外窗性能的要求，選定了5種不同類型的建筑外窗，同時為方便對模擬結(jié)果進(jìn)行比較，將外窗參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化處理，具體外窗傳熱系數(shù)分別為0.6/0.7/0.8/0.9/1.0(W/m2K)。

基于以上，共設(shè)計3種不同工況，進(jìn)行75組不同參數(shù)下模型建筑的能耗模擬。

工況1：保持東西向窗墻比及北向窗墻比為0.3不變，通過改變南向窗墻比及外窗類型，分析外窗性能與南向窗墻比對建筑能耗的影響，以得出較優(yōu)的南向窗墻比。

工況2：保持東西向窗墻比及南向窗墻比為0.3不變，分析外窗性能與北向窗墻比對建筑能耗的影響，探討合理的北向窗墻比。

工況3：保持北向窗墻比及南向窗墻比為0.3不變，分析外窗性能與東西向窗墻比對建筑能耗的影響，得出更具節(jié)能效果的東西向窗墻比。

同時綜合對比75組數(shù)據(jù)，討論不同朝向窗墻比對建筑能耗的影響情況。

2 計算結(jié)果及分析

利用DeST軟件對模型建筑進(jìn)行了全年8760 h的采暖、制冷負(fù)荷模擬計算，模擬3種工況下不同參數(shù)下的75組試驗點，得到了每組試驗?zāi)Ｐ偷睦錈嶝?fù)荷。為充分分析窗墻比及外窗熱工性能對建筑能耗的影響，本節(jié)進(jìn)行了如下分類分析。

2.1 南向窗墻比對建筑能耗的影響

以南向窗墻比為坐標(biāo)橫軸，以建筑冷熱負(fù)荷為縱軸建立了不同類型外窗狀況下建筑負(fù)荷隨南向窗墻比變化的曲線，如圖2所示。

圖2 南向窗墻比作用下的負(fù)荷變化

從圖2中可以看出，隨著南向窗墻比的增加，5種類型的外窗狀況下的建筑能耗均不斷增加。與此同時，傳熱系數(shù)較低的1#窗對南向窗墻比的敏感性顯著高于傳熱系數(shù)更高的其他窗。這表明在南向窗墻比較低時，降低外窗傳熱系數(shù)具有一定的節(jié)能效果，而當(dāng)南向窗墻比達(dá)到較高水平時，降低外窗傳熱系數(shù)的節(jié)能效果不再明顯。此外，在南向窗墻比達(dá)到0.3以后，隨南向窗墻比增加，不同類型外窗下模型建筑冷熱負(fù)荷增加速度明顯變快。由此，建議被動式低能耗建筑南向窗墻比控制在0.2～0.3水平，且宜在南向窗墻比處于低水平時采用熱工性能更好的外窗；但當(dāng)由于其他考量不得不采用較高水平的南向窗墻比時，不建議額外更換更高熱工性能的外窗。

2.2 北向窗墻比對建筑能耗的影響

如圖3所示，以北向窗墻比為自變量，建筑冷熱負(fù)荷為因變量繪制了不同類型外窗狀況下建筑模型冷熱負(fù)荷變化曲線。

圖3 北向窗墻比作用下的負(fù)荷變化

從圖3中不難得出，隨著北向窗墻比不斷增加，不同類型窗狀況下建筑模型冷熱負(fù)荷明顯呈線性增長，且增長速度幾乎不變。同時，在不同北向窗墻比作用下，1#窗模型建筑冷熱負(fù)荷全程低于其他類型窗，即不同北向窗墻比下，較高熱工性能的外窗比較低熱工性能的外窗具有明顯的節(jié)能效果。雖然，不同類型窗狀況下建筑模型未隨北向窗墻比增加而有一個明顯的負(fù)荷加速增加，但考慮到建筑北向外窗一般起通風(fēng)作用，不進(jìn)行采光，因而綜合考慮下，建議被動式低能耗建筑北向窗墻比宜盡量取較低水平，同時選取傳熱系數(shù)較低的外窗。

2.3 東西向窗墻比對建筑能耗的影響

圖4為東西向窗墻比作用下的不同類型窗狀態(tài)下模型建筑冷熱負(fù)荷變化曲線圖。

圖4 東西向窗墻比作用下的負(fù)荷變化

從圖4中可以清晰地看到，隨模型建筑東西向窗墻比增加，不同類型窗狀態(tài)下模型負(fù)荷均不斷增加。但熱工性能較好的1#、2#窗明顯對東西向窗墻比有更高的敏感性，表現(xiàn)在當(dāng)東西向窗墻比處于0.2～0.4水平時，1#、2#窗較其他窗有明顯的節(jié)能效果，而這一效果在東西向窗墻比大于0.5時不再明顯，甚至與3#窗具有相近的建筑負(fù)荷。同時，可以看出隨東西向窗墻比增加，建筑冷熱負(fù)荷的增加存在增速階段，具體為東西向窗墻比為0.3、0.4時圖4所示曲線發(fā)生了不同程度的轉(zhuǎn)折。對此，分析認(rèn)為東西向窗墻比設(shè)置為0.3為宜，且宜選取傳熱系數(shù)較低的外窗。但是，當(dāng)東西向窗墻比由于其他原因不得不采用高窗墻比時，建議選用熱工性能較好的3#窗，并且不建議選用高于3#窗熱工性能的外窗。

2.4 不同朝向窗墻比對建筑能耗的影響

圖5 反映了南向、北向及東西向3種工況75組數(shù)據(jù)的分布。

圖5 不同朝向窗墻比作用下的建筑冷熱負(fù)荷

圖5中未見異常值，表明工況設(shè)計比較準(zhǔn)確，且各作用因素相對獨立。在此基礎(chǔ)上可以清晰地看到東西向窗墻比引起的建筑負(fù)荷變化大于南向窗墻比，同時遠(yuǎn)大于北向窗墻比，不難得出不同朝向窗墻比對建筑能耗有不同的影響，因此上文進(jìn)行分開討論是正確的。與北向窗墻比對建筑負(fù)荷的影響范圍較小對應(yīng)的是北向窗墻比作用下的建筑負(fù)荷最低值為39.15 kW·h/m2，這一數(shù)字明顯大于南向窗墻比和東西向窗墻比作用下的建筑負(fù)荷最低值，對此，可以認(rèn)為北向窗墻比的設(shè)計亦是降低建筑能耗的關(guān)鍵點。南向窗墻比、北向窗墻比、東西向窗墻比作用下模擬數(shù)據(jù)中位線相近，均介于40～41 kW·h/m2，遠(yuǎn)高于模擬數(shù)據(jù)的最低值，說明需要對被動式低能耗建筑窗墻比進(jìn)行優(yōu)化探究。

3 結(jié) 論

(1) 從建筑節(jié)能角度來看，合理的南向窗墻比范圍為0.2～0.3，同時宜采用熱工性能較高的外窗，當(dāng)南向窗墻比由于其他因素選取較高窗墻比時，選用高熱工性能外窗不具有明顯節(jié)能效果。

(2) 從建筑節(jié)能角度來看，北向窗墻比宜越低越好，但應(yīng)綜合考慮這個問題，以滿足其他需求。

(3) 從建筑節(jié)能角度來看，東西向窗墻比最優(yōu)解為0.3，同時建議選取高熱工性能的外窗，但東西向窗墻比較大時，建議選取傳熱系數(shù)為0.8 W/m2K的外窗。

(4) 不同朝向窗墻比對建筑能耗有著明顯不同的影響力，東西向、南向、北向?qū)ㄖ?fù)荷的影響力呈遞減趨勢，建議在設(shè)計、研究時分開考量不同朝向窗墻比的影響。