建筑窗墻比對于建筑耗冷量耗熱量的影響

陳雷娟 劉春花

0 引言

窗戶是建筑的重要組成部分,也是建筑保溫中最薄弱的環節,其長期使用能耗約占整個建筑長期使用能耗的 50%,因此窗戶的保溫性能日益受到人們廣泛關注。在建設節約型社會的今天,做好窗戶的隔熱保溫是改善室內熱舒適性、實現節能的關鍵環節之一。

近年來居住建筑的窗墻比有越來越大的趨勢,這是因為商品住宅的購買者大部分希望自己的住宅更加通透明亮?？紤]到臨街建筑立面美觀的需要,窗墻比超過國家標準規定值是允許的,但當窗墻比超過規定值時,應首先考慮減小窗戶(含陽臺透明部分)的傳熱系數,如采用單框雙玻璃或中空玻璃窗,并加強夏季活動遮陽,其次可考慮減小外墻的傳熱系數。

窗墻比一般是指外窗戶洞口面積與房間立面單元面積之比值。顯然,同一建筑、不同朝向的外墻,其窗墻比可能是完全不同的;不同的建筑,其窗墻比可能存在較大的差異。窗墻比越大,建筑的自然采光效果越好,通透感越強,現代感越強。因此,現代建筑有向大窗墻比方向發展之勢。然而,隨著窗墻比的增大,建筑總體能耗會隨之增加。

現行節能標準對不同朝向外墻的窗墻比有不同的限值,以降低建筑總體的能耗。為了弄清窗墻比對建筑能耗的影響規律,本文就舟山市某多層住宅建筑為例進行研究。

1 DeST軟件結構和模塊介紹

DeST是由清華大學建筑學院建筑技術科學系建筑環境與設備研究所綜合 10余年科研成果的結晶,開發出了用于建筑熱環境設計模擬分析的軟件平臺——建筑熱環境設計模擬工具包(Designer's Simulation Toolkit,簡稱 DeST)。在 DeST的基礎上,針對住宅建筑開發了DeST-h這樣專用能耗模擬分析軟件。DeST-h充分考慮了人的創造性和計算機強大的計算能力,并將兩者有機地結合起來,在整個軟件中貫穿了“全工況分析”和“分階段模擬”的概念。

DeST的幾個基本功能模塊分別是:氣象數據模塊(Medpha),計算機輔助建筑描述模塊(CABD),建筑分析模塊(BAS)和建筑環境控制系統分析模塊。

2 研究方法與假設

2.1 研究對象

研究對象是舟山市某小區三號樓多層居住建筑,朝向為南北向,地上共 5層,建筑標準層面積 4071.2m2,建筑層高 2.9m。

2.2 假設條件

在進行建筑耗冷量與耗熱量負荷模擬分析時,把整個建筑作為模擬分析對象,所有外陽臺和消防樓梯間不考慮耗冷與耗熱,屋頂簡化為平屋頂,假設其他樓層與標準層完全相同,所不同的是,由于本文主要研究窗墻比對于建筑耗冷量與耗熱量的影響規律和對建筑采取相同改進措施時,不同窗墻比下的節能情況,假定全年空調供暖上限溫度為 26℃,供暖下限溫度為 18℃。因為僅考慮窗墻比變化的影響,則認為室內人員、設備、照明等內熱、濕源均不變,同時不考慮門窗的空氣滲透和新風的影響。

3 不同情況下的窗墻比對建筑的影響

3.1 全年負荷對建筑的影響

表1為給定窗墻比(東 0.1,西 0.2,南 0.45,北 0.35)下建筑全年負荷統計表,從表中可以看出,就全年來看,建筑累計耗冷量與耗熱量都比較大,因此,我們就不同情況下窗墻比對建筑能耗的影響進行了研究。

表1 負荷統計表

3.2 不同窗墻比對建筑的影響

圖1～圖 4分別是南北向不同窗墻比(東西向窗墻比均為0.1)下建筑的全年最大冷、熱負荷圖和全年累計冷、熱負荷圖,從圖中可以看出,當窗戶材料不變的情況下,隨著北向窗墻比的增加,全年最大熱負荷與全年累計熱負荷都會增加,但全年最大冷負荷與全年累計冷負荷則有減小趨勢;

隨著南向窗墻比的增大,全年最大冷熱負荷與全年累計冷熱負荷均出現上升趨勢,當南向窗墻比超過 0.45時,全年累計冷熱負荷出現了下降趨勢,因此,考慮到節能問題我們應該把窗墻比控制在合適的范圍內。

保持南北向窗墻比不變,同時改變東西向窗墻比,建筑耗冷量與耗熱量會隨窗墻比的增大而增大;當東西方向窗墻比不變,同時改變南北方向的窗墻比,它對建筑的耗冷量與耗熱量隨著窗戶的朝向會有顯著差異,北向窗戶所在房間耗冷量與耗熱量基本不變,但南向窗戶所在房間耗冷量與耗熱量則會隨窗墻比的增大有明顯的升高;只改變東向或西向窗墻比,建筑耗冷量與耗熱量會隨窗墻比的增大而增大,但變化不大;只改變南向或北向窗墻比,建筑耗冷量與耗熱量會隨窗墻比的增大而增大,且變化較明顯,因此我們只列出南北向不同窗墻比下的耗冷量與耗熱量的對照表。

3.3 不同窗墻比下不同窗戶材料對建筑能耗的影響

在不同窗墻比下,改變幾種窗戶材料,從圖 5,圖 6中可以看出在相同窗墻比下塑鋼材料與真空鍍膜材料的窗戶能耗要低于普通單玻和普通中空材料的窗戶能耗,在不同窗墻比下普通中空玻璃的耗冷量與耗熱量隨空氣夾層厚度的增大會減小,但變化不大,因此,在考慮建筑耗能的時候有必要考慮窗戶材料對其的影響。

4 結語

按國家窗墻比的標準,東、西向窗墻比小于 0.25,窗戶的熱阻與窗戶的結構及窗戶窗框的材料種類及空氣夾層厚度等因素有關。增大南北窗墻比和東西窗墻比這兩個比值不利于空調建筑節能,因此應盡量控制窗墻比。

故在進行前期建筑設計時,在保證室內采光通風的前提下合理控制窗墻比是很重要的,一般北向不大于 0.45;南向不大于0.35;東西向不大于0.25。通過對不同窗墻比下建筑能耗的分析得出了以下幾個結論:

1)對舟山市某小區三號樓多層居住建筑模型進行了簡化,研究了不同朝向窗墻比與建筑耗熱量和耗冷量的關系,發現窗墻比對建筑耗熱量與耗冷量有一定影響,但總的來說影響不大。在窗戶材料相同的條件下,窗墻比與建筑耗熱量的關系基本呈線性變化。而且增大東西向和北向窗墻比對降低耗熱量較為不利,即使是采用隔熱性能較好的中空玻璃,增大北向窗墻比對耗熱量的降低幅度也很小。

2)需要說明的是,本文僅討論了各朝向不同的窗墻比對耗冷量與耗熱量的影響,而其對冬、夏季空調能耗的影響是不同的,實際工程中應綜合考慮冬、夏季的影響,從而降低全年的能耗。經分析模擬結果可知,盡量將窗戶布置成南北朝向;夏熱冬冷地區建筑的全年空調耗冷量與窗墻比呈線性關系,但耗熱量與窗墻比的關系又與建筑所在地點有關。

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