基于建筑負荷窗墻比與遮陽優化設計研究

張華民，許秀梅，張甫仁，2

(1.重慶交通大學機電與工程學院，重慶400074;2.重慶大學城市建設與環境工程學院，重慶400045)

如今，大多數人都在室內度過(大約80%)，室內環境將影響著人們的生產、生活、健康狀況，它已引起人們的關注。圍護結構是室內和室外的物理界限，即使是原始建筑遮蔽物也努力滿足遮風避雨、保溫隔熱、遮陽通風等作用。隨著時代的發展，圍護結構也在不斷發展變化，它的功能也越來越完善，給人們帶來越來越舒適的室內熱環境。特別是現代科技的飛速發展，圍護結構在節能方面發揮的作用越來越重要，人們對圍護結構的觀念有了很大的變化。

窗墻作為建筑外圍護結構的重要組成部分，對于建筑能耗有著十分重要的影響。居住建筑外窗其能耗約占建筑總能耗的30%左右，而在嚴寒的地區，其能耗值甚至高達40%左右［1]。為了達到節能的目的，根據不同地區的氣象條件，合理選擇窗墻比，對于降低建筑能耗有著十分重要的作用。窗墻比的確定［2－6]，不僅僅局限于降低能耗這一個目的，還需要考慮室內的采光效果、美觀以及有無遮陽等因素共同來確定。本文將結合上述因素來綜合分析窗墻比的確定。

1 窗墻比與空調負荷的模擬分析

1.1 窗墻比

根據公共建筑節能設計標準，窗墻比是指外窗面上的窗、陽臺門及幕墻透明部分的總面積與所在朝向的建筑外墻面的總面積(包括該朝向上的窗、陽臺門及幕墻的透明部分的總面積)之比。窗戶的傳熱系數一般大于朝向外墻的傳熱系數，因此，夏季空調制冷量隨窗墻比的增加而增加，而冬季采暖耗熱量隨窗墻比的增加而減少。

1.2 負荷模擬實例

建筑模型:取一棟樓房中的一個房間，房間的幾何尺寸為:5.2 m ×3.8 m ×2.9 m，為了簡化計算，只考慮安裝窗外墻(3.8 m×2.9 m)的相關能耗負荷，不考慮其余任何原因所引起的能耗。墻體材料為240 mm厚普通磚墻，窗為普通單層玻璃窗，遮陽板寬0.5 m。

氣象參數選取:以重慶地區為例，冬、夏季室內溫度分別為18℃、26℃。利用重慶市典型氣象年數據對不同的窗墻比和不同朝向，進行夏季、冬季和全年能耗負荷模擬，以得出重慶地區不同朝向最節能的窗墻比值關系。

1.3 模擬結果與分析

將采用文獻［7] 給出的典型年相關氣象數據，利用課題組所編制的《基于動態熱舒適性的建筑環境綠色節能設計》軟件分別針對不同朝向在不同窗墻比條件下的負荷變化關系給予模擬分析，其結果如圖1－圖3所示。

據圖1、圖2可見，夏季空調冷負荷隨著窗墻比的增加而增加，尤其是當窗墻比大于0.3以后，負荷增加近似成直線關系上升，其中負荷增加最快的是東西窗，北窗的增加速度最小。冬季北窗熱負荷最大，而南窗的熱負荷最小，東窗和西窗相差不大。由此可見，對于東西窗而言，窗墻比不宜大于0.3，而南北窗的窗墻比不宜大于0.4。

從全年綜合來看，東窗和西窗綜合空調負荷最大，而南窗和北窗的綜合空調負荷較小。在窗墻比小于0.4時，東西北窗空調負荷較大，且基本相近;而當窗墻比大于0.4時，北窗的負荷增加趨勢放緩，小于東北窗增加的趨勢，逐漸與南窗的空調負荷相當，當窗墻比值大于0.7以后，基本上相同。就全年綜合空調負荷來看，當窗墻比小于0.3時，空調綜合負荷增加的絕對差值相對較小，而當大于0.3以后，負荷絕對差值增加的較快，尤其是東西窗增加的趨勢比南北窗增荷趨勢大許多。因此，綜合來看，在考慮遮陽的情況下，東西窗墻比不宜大于0.3，而此時南北窗相當能耗的窗墻比為0.35左右，故此，南北窗墻比不宜超過0.35。如果沒有遮陽的情況下，則窗墻比還要小些。

重慶地區在冬季住宿樓一般較少開空調來供暖，往往只考慮夏季增荷的情況，此時，從節能的觀點來看，綜合窗墻比不宜大于0.3。但是，窗墻比的確定還需要考慮采光、美觀效果等因素在內。因此，綜合來看，窗墻比接近0.4時，能耗、采光和美觀效果基本都可以保證。當然，如果針對辦公用房或者采用雙層玻璃等措施的節能窗戶，窗墻比可以適當放大一些。

1.4 模擬結果綜合分析

從節能的角度來看，東西窗墻比不宜大于0.3，而南北窗不宜超過0.35，但根據相關文獻和研究結果表明，從采光角度來看，窗墻比不宜小于0.385，從美觀角度來看，窗墻比應介于 0.5 －0.6之間，不宜小于0.5。綜合上述結果，采用分配權重綜合計算的方法，取節能性權重為0.65，采光權重為0.25，而美觀權重為0.1。綜合可得，在重慶地區東西窗墻比的設置應當介于0.342－0.352之間為優;而南北窗墻比的設置應當介于0.375－0.385之間為優。

2 遮陽試驗研究

2.1 試驗研究對象及條件

測試對象:以某小區新裝修結構和戶型朝向完全相同的兩個屋子南窗作為測試研究對象。

主要測試用儀器和設備:高精度溫濕度記錄儀(這里只用溫度數據，共2臺)。

測試條件:

1)房間窗戶均處于開啟狀態，門處于關閉狀態。

2)兩個房間受太陽輻射情況一致。

3)一個房間外墻面給予固定水平遮陽(另一個房間作為參照)，遮陽板長 0.5、1.0、1.5 m(有支撐，厚150 mm的指節板)，板窗距均為0.6 m。

測試內容有室外氣溫:兩個房間的中心點離地1 m處的溫度值(每隔15 min進行一次數據記錄，每4次求平均值代替該小時的溫度值)。

測試時間:限于試驗條件所限，無法在一天同時進行不同板寬的測試與基礎參照房間的測試，故此試驗分別在2007年7月30日，8月4日和8月5日三天進行，測試時間從早上8點到晚上18點。由于受試驗條件的限制，無法同時測試不同遮陽板寬室內環境的變化情況，這里，所得結果只能說明總體變化趨勢。

2.2 測試結果及分析

選取7月30日，8月4日和8月5日為氣溫和太陽輻射強度較高的典型日。測試結果如下圖4－圖6，綜合三天的測試曲線圖，得出圖7(綜合測試溫降率)。

由上圖可見，隨著遮陽板寬度的增加，溫降值和溫降率都隨之增加。但這不意味著遮陽板無限增加對節能最有效。從圖8綜合溫降率來看，當板寬為0.5m時，其平均溫降率值為0.739 9%;當板寬為1.0時的平均溫降率值為2.1423%;板寬為1.5m時的平均溫降率值為2.879 4%，但溫降值和溫降率增大的比例逐漸降低。遮陽板寬為1.5 m時溫降值和溫降率的變化已經很小了。從全年綜合節能的角度和節能率變化趨勢來看，重慶南窗其最優遮陽板寬值為1.2－1.4 m 為優［1]。結合上述試驗結果，并結合美觀和設計施工等因素，綜合認為板寬值取在0.6－0.8 m之間即為最優尺寸。

3 結論

1)從節能的角度來看，東西窗墻比不宜大于0.3，但根據相關文獻和研究結果表明，從采光角度來看，窗墻比不宜小于0.385，而從美觀角度來看，窗墻比應介于 0.5 －0.6 之間，不宜小于 0.5。采用分配權重綜合計算的方法，取節能性權重為0.65，采光權重為 0.25，而美觀權重為 0.1。在重慶地區東西窗墻比的設置應當介于0.342－0.352之間為優，南北窗墻比的設置應當介于0.375－0.385之間為優。

2)綜合節能角度、美觀和設計施工等因素時，認為重慶南窗板寬最優值應介于0.6－0.8 m之間。

3)對于玻璃幕墻結構建筑，體形系數和窗墻比都對其冷負荷有一定的影響，在實際工程設計中，當建筑面積一定時，在滿足建筑總體規劃和使用功能的前提下，應選擇合理的建筑平面和一定的窗墻比，從而減少建筑能耗，達到節約能源的目的。

［1] 張甫仁，胡啟國.住宅建筑窗的水平遮陽方式優化設計及節能分析［J] .西安建筑科技大學學報，2007.39(5):695－700.

［2] 冉茂宇.居住建筑最小窗面積及窗墻比的確定［J] .華僑大學學報，2000，21(4):384－389.

［3] 簡毅文，江億.窗墻比對住宅供暖空調總能耗的影響［J] .暖通空調，2006，36(6):1 －5.

［4] 龍恩深，付祥釗.窗墻比對居住建筑的冷熱耗量指標及節能率的影響［J] .暖通空調，2007，37(2):46－50.

［5] 閆成文，姚 健，周 燕，等.夏熱冬冷地區窗墻比對建筑能耗的影響［J] .建筑節能，2007，35(5):1－3.

［6] 賈玲利，楊坤麗，韋延年.成都地區居住建筑外窗現狀及其存在問題［J] .四川建筑科學研究，2006，32(6):183－185.

［7] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術系.中國建筑熱環境分析專用氣象數據集［M] .北京:中國建筑工業出版社，2005.

［8] 石博強.MATLAB數學計算范例教程［M] .北京:中國鐵道出版社，2004.