基于夏熱冬冷地區住宅節能設計中窗墻比與能耗的關系探討

顏奮

摘 要：本文通過節能分析軟件，以住宅設計為例，建立一個住宅建筑的簡化模型，分析不同窗墻比的情況下設計建筑的能耗情況，并與參考建筑能耗相比較，從而得出窗墻比與建筑實際能耗之間的關系，以及不同窗墻比與設計建筑及參考建筑能耗差的關系，為住宅設計合理的窗墻比提供理論數據參考。

關鍵詞：住宅；節能；窗墻比；能耗

1、引言

建筑的節能設計，是我國發展的基本國策之一；建設節約型社會是我們目前的主要發展方針，也是走可持續發展道路的重要途徑。建筑作為能耗大戶，節能工作己刻不容緩。而住宅是每位設計者接觸最多的、也是最常見的建筑，作為每個人生活的必需品而與我們息息相關，好的節能住宅在使用過程中可以為使用者節約大量電能，從而降低生活的成本。

而在實際住宅建筑立面設計中，通透大開窗、外飄窗、落地窗的設計比比皆是，有的還設計了超長、拐角弧形等新型飄窗，這種方式成為扮靚住宅外表的新寵，也成了開發商制造賣點的手段。開發商樂于選擇大面積外窗的設計，并非這項設計有多大的科學性，而是為了迎合市場奢華之風的需求，滿足購房者對景觀視野的要求。大開窗確實擁有外觀漂亮、房內陽光充足等優點，然而，隨之而來的是不節能、隔熱性差等問題。本文通過節能軟件對夏熱冬冷地區不同窗墻比的住宅建筑模型進行能耗分析，從而以直觀的理論數據的形式分析窗墻比與能耗之間的關系，作為設計者進行住宅立面設計的參考，從而提高住宅的經濟性、實用性、美觀性三者之間的平衡。

2、窗墻比與能耗關系的分析

2.1、使用的節能設計分析軟件

本文使用的PKPM建筑節能設計分析軟件是中國建筑科學研究院建筑節能研究發展中心在建筑節能領域長期的研究為技術基礎，根據國家、各省市節能設計標準，對建筑進行維護結構節能方案的設計，并通過計算各維護結構的傳熱系數及熱惰性指標等數據與相應規范進行對比，并可對建筑的全年采暖和空調能耗進行動態計算，根據建筑的采暖和空調的年耗電量之和是否超過限值來判斷本建筑是否符合節能設計要求。

2.2、住宅建筑簡化模型的建立

在建筑節能計算中，主要是通過計算整棟建筑的空調能耗并與參考建筑的能耗相比較，其計算所得設計建筑的采暖和空調年耗電量之和應當小于參照建筑的采暖和空調年耗電量之和才能得出設計建筑符合節能設計要求的結論。

節能計算中提到的參考建筑是進行圍護結構節能動態計算時的假想建筑，其應滿足下述條件：

（1）參照建筑的建筑形狀、大小和朝向均應與所設計建筑完全相同；

（2）當設計建筑體形系數超標時，應按同一比例將參照建筑屋面、外墻分為傳熱與絕熱兩部分，參照建筑外圍護傳熱面積之和除以體積等于規定體形系數限值。參照建筑各朝向和屋頂的開窗面積應與所設計建筑完全相同；但當所設計建筑某個朝向的窗面積超過規范規定時，參照建筑該朝向的窗面積應減小到符合規范的規定（例如，北≤0.35，東、西≤0.25，南≤0.5）

本文主要是分析窗墻比與建筑能耗之間的關系，而在夏熱冬冷地區，南向外窗的面積對建筑的整體能耗影響明顯，并且在住宅中南向窗的面積所占比例很大，考慮住宅建筑中南向立面作為整個建筑的主立面，是設計過程考慮的重點，因此通過簡化計算模型，僅以改變南向窗墻比數值的方式達到比對結果的目的。

2.2.1、簡化模型平面概況

簡化的住宅節能計算模型為矩形，由開間為3.3米，進深為7.2米的7個單元組合成的南北向平面，層高為3米，共計10層，具體平面詳見下圖1。

2.2.2、外圍護結構設置

本文僅分析不同南向窗墻比情況下，同一住宅建筑模型的能耗，因此除了南向窗墻比不同外，其余與節能計算（能耗）相關的參數設置均統一，具體設置如下：

（1）建筑概況：

城市：上海（北緯=31.00°，東經=121.00°）；氣候分區：夏熱冬冷地區（Ⅲ區）；建筑結構類型：框架結構（含框剪）；體形系數：0.40；節能計算建筑面積（地上）：1645.72 （外輪廓線） m2；建筑體積（地上）：4937.17 m3； 節能計算總建筑面積：1645.72 （外輪廓線） m2； 建筑總體積：4937.17 m3；建筑表面積：1981.63（外輪廓線） m2；建筑層數：10 ；建筑物高度：30.00 m；

（2）外圍護結構設置：

屋面類型（自上而下）：水泥砂漿（40.0mm）+泡沫玻璃（70.0mm）+輕集料混凝土澆搗（屋面找坡）（30.0mm）+鋼筋混凝土（120.0mm）+混合砂漿（20.0mm）

外墻類型（自外至內）（默認外墻）：水泥砂漿（5.0mm）+半硬質玻璃棉板（30.0mm）+加氣混凝土砌塊（B07級）（240.0mm）+石灰水泥砂漿（20.0mm）

分戶樓板：水泥砂漿（40.0mm）+鋼筋混凝土（120.0mm）+混合砂漿（20.0mm）

外窗（含陽臺門透明部分）：隔熱金屬型材多腔密封窗框K≤5.0[W/（m2K）]，框面積≤20%，（6mm透明+12空氣+6mm透明），傳熱系數3.20W/m2.K，玻璃遮陽系數0.86，窗框系數0.75，氣密性為6級，可見光透射比0.71.

2.3、不同南向窗墻比建筑模型的節能計算及分析

2.2.1、模型節能計算

通過調整每個單元南向窗戶的不同尺寸，以達到改變窗墻比的目的，同時為了更好的比較窗墻比遞減比例與能耗變化的關系，設置十種不同窗墻比的模型進行節能計算，十種模型窗墻比的遞減值約為0.07，通過PKPM節能計算軟件，可以得出十種不同窗墻比建筑模型的具體計算結果，詳見下述表格1：

表格1

2.2.2、數據分析

根據上述表格的計算數據，可以建立如下數據圖表，更為直觀的反應不同數據之間的關系：

圖2設計建筑能耗與窗墻比

圖3 參考建筑能耗與窗墻比

圖4 能耗差與窗墻比

從圖2“設計建筑能耗與窗墻比”中可以看出，隨著窗墻比的增加，空調總能耗逐步增加，而采暖能耗卻逐步遞減，建筑實際總能能耗逐步增加，二者關系基本呈現線性比例關系；

從圖3“參考建筑能耗與窗墻比”中可以看出，隨著窗墻比的增加，參考建筑的空調能耗和采暖能耗變化平緩，當窗墻比超過規范限值（0.5）的要求時，根據節能計算的規定，參考建筑仍按照規范要求的窗墻比限值進行能耗計算，因此參考建筑能耗不變；

從圖4“能耗差與窗墻比”中可以看出，隨著窗墻比的增加，建筑實際能耗與參考建筑的能耗差先是成曲線遞減，尤其是在窗墻比小于0.3時，隨著窗墻比的遞增，能耗差的遞減比較緩慢，說明建筑節能效果較好，而當窗墻比超過規范限值0.5之后，能耗差下降速度明顯增快，程線性下降趨勢，說明雖然建筑依然滿足節能要求，但是建筑節能效果較差。

2.2.3、分析討論

南向開窗面積直接對室內采暖和空調的能耗產生影響，夏熱冬冷地區增加南向開窗面積可以減少冬季采暖能耗，但是相應的也會增加夏季空調能耗，而且增加的空調能耗大于減少的采暖能耗，因此建筑總能耗程上升趨勢。

建筑節能計算中的權衡計算即是通過比較設計建筑的總能耗是否小于參考建筑總能耗來判斷設計建筑是否符合節能設計要求，因此設計建筑與參考建筑的能耗差實際代表了整個建筑通過節能措施后的節能效果，能耗差越小，雖然滿足節能要求，但是節能效果較差，反之，說明節能效果較較好，即所采取的節能措施還有余量，可以通過降低圍護結構的熱工性能來優化整個建筑的能耗，既能滿足規范要求的節能目標，又能降低整個建筑的建設成本。

可見，窗墻比是影響建筑能耗的重要因素之一，在住宅設計過程中選擇合理的窗墻比對建筑節能以及控制建筑成本有著不可忽視的作用。

3、結論

在實際住宅設計中，實際建筑平面布置要比文中所建模型復雜，影響能耗的因素也不僅僅是外窗，還受體形系數及其他外圍護結構的熱工性能的影響，在住宅建筑設計除了通過控制其體型系數外，更主要通過控制外圍護結構的傳熱系數來減少圍護結構的傳熱損失，降低建筑能耗。而外窗的能耗在住宅建筑的圍護結構的整體能耗中占有約30%～50%，這是相當大的比例，因此，外窗作為耗能大戶，我們在設計過程中，在考慮采光通風、立面效果的同時，也應合理控制窗墻比，做到美化立面和節約建筑能耗及建設成本二者的平衡統一。