窗墻面積比對公共建筑能耗影響的數值模擬

張承旺

摘要：建立了綿陽某公共建筑的物理模型，運用DEST軟件模擬分析了不同朝向窗墻比對建筑能耗的影響，并將優化模型與基準模型的能耗狀況進行了對比分析，得出夏熱冬冷地區最優南向窗墻比應為0.4，北向窗墻比應為0.25。

關鍵詞：窗墻面積比；公共建筑；外窗，能耗

中圖分類號：TU834.5 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）05-0099-02

建筑圍護結構的熱過程在冬季和夏季存在很大的區別，在夏熱冬冷地區，圍護結構全年能耗應該對冬、夏兩季進行綜合考慮[1]。外窗能耗占到外圍護結構能耗的35%左右，已經成為住宅建筑圍護結構節能的重要節點[2]。目前，外窗面積呈現出逐漸增大而可開啟面積逐漸減小的趨勢，給建筑節能提出了嚴重挑戰[3]。本文基于四川省綿陽市氣候區的特性，應用DEST軟件模擬分析了外墻比對建筑能耗的影響，探尋全年累計能耗最低的窗墻比，提高其建筑節能的水平。

一、幾何模型及室內環境參數

1.幾何模型。本文以綿陽某公共建筑的大堂作為實體模型，南北朝向，大堂尺寸為32m×26m×9.8m，體形系數為0.22。其中，外墻的傳熱系數為0.53 w/m2.k；內墻的傳熱系數為0.76 w/m2.k；樓板的傳熱系數為1.5 w/m2.k；門的傳熱系數為0.763 w/m2.k；窗的傳熱系數為2.31w/m2.k，遮陽系數為0.7；屋頂的傳熱系數為0.53w/m2.k。大堂的幾何模型如圖1。

2.室內外環境參數設定。空調、燈光及設備的開啟時間為7：00—20：00，室內設計空調溫度為26℃，在沒有自然通風的情況下，換氣次數按0.5次/h設置，有自然通風的情況下，換氣次數按5次/h設置。人員密度為0.05m2/人，人體發熱量設定為64w/人，燈光發熱量設定為11w/m2，設備發熱量設置為511w/m2。

二、窗墻比對公共建筑能耗的影響

1.南向朝向的窗墻面積比對建筑能耗的影響。由圖2（a）可知，隨著南向朝向的窗墻面積比增大，供暖季的建筑熱負荷指標及年耗熱量呈線性降低趨勢，這與南向朝向在冬季受到的太陽輻射最大有關，并符合地球繞太陽運動的規律；由圖2（b）可知，空調季的建筑冷負荷指標及年耗冷量隨南向朝向的窗墻面積比增大而增大，這是由于在夏天窗戶的面積越大，受到的太陽熱輻射就越多，進行室內的外熱擾量也就越大有關，從而增加了空調冷負荷及耗冷量；建筑的年總負荷指標和年能耗的變化趨勢與空調季類似。南向朝向的窗墻面積比由0.1增加到0.9的過程中，采暖季熱負荷指標及年耗熱量分別減少了0.66w/m2和1.71kW.h/m2，空調季的建筑冷負荷指標及年耗冷量分別增加了3.11w/m2和2.40kW.h/m2，采暖空調季的建筑總負荷指標和年能耗依次升高了2.39w/m2和0.71kW.h/m2。

2.北向朝向的建筑窗墻面積比對建筑能耗的影響。由圖3（a）可以看出，供暖季熱負荷指標及年耗熱量隨北向朝向的窗墻面積增加略有增大，但是變化量很小；從圖3（b）可以發現，空調季冷負荷指標及年耗冷量隨北向朝向的窗墻面積比增大顯著增加，特別是冷負荷變化的速度非常快；從圖3（c）可以發現年總負荷指標及年能耗的變化趨勢與空調季的變化趨勢近似。當北向朝向的窗墻面積比從0.1升高到0.9時，供暖空調季總負荷指標及年能耗的增加量依次為7.70w/m2和3.35 kW.h/m2，空調季的建筑冷負荷指標及年耗冷量的增加量依次為6.71w/m2和3.01kW.h/m2，供暖季的建筑熱負荷指標及年耗熱量的增加量依次為1.11w/m2和0.42kW.h/m2。從而得出結論，北向朝向的窗墻面積比越小越節能。

3.優化模型與基準模型的能耗對比分析。基準模型（建筑的實際幾何模型）南向朝向的窗墻面積比為0.56，北向朝向的窗墻面積比為0.56。由于需要滿足采光及設計規范的要求，本優化模型（模擬結果優化）南向朝向的窗墻面積比的取值為0.4，北向朝向的窗墻面積比的取值為0.25。

從圖4的模擬結果可以發現，建筑的實際窗墻面積比大于優化模型的窗墻面積比，導致大量的太陽輻射熱量進入采暖室內，可以一定程度降低建筑的熱量損失，從而降低采暖負荷等指標。在夏季，由于窗戶的面積過大，導致太陽輻射熱進入室內，增加了室內的空調冷負荷，從而增加空調能耗。經過對比，優化模型的年耗冷量比建筑的實際窗墻面積比減小1.39 kw.h/m2，建筑冷負荷的節能率達到2.3%；但是建筑的年耗熱量多增加0.31 kw.h/m2，耗能率增加0.79%，總體來說，優化后的窗墻面積比比優化前更加節能。

三、結論

在夏熱冬冷地區的公共建筑，窗墻面積比對建筑的能耗有一定的影響，通過能耗分析及能耗對比，南向窗墻面積比為0.4，北向窗墻面積比為0.25時，建筑的能耗達到最優值。

參考文獻：

[1]王怡，劉加平，肖勇強.自然通風房間熱環境的耦合模擬計算方法[J].太陽能學報，2006，27（1）.

[2]閆成文，姚健，葉晶晶.夏熱冬冷地區外窗傳熱系數對建筑能耗的影響[J].重慶建筑大學學報，2008，30（6）.

[3]馬乾乾，付祥釗，劉剛.淺析外窗對建筑能耗及自然采光的影響建設科技[J].建設科技，2008，（18）.endprint