外窗熱工性能對(duì)住宅采暖及制冷能耗的影響分析
——以蘇州金茂府某住宅為例

劉 暢 北京金茂綠建科技有限公司

1 引言

隨著我國(guó)能源形勢(shì)日趨緊張，建筑領(lǐng)域的節(jié)能潛力收到越來越多的重視。以北京為代表城市，2012年開始執(zhí)行居住建筑75%[1]節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)JGJ 26—2018[2]也修編完成并于2019年8月1日起正式實(shí)施。新建居住建筑的設(shè)計(jì)方向，從節(jié)能建筑，發(fā)展為低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑、產(chǎn)能建筑[3]。根據(jù)居住建筑的能耗組成分析，圍護(hù)結(jié)構(gòu)中外墻、外窗、屋面等對(duì)能耗的影響程度是不同的[4]，也與項(xiàng)目所在的熱工分區(qū)相關(guān)。

對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)，外窗傳熱系數(shù)及遮陽系數(shù)對(duì)能耗的影響是非常顯著的。本文以蘇州金茂府某住宅樓為模型，通過能耗分析軟件DeST進(jìn)行建模，模擬不同外窗參數(shù)下，該建筑的能耗變化趨勢(shì)。同時(shí)，結(jié)合外窗的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合分析，提出一個(gè)熱工參數(shù)經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)，為同類型住宅建筑的設(shè)計(jì)提供參考。

2 模型建立

2.1 模型概況

圖1 DeST建模模型

2.2 模擬軟件介紹

能耗模擬采用DeST軟件。該軟件是一款模擬建筑物室內(nèi)熱濕環(huán)境和采暖通風(fēng)空調(diào)制冷系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的大型計(jì)算軟件，該軟件由我國(guó)自主研發(fā)，研發(fā)單位為清華大學(xué)。目前該能耗模擬軟件已經(jīng)在我國(guó)建筑節(jié)能領(lǐng)域展開了應(yīng)用，為方案階段及設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化提供了工具。

2.3 建筑信息

本文的研究對(duì)象為夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑，本類型建筑以中高層居多，因而模擬建筑選取本氣候區(qū)具有代表性的典型建筑。

選定建筑為蘇州金茂府的某商品住宅樓，地上26層，地下1層，層高3.0m，體形系數(shù)0.11，外墻K值0.85W/（m2·K），屋頂K值0.50W/（m2·K），總建筑面積14688m2，總高度82.65m。

3 能耗分析

對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)，集中式空調(diào)負(fù)荷以冷負(fù)荷為主，最大冷負(fù)荷大于最大熱負(fù)荷。因此，最大冷負(fù)荷直接決定了冷熱源系統(tǒng)設(shè)備選型。

通過以上的建筑模型，模擬不同遮陽系數(shù)對(duì)冷負(fù)荷的影響，其中外窗的傳熱系數(shù)統(tǒng)一設(shè)置為2.4W/（m2·K），遮陽系數(shù)SC從0.20～0.45，以0.05為步長(zhǎng)，每組熱工參數(shù)對(duì)應(yīng)的全年最大負(fù)荷、全年最大負(fù)荷指標(biāo)如圖2和圖3所示。

圖2 遮陽系數(shù)對(duì)全年最大負(fù)荷指標(biāo)的影響

圖3 遮陽系數(shù)對(duì)全年最大負(fù)荷的影響

其中，遮陽系數(shù)與全年最大負(fù)荷呈線性關(guān)系。在外窗傳熱系數(shù)K=2.4W/（m2·K）時(shí)，隨著遮陽系數(shù)的增加，冷負(fù)荷線性增加，SC值從0.20增加到0.45，最大冷負(fù)荷增加的比例是40.7%，而熱負(fù)荷的增加比例是7.8%。

為探究外窗的傳熱系數(shù)對(duì)負(fù)荷的影響，將SC值統(tǒng)一設(shè)置為0.30，K值從1.2W/（m2·K）增加至2.4W/（m2·K），變化步長(zhǎng)為0.2，模擬結(jié)果如下。

圖4 外窗傳熱系數(shù)K值對(duì)全年最大負(fù)荷指標(biāo)的影響

圖5 外窗傳熱系數(shù)K值對(duì)全年最大負(fù)荷的影響

根據(jù)圖4和圖5的模擬結(jié)果，外窗K值對(duì)熱負(fù)荷的影響較大，對(duì)冷負(fù)荷的影響相對(duì)較小。外窗K值從1.2W/（m2·K）變化為2.2W/（m2·K）時(shí)，全年最大熱負(fù)荷增加的比例是22.5%，全年最大冷負(fù)荷增加的比例是4.1%。

4 影響因素及經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，外窗的K值由2.4W/（m2·K）提升至1.2W/（m2·K），增量成本在800元/m2～1200元/m2左右，遮陽系數(shù)的降低主要依靠鍍Low-E膜等技術(shù)措施，遮陽系數(shù)從0.45降低至0.20，增量成本約300元/m2～600元/m2左右。

對(duì)于采用集中采暖與集中供冷的夏熱冬冷地區(qū)住宅，以外窗K=2.4W/（m2·K），SC=0.30為例，本建筑最大冷負(fù)荷259.5kW，最大熱負(fù)荷175.6kW，通過第三章的能耗分析，遮陽系數(shù)對(duì)冷負(fù)荷的節(jié)能潛力更大。建議夏熱冬冷地區(qū)，該類典型建筑，選擇遮陽系數(shù)較低的外窗產(chǎn)品，例如遮陽系數(shù)接近0.2。實(shí)現(xiàn)較低的遮陽系數(shù)，除了從外窗產(chǎn)品本身出發(fā)，也可以結(jié)合不同的外遮陽形式實(shí)現(xiàn)，而且從各地居住建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求來看，大部分熱工分區(qū)對(duì)東西向外遮陽都有強(qiáng)制性條文要求。此外，為同時(shí)兼顧采暖能耗，可適當(dāng)降低外窗傳熱系數(shù)，例如1.6W/（m2·K）～1.8W/（m2·K）。

5 結(jié)束語

通過能耗模擬軟件，分析外窗熱工性能對(duì)夏熱冬冷地區(qū)某住宅的能耗影響。其中，遮陽系數(shù)的影響較大，結(jié)合遮陽系數(shù)的經(jīng)濟(jì)性分析，可將進(jìn)一步降低外窗遮陽系數(shù)作為主要節(jié)能措施。同時(shí)，在滿足建筑立面效果及窗地比的條件下，盡量降低東西向外窗的窗墻比，可有效降低建筑夏季最大冷負(fù)荷。