淺談窗戶性能對校園建筑能耗的影響

胡晨曦 毛建西 馬若籃

（南京工程學院建筑工程學院，江蘇 南京 211100）

近年來，國內關于窗戶熱工性能對建筑能耗的影響做了大量的研究，但主要是基于無通風的研究。在自然通風的情況下，室內外之間的熱交換不是通過窗戶的散熱，而是通過室內外空氣的對流熱交換。因此，本文選擇典型的夏季冷熱城市-南京，以南京工程學院公共教學組-南館B 為研究對象，利用清華大學研究開發的DesT-C 軟件分別分析在自然通風和無自然通風情況下窗戶的傳熱系數和遮陽系數對建筑空調能耗的影響。

1 模擬模型與能耗數據分析

1.1 模型選取

本次模擬選取南京工程學院公共教學組團-南館B 座為研究對象。南京工程學院新校區始建于2000年，學院大多數建筑于2002年建設完工，其中學海苑教學組團也是在此時交付使用，教學組團中的教室在之前的使用中都沒有安裝空調設備，是典型的自然通風教室。

1.2 參數設置

氣象數據使用DesT-C 自帶的典型氣象年的逐時氣象數據，本模擬過程采用了南京地區的氣象數據。

根據教學樓的實際情況，設定模型的圍護結構構造如下：

1） 屋面：20mm 水泥砂漿+200mm 多空混凝土+130mm鋼筋混凝土+15mm 水泥砂漿。傳熱系數為0.812W/（m2·K）；2） 外墻：240mm 重砂漿黏土+10mm 純石膏板+60mm 聚苯乙烯泡沫塑料+8mm 純石膏板。傳熱系數為0.564W/（m2·K）；3）墻：20mm 水泥砂漿+180mm 陶粒混凝土+20m 水泥砂漿。傳熱系數為1.515W/（m2·K）；4） 樓板：25mm 水泥砂漿+80mm鋼筋混凝土+20mm 水泥砂漿。傳熱系數為3.054W/（m2·K）。

考慮室內熱源的影響，主要功能房間內熱擾參數設定如表1 所示：

表1 主要房間內熱擾參數設定

1.3 模擬方案

分別研究兩種不同方案設定時，窗戶的傳熱系數和遮陽系數對建筑空調能耗的影響情況：

1） 無自然通風方案，固定通風換氣次數，按照《公共建筑節能設計標準》要求設為1 次/h；2） 自然通風方案，變通風換氣次數，按標準設定為通風范圍為1～20 次/h，計算時優先考慮利用自然通風，當自然通風換氣次數在該范圍內能滿足室溫要求，則不開啟空調，否則空調開啟，此時通風換氣次數為1 次/h。

基于以上兩種研究方案的條件，研究傳熱系數對空調能耗的影響時，保持傳熱系數K 為3w/（m2·x） 不變，設定遮陽系數SC 的取值范圍為0.3～0.9，每隔0.1 取值一次；研究遮陽系數對空調能耗的影響時，保持遮陽系數SC 為0.6 不變，設定傳熱系數K 的取值范圍為1-6w/（m2·x），每隔1w/（m2·x）取值一次。

空調控制溫度范圍設定為18～26℃，容忍溫度范圍設定為16～29℃，空調季起止日期為4月15日～10月15日，采暖季起止日期為11月15日～3月15日。空調采取每樓層一個系統的分區方式，采取間歇運行的模式，能耗比按標準取3.0。

1.4 模擬結果與分析

1） 窗戶傳熱系數對空調能耗的影響

窗戶傳熱系數對空調能耗的影響情況如圖所示。

通過對模擬數據的分析可知：

①在沒有通風的情況下，建筑的空調能耗隨著傳熱系數的增大而減小。這是因為在夏季夜間，室內氣溫高于室外氣溫，窗戶的傳熱方向從室內到室外，因此窗戶的傳熱系數越小，室內通過窗戶向室外的散熱量就越小，夏季空調能耗就越大。通過分析比較在不同的情況下的室溫可知，開空調的時刻大部分在晚上至凌晨，而在這個時段，室外溫度相對于室內溫度較低。此時傳熱系數越大，房間溫度就越低，而雖然是在通風狀態下房間溫度仍高于空調設定的溫度，因此當空調開啟的時候，窗戶的傳熱系數越大，建筑能耗就越大。

②在有自然通風的情況下，建筑的空調能耗隨著傳熱系數的增大也是逐漸減小，但減小的幅度很小，兩棟建筑最大空調能耗差值分別為2.98 (kW·h) /m2、0.46 (kW·h) /m2，幾乎無影響。分析可知，窗戶傳熱系數對建筑空調能耗的影響本來相對較小，而當窗戶開啟時，此時建筑物與外界熱量交換時不是通過窗戶散熱而是通過自然通風對流換熱。

③自然通風狀態相對于無通風狀態下，建筑空調能耗節能率約為50%。

2） 窗戶遮陽系數對空調能耗的影響

窗戶遮陽系數對空調能耗的影響情況如圖所示。

通過模擬分析可知：

在無通風和自然通風情況下，建筑的空調能耗都隨著窗戶遮陽系數的增大而增大。這是因為在夏熱冬冷地區的南京，太陽輻射強烈，窗戶的遮陽系數越大，通過窗戶的太陽輻射熱量也越大，因而建筑的空調能耗也增大。而在自然通風的情況下，遮陽系數對建筑能耗的影響程度相較于無通風的情況下較小。自然通風狀態相對于無通風狀態下，建筑空調能耗節能率約為50%。

3） 窗戶傳熱系數和遮陽系數同時改變時對建筑空調能耗的影響

考慮到實際情況下，窗戶遮陽系數較小時，傳熱系數不會太大，還模擬了當傳熱系數和遮陽系數同時改變時建筑空調能耗在自然通風和無通風時的影響情況，模擬工況如表2所示。表中，工況1 對應于三層LOW-E 玻璃窗，工況3 對應于中空LOW-E 玻璃窗，工況4 對應于普通中空玻璃窗，工況7 對應于普通單層玻璃窗。其他參數設置以及模擬方案與上面一致，分別對兩棟建筑進行模擬分析，模報結果如圖3 所示。

表2 主要房間內熱擾參數設定

通過模擬分析結果可知，當窗戶傳熱系數和遮陽系數同時改變時，建筑的空調能耗變化趨勢與遮陽系數的變化趨勢一致。與上面模擬結果比較可知，在自然通風條件下，窗戶的傳熱系數對建筑空調能耗幾乎無影響。

2 結語

本文選取了夏熱冬冷地區典型代表城市南京，針對南京工程學院公共教學組團-南館B 座，利用DesT-C 模擬軟件分別在自然通風和不通風情況下分析了窗戶的傳熱系數和遮陽系數對建筑空調能耗的影響，得出結論：

1） 自然通風情況下，隨著窗戶傳熱系數的增大，建筑的空調能耗逐漸增加，但是增加的幅度很小，幾乎無影響；2） 自然通風情況下，隨窗戶遮陽系數的增大，建筑能耗也逐漸增加，相較于無通風時對于建筑能耗的影響程度較小；3） 在節能窗的選取上，應更多地考慮遮陽系數并綜合考慮地區的經濟狀況。本文只針對了南京市的一棟校園建筑，且在假定的通風換氣次數下模擬自然通風情況來研究窗戶和傳熱系數和遮陽系數對建筑空調能耗的影響，對于實際自然通風的情況需要進一步研究。