夏熱冬冷地區住宅外窗尺寸對建筑能耗的影響研究

廟詩詳 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

根據《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ134-2010）的規定，夏熱冬冷地區建筑外窗的節能應側重夏季隔熱，同時兼顧冬季保溫，建筑南向窗墻面積比不應大于0.40，東、西向窗墻面積比不應大于0.30。從標準條文規定中可知，被動式節能設計要求建筑窗墻比控制在一定區間內，當固定窗墻比時，開展外窗保溫、隔熱、采光、通風等復合優化設計，是建筑節能性能化、精細化設計的必然要求。

關于夏熱冬冷地區居住建筑外窗性能對建筑能耗的影響，已有文獻利用動態模擬計算方法，開展重慶地區居住建筑外窗傳熱系數、窗墻面積比等方面研究，研究結果表明：外窗傳熱系數越大對建筑供暖能耗影響比空調能耗的影響作用顯著；西向外窗傳熱系數對建筑能耗影響最大，南向影響最小。建筑窗墻比在0.1～0.4時，建筑能耗的變化率較大；窗墻比在0.4～0.9時，建筑能耗的變化率較小，建筑西向窗墻比對建筑能耗影響作用最大，東向窗墻比對建筑能耗影響作用最小。

為改善夏熱冬冷地區住宅室內居住環境質量并推動建筑節能工作發展，本文以合肥某高層住宅為代表的夏熱冬冷氣候區典型建筑為研究對象，對高層住宅的窗洞尺寸與建筑能耗的影響展開研究。高層建筑中，當窗洞面積過小時，會造成自然采光采暖不足，影響舒適性的同時增加人工照明和供暖能耗；而當窗洞面積過大時，又會嚴重降低高層建筑的節能效果。因此，探究住宅建筑外窗尺寸控制與夏熱冬冷地區住戶需求、建筑能耗之間影響關系，對于住宅建筑節能設計具有重要意義。

1 模擬軟件介紹

PBECA建筑節能設計分析軟件是目前市場最為常見的一款節能計算軟件，該如今以DOE-2為計算核心，能幫助設計師精煉每一步節能設計，具有更快的模型處理速度和更高精確性更強的分析功能，為建筑節能設計起到推動作用，同時節省大量時間。軟件可按選定的節能標準對居住建筑和公共建筑節能進行節能分析——計算建筑物的各種能耗；檢查建筑物的規定性指標是否滿足標準要求；檢查未通過規定性指標的建筑物的性能性指標；輸出建筑圍護結構供暖空調負荷及能耗，判定建筑物是否節能。

2 研究項目概況

本研究選取合肥地區某高層住宅作為分析對象，該項目地上建筑層數為33層，地上建筑面積為21278.53m，建筑外表面積為16706.25m，體形系數為0.25。建筑外墻平均傳熱系數K為0.98（W/m·K），外窗傳熱系數均為2.20W/m·K。住宅標準層戶型兩梯三戶組合，建筑平面布局方正，南北通透，室內功能分區合理。建筑標準層平面布局和建筑節能模型如圖1、圖2所示。

圖1 住宅標準層平面圖

圖2 建筑節能模型圖

建筑南立面實際窗墻比為0.45，北立面實際窗墻比為0.23，東西向建筑外窗面積可忽略不計，建筑各向外窗窗墻比見表1。

建筑各朝向窗墻比匯總表 表1

3 研究工況設置

為保證軟件能夠輸出能耗數據，假設所有外窗均采用斷熱鋁合金內置百葉中空玻璃，其傳熱系數調整為2.0W/m·K，遮陽系數為0.17，其余與建筑圍護結構參數均保持不變，以此為基準建筑。在上述設置條件不變的前提下，對現有外窗尺寸基礎上從高度和寬度分別進行調整，每次調整幅度±100mm，最后根據調整后建筑能耗量與基準建筑的能耗變化量進行分析。模擬工況如表2所示。

模擬工況設計 表2

4 模擬結果分析

由圖3和圖4可知，當建筑外窗尺寸在基準建筑外窗高度基礎上由100mm～500mm變化時，工況1條件下建筑能耗相比基準建筑能耗由1300kW·h增加到6495kW·h，工況2條件下建筑能耗相比基準建筑能耗由867kW·h增加到4113kW·h。當建筑外窗尺寸在現有高度基礎上由-500mm～-100mm變化時，工況1條件下建筑節能量相比基準建筑由1298kW·h提高到6493kW·h，工況2條件下建筑節能量相比基準建筑由865kW·h提高到3896kW·h。由建筑能耗變化趨勢來看，南向外窗相比北向外窗高度變化對建筑能耗影響作用較大，節能優化設計時可優先進行北向外窗尺寸優化設計。

圖3 工況1建筑能耗模擬結果

圖4 工況2建筑能耗模擬結果

由圖5和圖6可知，當建筑外窗尺寸在基準建筑外窗寬度基礎上由100mm～300mm變化時，工況3條件下建筑能耗相比基準建筑能耗由1083kW·h增加到3464kW·h，工況4條件下建筑能耗相比基準建筑能耗由1083kW·h增加到2814kW·h。當外窗尺寸在基準建筑外窗寬度基礎上由-300mm～-100mm變化時，南向外窗調整的建筑節能量相比基準建筑由1082kW·h提高到3463kW·h，北向外窗調整的建筑節能量相比基準建筑由865kW·h提高到2381kW·h。根據建筑能耗變化趨勢進行分析，在建筑南向外窗、北向外窗同時增加100mm時，建筑能耗變化量一致，超出此范圍，南向外窗相比北向外窗寬度變化對建筑能耗影響作用較大。

圖5 工況3建筑能耗模擬結果

圖6 工況4建筑能耗模擬結果

由圖7可知，一是建筑窗墻比與建筑能耗量正相關；二是建筑南向外窗高度變化相比南向外窗寬度變化，對建筑能耗影響作用明顯，但建筑北向外窗寬度與高度尺寸變化對建筑能耗影響作用與之相反。通過南向、北向外窗尺寸變化對應的能耗量變化，可總結出影響建筑能耗的影響因素排名，南向外窗高度＞南向外窗寬度＞北向外窗寬度＞北向外窗高度。

圖7 南向、北向外窗高度與寬度變化對建筑能耗影響對比結果

5 結論與建議

通過以上研究發現不同方向建筑外窗尺寸變化對建筑能耗影響如下：一是南向外窗相比北向外窗高度變化對建筑能耗影響作用較大；二是建筑南向外窗高度上尺寸變化相比南向外窗寬度變化，對建筑能耗影響作用明顯；三是建筑北向外窗寬度與高度尺寸變化對建筑能耗影響作用與南向外窗尺寸變化影響規律相反。建筑設計師在建筑節能方案設計時，考慮夏熱冬冷地區住戶對自然采光和通風的需求，優先增加北向外窗高度，其次可適當加大北向外窗寬度，既能最大限度控制能耗增長，又能實現住戶對戶內通透明亮環境要求。

本文僅考慮外窗尺寸對建筑供暖空調能耗的影響，下一步研究方向可結合采光、通風效果改善帶來的節能效益以及成本造價進行綜合分析，探索更加合理的外窗節能設計方案。