寒冷地區(qū)外窗熱工性能對(duì)建筑采暖空調(diào)負(fù)荷的影響

摘 要：【目的】通過(guò)研究外窗熱工性能對(duì)建筑采暖空調(diào)負(fù)荷的影響，得出各項(xiàng)外窗熱工性能參數(shù)對(duì)建筑節(jié)能效果的影響程度，有助于提升建筑的節(jié)能效果。【方法】利用DeST-h，建立寒冷地區(qū)（鄭州）75%節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)居住建筑基本模型，以太陽(yáng)得熱系數(shù)、窗墻比、外窗傳熱系數(shù)為變量進(jìn)行單因素影響計(jì)算，以窗墻比和太陽(yáng)得熱系數(shù)、建筑層數(shù)和太陽(yáng)得熱系數(shù)為變量進(jìn)行多因素分析，研究太陽(yáng)得熱系數(shù)、窗墻比、外窗傳熱系數(shù)對(duì)建筑采暖空調(diào)負(fù)荷的影響。【結(jié)果】結(jié)果表明，窗墻比、傳熱系數(shù)對(duì)建筑采暖空調(diào)負(fù)荷影響趨勢(shì)明顯，均呈正相關(guān)；太陽(yáng)得熱系數(shù)對(duì)建筑采暖空調(diào)負(fù)荷影響趨勢(shì)與建筑窗墻比、建筑層數(shù)有關(guān)。【結(jié)論】建筑外窗節(jié)能應(yīng)優(yōu)先考慮窗墻比、傳熱系數(shù)，同時(shí)在確定當(dāng)?shù)靥?yáng)得熱系數(shù)時(shí)應(yīng)兼顧窗墻比和建筑層數(shù)，以滿足更高的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)得熱系數(shù)；窗墻比；傳熱系數(shù)；建筑采暖空調(diào)負(fù)荷

中圖分類(lèi)號(hào)：TU83" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）11-0063-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.013

Analysis of the Influence of Thermal Performance of External Window on Building Heating Air Conditioning Load in Cold Area

LI Jie PAN Yuqin CHANG Jianguo

（Henan Provincial Academy of Building Research ， Zhengzhou 450053，China）

Abstract： [Purposes] By studying the impact of external window thermal performance on building heating air conditioning load， the degree of influence of various external window thermal performance parameters on building energy efficiency is obtained， which helps to improve building energy efficiency. [Methods] Using DeST-h， the basic model of 75% energy-saving standard residential building in cold area （Zhengzhou） was established， and the single factor influence calculation was carried out with solar heat gain coefficient， window-wall ratio and external window heat transfer coefficient as variables， and the effects of solar heating coefficient， ratio of window to wall and heat transfer coefficient of exterior windows on building heating air conditioning loads were studied by using multi-factor analysis. [Findings] The results showed that the influence of window-wall ratio and heat transfer coefficient on building heating air conditioning loads was obvious and positive correlation. The influence trend of solar heating coefficient on" heating and air conditioning loads was related to the window-wall ratio and storey the number of buildings. [Conclusions] In order to meet the higher energy-saving standard， the window-wall ratio and heat transfer coefficient should be given priority to the energy-saving of exterior windows， and the window-wall ratio and the number of buildings should be taken into account when determining the local solar heating coefficient.

Keywords： solar heat gain coefficient; area ratioof window to wall; heat transfer coefficient; building heating air conditioning load

0 引言

在“雙碳”目標(biāo)背景下，建筑能耗得到了廣泛關(guān)注。據(jù)測(cè)算，2021年建筑運(yùn)行總商品能耗占全國(guó)能源消費(fèi)總量的21%［1］，其中由外窗傳熱引起的能耗占建筑運(yùn)行能耗的30%以上，因此外窗節(jié)能性能的提升刻不容緩。影響建筑節(jié)能性能的外窗主要參數(shù)有太陽(yáng)得熱系數(shù)、窗墻比、傳熱系數(shù)。外墻傳熱系數(shù)是指在穩(wěn)態(tài)條件下，墻體內(nèi)外兩側(cè)空氣溫度差為1 K時(shí)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積傳遞的熱量［2］（W/m2·K）；外窗窗墻比是外窗洞口面積同向外立面面積的比值［2］，該值的大小直接影響建筑太陽(yáng)得熱，對(duì)建筑采暖空調(diào)負(fù)荷影響較大；太陽(yáng)得熱系數(shù)可反映透過(guò)玻璃的太陽(yáng)輻射熱量，對(duì)于全國(guó)大部分區(qū)域來(lái)說(shuō)，該值越低越好，而在寒冷地區(qū)，應(yīng)綜合考慮冬季得熱，太陽(yáng)得熱系數(shù)需要合理取值。現(xiàn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［3-5］僅對(duì)寒冷B區(qū)夏季東西方向外窗做了太陽(yáng)得熱系數(shù)限值規(guī)定，本研究對(duì)于外窗節(jié)能性能參數(shù)尤其是太陽(yáng)得熱系數(shù)的確定具有重要參考意義［6］。

1 模型建立

本研究以寒冷地區(qū)居住建筑為分析對(duì)象，采用DeST-h工具，建立居住建筑75%節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)［5］模型，分別以太陽(yáng)得熱系數(shù)、窗墻比、傳熱系數(shù)為變量，其他參數(shù)保持不變，進(jìn)行計(jì)算分析。

基礎(chǔ)模型參數(shù)分別設(shè)置：外墻傳熱系數(shù)為0.445 W/（m2·K），屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.298 W/（m2·K）。研究參數(shù)基準(zhǔn)：太陽(yáng)得熱系數(shù)為0.4，南北窗墻比設(shè)置為0.3，東西向無(wú)窗，外窗傳熱系數(shù)為2.2 W/（m2·K）。

室內(nèi)溫度設(shè)定：冬季為18 ℃、夏季為26 ℃。通風(fēng)換氣次數(shù)為0.5次/h。空調(diào)時(shí)間設(shè)置為6月1日—8月31日，采暖時(shí)間設(shè)置為11月15日—次年3月15日，周一至周五每日啟用時(shí)間為18：00—次日8：00，周六、周日全天開(kāi)啟。

鄭州市全年室外干球溫度和基準(zhǔn)模型室內(nèi)溫度由DeST-h導(dǎo)出數(shù)據(jù)繪制［7］，具體如圖1所示。冬季室內(nèi)外溫差遠(yuǎn)大于夏季。

2 計(jì)算分析

本研究通過(guò)對(duì)單因素、多因素進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，來(lái)全面研究外窗熱工性能參數(shù)對(duì)建筑采暖空調(diào)負(fù)荷的影響程度。在進(jìn)行單因素影響分析時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，選取5 m×4 m×3 m的建筑模型，項(xiàng)目地點(diǎn)選擇在鄭州市，南北朝向，建筑面積為20 m2。在進(jìn)行多因素影響分析時(shí)，以實(shí)際居住建筑模型為標(biāo)準(zhǔn)層，進(jìn)行窗墻比、太陽(yáng)得熱系數(shù)的設(shè)置及層數(shù)疊加。

2.1 單因素影響分析

通過(guò)單因素影響分析計(jì)算三種情形，可以得出太陽(yáng)得熱系數(shù)、窗墻比、外窗傳熱系數(shù)分別對(duì)建筑采暖空調(diào)負(fù)荷的影響。情形一：外窗傳熱系數(shù)設(shè)為定值2.2 W/（m2·K），東西向無(wú)窗，南北窗墻比設(shè)為定值0.3，太陽(yáng)得熱系數(shù)（圖表中以SHGC表示，下同）從0.1到0.8以步幅為0.1的變化進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算；情形二：太陽(yáng)得熱系數(shù)設(shè)為定值0.4，外窗傳熱系數(shù)設(shè)為定值2.2 W/（m2·K），東西向無(wú)窗，南北向窗墻比從0到0.9以步幅0.1的變化進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算；情形三：太陽(yáng)得熱系數(shù)設(shè)為定值0.4，東西向無(wú)窗，南北窗墻比設(shè)為定值0.3，外窗傳熱系數(shù)從2.2 W/（m2·K）到0.5 W/（m2·K）以步幅為0.1的變化進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1至表3及圖2。

計(jì)算數(shù)據(jù)顯示，外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)在0.1～0.8的范圍內(nèi)時(shí)，太陽(yáng)得熱系數(shù)每提高0.1，熱負(fù)荷平均減少5.94%，冷負(fù)荷平均增加24.42%，冷熱負(fù)荷之和平均減少0.56%，說(shuō)明太陽(yáng)得熱系數(shù)對(duì)冷負(fù)荷、計(jì)算數(shù)據(jù)顯示，外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)在0.1～0.8的范圍內(nèi)時(shí)，太陽(yáng)得熱系數(shù)每提高0.1，熱負(fù)荷平均減少5.94%，冷負(fù)荷平均增加24.42%，冷熱負(fù)荷之和平均減少0.56%，說(shuō)明太陽(yáng)得熱系數(shù)對(duì)冷負(fù)荷、熱負(fù)荷呈反方向相關(guān)，雙向作用之下，對(duì)冷熱負(fù)荷之和的影響變化不明顯。

窗墻比在0（無(wú)窗）～0.9的范圍內(nèi)時(shí)，窗墻比每下降0.1，熱負(fù)荷平均減少0.81%，冷負(fù)荷平均減少15.49%，冷熱負(fù)荷之和平均減少5.99%，說(shuō)明窗墻比對(duì)冷負(fù)荷、熱負(fù)荷影響方向相同。從節(jié)能角度出發(fā)，窗墻比越低，負(fù)荷越小，建筑能耗及建筑碳排放量越少。

外窗傳熱系數(shù)在0.5～2.2的范圍內(nèi)時(shí)，傳熱系數(shù)每下降0.1，熱負(fù)荷平均減少1.95%，冷負(fù)荷平均減少0.2%，冷熱負(fù)荷之和平均減少1.5%，說(shuō)明外窗傳熱系數(shù)對(duì)冷負(fù)荷、熱負(fù)荷影響方向相同，從節(jié)能角度出發(fā)，傳熱系數(shù)越低，負(fù)荷越小，建筑能耗及建筑碳排放量越少。

2.2 多因素影響分析

由上文分析可知，外窗窗墻比、外窗傳熱系數(shù)對(duì)于建筑冷負(fù)荷、熱負(fù)荷、冷熱負(fù)荷的影響均呈正相關(guān)，這與行業(yè)認(rèn)知一致；外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)對(duì)冷熱負(fù)荷之和的影響并不明顯，因此下文對(duì)該因素進(jìn)

行深入分析。本研究以窗墻比和太陽(yáng)得熱系數(shù)、建筑層數(shù)和太陽(yáng)得熱系數(shù)為兩組變量進(jìn)行多因素分析。

情形四：窗墻比從0.1到0.6以步幅為0.1的變化、太陽(yáng)得熱系數(shù)從0.1到0.8以步幅為0.1的變化，兩兩組合進(jìn)行48次計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4、圖3、圖4。計(jì)算數(shù)據(jù)顯示，隨著窗墻比的增大，建筑冬季熱負(fù)荷、冷負(fù)荷均隨太陽(yáng)得熱系數(shù)變化曲線逐漸變陡，說(shuō)明窗墻比越大，太陽(yáng)得熱系數(shù)對(duì)于建筑采暖空調(diào)負(fù)荷影響越大，因此在確定太陽(yáng)得熱系數(shù)時(shí)必須要考慮窗墻比。

情形五：建筑層數(shù)設(shè)4層、6層、18層、33層4組，太陽(yáng)得熱系數(shù)從0.1到0.8以步幅為0.1變化，兩兩組合進(jìn)行32次計(jì)算。結(jié)果見(jiàn)表5、圖5至圖7。由計(jì)算數(shù)據(jù)可知，不同建筑層數(shù)下兩列數(shù)據(jù)，左側(cè)為冬季熱負(fù)荷數(shù)值，右側(cè)為夏季冷負(fù)荷數(shù)值。同時(shí)，不同建筑層數(shù)的建筑采暖空調(diào)負(fù)荷隨太陽(yáng)得熱系數(shù)變化趨勢(shì)一致，對(duì)于同一樓層，隨著太陽(yáng)得熱系數(shù)的增加，建筑熱負(fù)荷隨之減小，建筑冷負(fù)荷隨之增大，建筑冷熱負(fù)荷隨之減小并趨于平穩(wěn)，但當(dāng)樓層大于等于18層時(shí)，建筑冷熱負(fù)荷在太陽(yáng)得熱系數(shù)為0.5時(shí)處于極低點(diǎn)，之后有上升趨勢(shì)，說(shuō)明太陽(yáng)得熱系數(shù)應(yīng)設(shè)置在0.5左右，可以使得建筑采暖空調(diào)負(fù)荷最低。

由表5可以看出，以太陽(yáng)得熱系數(shù)0.5為例，當(dāng)建筑層數(shù)在18層及以上時(shí)，建筑冷負(fù)荷大于冷負(fù)荷，因此即使在寒冷地區(qū)，也應(yīng)重視高層建筑的夏季防熱，以降低夏季冷負(fù)荷［8］。

3 結(jié)論

①外窗性能參數(shù)對(duì)于建筑采暖空調(diào)負(fù)荷影響程度不同：窗墻比對(duì)建筑采暖空調(diào)負(fù)荷影響程度最大，窗墻比每降低0.1，建筑采暖空調(diào)負(fù)荷平均減少5.99%；外窗傳熱系數(shù)對(duì)建筑采暖空調(diào)負(fù)荷影響程度為其次，傳熱系數(shù)每降低0.1，建筑采暖空調(diào)負(fù)荷平均減少1.5%；外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)對(duì)建筑采暖空調(diào)負(fù)荷影響程度最小，太陽(yáng)得熱系數(shù)每提高0.1，建筑采暖空調(diào)負(fù)荷平均減少0.56%。

②太陽(yáng)得熱系數(shù)對(duì)建筑采暖空調(diào)負(fù)荷的影響與建筑窗墻比、建筑層數(shù)有關(guān)。窗墻比越小，太陽(yáng)得熱系數(shù)對(duì)建筑采暖空調(diào)負(fù)荷影響越小；建筑層數(shù)越高，建筑采暖空調(diào)負(fù)荷隨太陽(yáng)得熱系數(shù)增大而下降的趨勢(shì)越不明顯，且在0.5時(shí)趨于平穩(wěn)（或緩慢上升），因此節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中南北向外窗太陽(yáng)得熱系數(shù)限值可以設(shè)為0.5，以滿足更高的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

③對(duì)于寒冷地區(qū)的高層建筑，太陽(yáng)得熱系數(shù)對(duì)夏季負(fù)荷的影響超出了對(duì)冬季采暖負(fù)荷的影響，因此在進(jìn)行外窗性能設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重視太陽(yáng)得熱系數(shù)的選取。同時(shí)，隨著節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高、節(jié)能工作不斷深入，建議在建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)重新審視太陽(yáng)得熱系數(shù)限值的確定。

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收稿日期：2023-09-18

基金項(xiàng)目：河南省重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目（221111320200）。

作者簡(jiǎn)介：李杰（1988—），女，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：建筑節(jié)能。