建筑窗墙比对于建筑耗冷量耗热量的影响

陈雷娟 刘春花

0 引言

窗户是建筑的重要组成部分,也是建筑保温中最薄弱的环节,其长期使用能耗约占整个建筑长期使用能耗的 50%,因此窗户的保温性能日益受到人们广泛关注。在建设节约型社会的今天,做好窗户的隔热保温是改善室内热舒适性、实现节能的关键环节之一。

近年来居住建筑的窗墙比有越来越大的趋势,这是因为商品住宅的购买者大部分希望自己的住宅更加通透明亮。考虑到临街建筑立面美观的需要,窗墙比超过国家标准规定值是允许的,但当窗墙比超过规定值时,应首先考虑减小窗户(含阳台透明部分)的传热系数,如采用单框双玻璃或中空玻璃窗,并加强夏季活动遮阳,其次可考虑减小外墙的传热系数。

窗墙比一般是指外窗户洞口面积与房间立面单元面积之比值。显然,同一建筑、不同朝向的外墙,其窗墙比可能是完全不同的;不同的建筑,其窗墙比可能存在较大的差异。窗墙比越大,建筑的自然采光效果越好,通透感越强,现代感越强。因此,现代建筑有向大窗墙比方向发展之势。然而,随着窗墙比的增大,建筑总体能耗会随之增加。

现行节能标准对不同朝向外墙的窗墙比有不同的限值,以降低建筑总体的能耗。为了弄清窗墙比对建筑能耗的影响规律,本文就舟山市某多层住宅建筑为例进行研究。

1 DeST软件结构和模块介绍

DeST是由清华大学建筑学院建筑技术科学系建筑环境与设备研究所综合 10余年科研成果的结晶,开发出了用于建筑热环境设计模拟分析的软件平台——建筑热环境设计模拟工具包(Designer's Simulation Toolkit,简称 DeST)。在 DeST的基础上,针对住宅建筑开发了DeST-h这样专用能耗模拟分析软件。DeST-h充分考虑了人的创造性和计算机强大的计算能力,并将两者有机地结合起来,在整个软件中贯穿了“全工况分析”和“分阶段模拟”的概念。

DeST的几个基本功能模块分别是:气象数据模块(Medpha),计算机辅助建筑描述模块(CABD),建筑分析模块(BAS)和建筑环境控制系统分析模块。

2 研究方法与假设

2.1 研究对象

研究对象是舟山市某小区三号楼多层居住建筑,朝向为南北向,地上共 5层,建筑标准层面积 4071.2m2,建筑层高 2.9m。

2.2 假设条件

在进行建筑耗冷量与耗热量负荷模拟分析时,把整个建筑作为模拟分析对象,所有外阳台和消防楼梯间不考虑耗冷与耗热,屋顶简化为平屋顶,假设其他楼层与标准层完全相同,所不同的是,由于本文主要研究窗墙比对于建筑耗冷量与耗热量的影响规律和对建筑采取相同改进措施时,不同窗墙比下的节能情况,假定全年空调供暖上限温度为 26℃,供暖下限温度为 18℃。因为仅考虑窗墙比变化的影响,则认为室内人员、设备、照明等内热、湿源均不变,同时不考虑门窗的空气渗透和新风的影响。

3 不同情况下的窗墙比对建筑的影响

3.1 全年负荷对建筑的影响

表1为给定窗墙比(东 0.1,西 0.2,南 0.45,北 0.35)下建筑全年负荷统计表,从表中可以看出,就全年来看,建筑累计耗冷量与耗热量都比较大,因此,我们就不同情况下窗墙比对建筑能耗的影响进行了研究。

表1 负荷统计表

3.2 不同窗墙比对建筑的影响

图1～图 4分别是南北向不同窗墙比(东西向窗墙比均为0.1)下建筑的全年最大冷、热负荷图和全年累计冷、热负荷图,从图中可以看出,当窗户材料不变的情况下,随着北向窗墙比的增加,全年最大热负荷与全年累计热负荷都会增加,但全年最大冷负荷与全年累计冷负荷则有减小趋势;

随着南向窗墙比的增大,全年最大冷热负荷与全年累计冷热负荷均出现上升趋势,当南向窗墙比超过 0.45时,全年累计冷热负荷出现了下降趋势,因此,考虑到节能问题我们应该把窗墙比控制在合适的范围内。

保持南北向窗墙比不变,同时改变东西向窗墙比,建筑耗冷量与耗热量会随窗墙比的增大而增大;当东西方向窗墙比不变,同时改变南北方向的窗墙比,它对建筑的耗冷量与耗热量随着窗户的朝向会有显著差异,北向窗户所在房间耗冷量与耗热量基本不变,但南向窗户所在房间耗冷量与耗热量则会随窗墙比的增大有明显的升高;只改变东向或西向窗墙比,建筑耗冷量与耗热量会随窗墙比的增大而增大,但变化不大;只改变南向或北向窗墙比,建筑耗冷量与耗热量会随窗墙比的增大而增大,且变化较明显,因此我们只列出南北向不同窗墙比下的耗冷量与耗热量的对照表。

3.3 不同窗墙比下不同窗户材料对建筑能耗的影响

在不同窗墙比下,改变几种窗户材料,从图 5,图 6中可以看出在相同窗墙比下塑钢材料与真空镀膜材料的窗户能耗要低于普通单玻和普通中空材料的窗户能耗,在不同窗墙比下普通中空玻璃的耗冷量与耗热量随空气夹层厚度的增大会减小,但变化不大,因此,在考虑建筑耗能的时候有必要考虑窗户材料对其的影响。

4 结语

按国家窗墙比的标准,东、西向窗墙比小于 0.25,窗户的热阻与窗户的结构及窗户窗框的材料种类及空气夹层厚度等因素有关。增大南北窗墙比和东西窗墙比这两个比值不利于空调建筑节能,因此应尽量控制窗墙比。

故在进行前期建筑设计时,在保证室内采光通风的前提下合理控制窗墙比是很重要的,一般北向不大于 0.45;南向不大于0.35;东西向不大于0.25。通过对不同窗墙比下建筑能耗的分析得出了以下几个结论:

1)对舟山市某小区三号楼多层居住建筑模型进行了简化,研究了不同朝向窗墙比与建筑耗热量和耗冷量的关系,发现窗墙比对建筑耗热量与耗冷量有一定影响,但总的来说影响不大。在窗户材料相同的条件下,窗墙比与建筑耗热量的关系基本呈线性变化。而且增大东西向和北向窗墙比对降低耗热量较为不利,即使是采用隔热性能较好的中空玻璃,增大北向窗墙比对耗热量的降低幅度也很小。

2)需要说明的是,本文仅讨论了各朝向不同的窗墙比对耗冷量与耗热量的影响,而其对冬、夏季空调能耗的影响是不同的,实际工程中应综合考虑冬、夏季的影响,从而降低全年的能耗。经分析模拟结果可知,尽量将窗户布置成南北朝向;夏热冬冷地区建筑的全年空调耗冷量与窗墙比呈线性关系,但耗热量与窗墙比的关系又与建筑所在地点有关。

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