窗墙面积比对公共建筑能耗影响的数值模拟

张承旺

摘要：建立了绵阳某公共建筑的物理模型，运用DEST软件模拟分析了不同朝向窗墙比对建筑能耗的影响，并将优化模型与基准模型的能耗状况进行了对比分析，得出夏热冬冷地区最优南向窗墙比应为0.4，北向窗墙比应为0.25。

关键词：窗墙面积比；公共建筑；外窗，能耗

中图分类号：TU834.5 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）05-0099-02

建筑围护结构的热过程在冬季和夏季存在很大的区别，在夏热冬冷地区，围护结构全年能耗应该对冬、夏两季进行综合考虑[1]。外窗能耗占到外围护结构能耗的35%左右，已经成为住宅建筑围护结构节能的重要节点[2]。目前，外窗面积呈现出逐渐增大而可开启面积逐渐减小的趋势，给建筑节能提出了严重挑战[3]。本文基于四川省绵阳市气候区的特性，应用DEST软件模拟分析了外墙比对建筑能耗的影响，探寻全年累计能耗最低的窗墙比，提高其建筑节能的水平。

一、几何模型及室内环境参数

1.几何模型。本文以绵阳某公共建筑的大堂作为实体模型，南北朝向，大堂尺寸为32m×26m×9.8m，体形系数为0.22。其中，外墙的传热系数为0.53 w/m2.k；内墙的传热系数为0.76 w/m2.k；楼板的传热系数为1.5 w/m2.k；门的传热系数为0.763 w/m2.k；窗的传热系数为2.31w/m2.k，遮阳系数为0.7；屋顶的传热系数为0.53w/m2.k。大堂的几何模型如图1。

2.室内外环境参数设定。空调、灯光及设备的开启时间为7：00—20：00，室内设计空调温度为26℃，在没有自然通风的情况下，换气次数按0.5次/h设置，有自然通风的情况下，换气次数按5次/h设置。人员密度为0.05m2/人，人体发热量设定为64w/人，灯光发热量设定为11w/m2，设备发热量设置为511w/m2。

二、窗墙比对公共建筑能耗的影响

1.南向朝向的窗墙面积比对建筑能耗的影响。由图2（a）可知，随着南向朝向的窗墙面积比增大，供暖季的建筑热负荷指标及年耗热量呈线性降低趋势，这与南向朝向在冬季受到的太阳辐射最大有关，并符合地球绕太阳运动的规律；由图2（b）可知，空调季的建筑冷负荷指标及年耗冷量随南向朝向的窗墙面积比增大而增大，这是由于在夏天窗户的面积越大，受到的太阳热辐射就越多，进行室内的外热扰量也就越大有关，从而增加了空调冷负荷及耗冷量；建筑的年总负荷指标和年能耗的变化趋势与空调季类似。南向朝向的窗墙面积比由0.1增加到0.9的过程中，采暖季热负荷指标及年耗热量分别减少了0.66w/m2和1.71kW.h/m2，空调季的建筑冷负荷指标及年耗冷量分别增加了3.11w/m2和2.40kW.h/m2，采暖空调季的建筑总负荷指标和年能耗依次升高了2.39w/m2和0.71kW.h/m2。

2.北向朝向的建筑窗墙面积比对建筑能耗的影响。由图3（a）可以看出，供暖季热负荷指标及年耗热量随北向朝向的窗墙面积增加略有增大，但是变化量很小；从图3（b）可以发现，空调季冷负荷指标及年耗冷量随北向朝向的窗墙面积比增大显著增加，特别是冷负荷变化的速度非常快；从图3（c）可以发现年总负荷指标及年能耗的变化趋势与空调季的变化趋势近似。当北向朝向的窗墙面积比从0.1升高到0.9时，供暖空调季总负荷指标及年能耗的增加量依次为7.70w/m2和3.35 kW.h/m2，空调季的建筑冷负荷指标及年耗冷量的增加量依次为6.71w/m2和3.01kW.h/m2，供暖季的建筑热负荷指标及年耗热量的增加量依次为1.11w/m2和0.42kW.h/m2。从而得出结论，北向朝向的窗墙面积比越小越节能。

3.优化模型与基准模型的能耗对比分析。基准模型（建筑的实际几何模型）南向朝向的窗墙面积比为0.56，北向朝向的窗墙面积比为0.56。由于需要满足采光及设计规范的要求，本优化模型（模拟结果优化）南向朝向的窗墙面积比的取值为0.4，北向朝向的窗墙面积比的取值为0.25。

从图4的模拟结果可以发现，建筑的实际窗墙面积比大于优化模型的窗墙面积比，导致大量的太阳辐射热量进入采暖室内，可以一定程度降低建筑的热量损失，从而降低采暖负荷等指标。在夏季，由于窗户的面积过大，导致太阳辐射热进入室内，增加了室内的空调冷负荷，从而增加空调能耗。经过对比，优化模型的年耗冷量比建筑的实际窗墙面积比减小1.39 kw.h/m2，建筑冷负荷的节能率达到2.3%；但是建筑的年耗热量多增加0.31 kw.h/m2，耗能率增加0.79%，总体来说，优化后的窗墙面积比比优化前更加节能。

三、结论

在夏热冬冷地区的公共建筑，窗墙面积比对建筑的能耗有一定的影响，通过能耗分析及能耗对比，南向窗墙面积比为0.4，北向窗墙面积比为0.25时，建筑的能耗达到最优值。

参考文献：

[1]王怡，刘加平，肖勇强.自然通风房间热环境的耦合模拟计算方法[J].太阳能学报，2006，27（1）.

[2]闫成文，姚健，叶晶晶.夏热冬冷地区外窗传热系数对建筑能耗的影响[J].重庆建筑大学学报，2008，30（6）.

[3]马乾乾，付祥钊，刘刚.浅析外窗对建筑能耗及自然采光的影响建设科技[J].建设科技，2008，（18）.endprint