浅谈窗户性能对校园建筑能耗的影响

胡晨曦 毛建西 马若篮

（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211100）

近年来，国内关于窗户热工性能对建筑能耗的影响做了大量的研究，但主要是基于无通风的研究。在自然通风的情况下，室内外之间的热交换不是通过窗户的散热，而是通过室内外空气的对流热交换。因此，本文选择典型的夏季冷热城市-南京，以南京工程学院公共教学组-南馆B 为研究对象，利用清华大学研究开发的DesT-C 软件分别分析在自然通风和无自然通风情况下窗户的传热系数和遮阳系数对建筑空调能耗的影响。

1 模拟模型与能耗数据分析

1.1 模型选取

本次模拟选取南京工程学院公共教学组团-南馆B 座为研究对象。南京工程学院新校区始建于2000年，学院大多数建筑于2002年建设完工，其中学海苑教学组团也是在此时交付使用，教学组团中的教室在之前的使用中都没有安装空调设备，是典型的自然通风教室。

1.2 参数设置

气象数据使用DesT-C 自带的典型气象年的逐时气象数据，本模拟过程采用了南京地区的气象数据。

根据教学楼的实际情况，设定模型的围护结构构造如下：

1） 屋面：20mm 水泥砂浆+200mm 多空混凝土+130mm钢筋混凝土+15mm 水泥砂浆。传热系数为0.812W/（m2·K）；2） 外墙：240mm 重砂浆黏土+10mm 纯石膏板+60mm 聚苯乙烯泡沫塑料+8mm 纯石膏板。传热系数为0.564W/（m2·K）；3）墙：20mm 水泥砂浆+180mm 陶粒混凝土+20m 水泥砂浆。传热系数为1.515W/（m2·K）；4） 楼板：25mm 水泥砂浆+80mm钢筋混凝土+20mm 水泥砂浆。传热系数为3.054W/（m2·K）。

考虑室内热源的影响，主要功能房间内热扰参数设定如表1 所示：

表1 主要房间内热扰参数设定

1.3 模拟方案

分别研究两种不同方案设定时，窗户的传热系数和遮阳系数对建筑空调能耗的影响情况：

1） 无自然通风方案，固定通风换气次数，按照《公共建筑节能设计标准》要求设为1 次/h；2） 自然通风方案，变通风换气次数，按标准设定为通风范围为1～20 次/h，计算时优先考虑利用自然通风，当自然通风换气次数在该范围内能满足室温要求，则不开启空调，否则空调开启，此时通风换气次数为1 次/h。

基于以上两种研究方案的条件，研究传热系数对空调能耗的影响时，保持传热系数K 为3w/（m2·x） 不变，设定遮阳系数SC 的取值范围为0.3～0.9，每隔0.1 取值一次；研究遮阳系数对空调能耗的影响时，保持遮阳系数SC 为0.6 不变，设定传热系数K 的取值范围为1-6w/（m2·x），每隔1w/（m2·x）取值一次。

空调控制温度范围设定为18～26℃，容忍温度范围设定为16～29℃，空调季起止日期为4月15日～10月15日，采暖季起止日期为11月15日～3月15日。空调采取每楼层一个系统的分区方式，采取间歇运行的模式，能耗比按标准取3.0。

1.4 模拟结果与分析

1） 窗户传热系数对空调能耗的影响

窗户传热系数对空调能耗的影响情况如图所示。

通过对模拟数据的分析可知：

①在没有通风的情况下，建筑的空调能耗随着传热系数的增大而减小。这是因为在夏季夜间，室内气温高于室外气温，窗户的传热方向从室内到室外，因此窗户的传热系数越小，室内通过窗户向室外的散热量就越小，夏季空调能耗就越大。通过分析比较在不同的情况下的室温可知，开空调的时刻大部分在晚上至凌晨，而在这个时段，室外温度相对于室内温度较低。此时传热系数越大，房间温度就越低，而虽然是在通风状态下房间温度仍高于空调设定的温度，因此当空调开启的时候，窗户的传热系数越大，建筑能耗就越大。

②在有自然通风的情况下，建筑的空调能耗随着传热系数的增大也是逐渐减小，但减小的幅度很小，两栋建筑最大空调能耗差值分别为2.98 (kW·h) /m2、0.46 (kW·h) /m2，几乎无影响。分析可知，窗户传热系数对建筑空调能耗的影响本来相对较小，而当窗户开启时，此时建筑物与外界热量交换时不是通过窗户散热而是通过自然通风对流换热。

③自然通风状态相对于无通风状态下，建筑空调能耗节能率约为50%。

2） 窗户遮阳系数对空调能耗的影响

窗户遮阳系数对空调能耗的影响情况如图所示。

通过模拟分析可知：

在无通风和自然通风情况下，建筑的空调能耗都随着窗户遮阳系数的增大而增大。这是因为在夏热冬冷地区的南京，太阳辐射强烈，窗户的遮阳系数越大，通过窗户的太阳辐射热量也越大，因而建筑的空调能耗也增大。而在自然通风的情况下，遮阳系数对建筑能耗的影响程度相较于无通风的情况下较小。自然通风状态相对于无通风状态下，建筑空调能耗节能率约为50%。

3） 窗户传热系数和遮阳系数同时改变时对建筑空调能耗的影响

考虑到实际情况下，窗户遮阳系数较小时，传热系数不会太大，还模拟了当传热系数和遮阳系数同时改变时建筑空调能耗在自然通风和无通风时的影响情况，模拟工况如表2所示。表中，工况1 对应于三层LOW-E 玻璃窗，工况3 对应于中空LOW-E 玻璃窗，工况4 对应于普通中空玻璃窗，工况7 对应于普通单层玻璃窗。其他参数设置以及模拟方案与上面一致，分别对两栋建筑进行模拟分析，模报结果如图3 所示。

表2 主要房间内热扰参数设定

通过模拟分析结果可知，当窗户传热系数和遮阳系数同时改变时，建筑的空调能耗变化趋势与遮阳系数的变化趋势一致。与上面模拟结果比较可知，在自然通风条件下，窗户的传热系数对建筑空调能耗几乎无影响。

2 结语

本文选取了夏热冬冷地区典型代表城市南京，针对南京工程学院公共教学组团-南馆B 座，利用DesT-C 模拟软件分别在自然通风和不通风情况下分析了窗户的传热系数和遮阳系数对建筑空调能耗的影响，得出结论：

1） 自然通风情况下，随着窗户传热系数的增大，建筑的空调能耗逐渐增加，但是增加的幅度很小，几乎无影响；2） 自然通风情况下，随窗户遮阳系数的增大，建筑能耗也逐渐增加，相较于无通风时对于建筑能耗的影响程度较小；3） 在节能窗的选取上，应更多地考虑遮阳系数并综合考虑地区的经济状况。本文只针对了南京市的一栋校园建筑，且在假定的通风换气次数下模拟自然通风情况来研究窗户和传热系数和遮阳系数对建筑空调能耗的影响，对于实际自然通风的情况需要进一步研究。