夏热冬冷地区住宅外窗尺寸对建筑能耗的影响研究

庙诗详 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ134-2010）的规定，夏热冬冷地区建筑外窗的节能应侧重夏季隔热，同时兼顾冬季保温，建筑南向窗墙面积比不应大于0.40，东、西向窗墙面积比不应大于0.30。从标准条文规定中可知，被动式节能设计要求建筑窗墙比控制在一定区间内，当固定窗墙比时，开展外窗保温、隔热、采光、通风等复合优化设计，是建筑节能性能化、精细化设计的必然要求。

关于夏热冬冷地区居住建筑外窗性能对建筑能耗的影响，已有文献利用动态模拟计算方法，开展重庆地区居住建筑外窗传热系数、窗墙面积比等方面研究，研究结果表明：外窗传热系数越大对建筑供暖能耗影响比空调能耗的影响作用显著；西向外窗传热系数对建筑能耗影响最大，南向影响最小。建筑窗墙比在0.1～0.4时，建筑能耗的变化率较大；窗墙比在0.4～0.9时，建筑能耗的变化率较小，建筑西向窗墙比对建筑能耗影响作用最大，东向窗墙比对建筑能耗影响作用最小。

为改善夏热冬冷地区住宅室内居住环境质量并推动建筑节能工作发展，本文以合肥某高层住宅为代表的夏热冬冷气候区典型建筑为研究对象，对高层住宅的窗洞尺寸与建筑能耗的影响展开研究。高层建筑中，当窗洞面积过小时，会造成自然采光采暖不足，影响舒适性的同时增加人工照明和供暖能耗；而当窗洞面积过大时，又会严重降低高层建筑的节能效果。因此，探究住宅建筑外窗尺寸控制与夏热冬冷地区住户需求、建筑能耗之间影响关系，对于住宅建筑节能设计具有重要意义。

1 模拟软件介绍

PBECA建筑节能设计分析软件是目前市场最为常见的一款节能计算软件，该如今以DOE-2为计算核心，能帮助设计师精炼每一步节能设计，具有更快的模型处理速度和更高精确性更强的分析功能，为建筑节能设计起到推动作用，同时节省大量时间。软件可按选定的节能标准对居住建筑和公共建筑节能进行节能分析——计算建筑物的各种能耗；检查建筑物的规定性指标是否满足标准要求；检查未通过规定性指标的建筑物的性能性指标；输出建筑围护结构供暖空调负荷及能耗，判定建筑物是否节能。

2 研究项目概况

本研究选取合肥地区某高层住宅作为分析对象，该项目地上建筑层数为33层，地上建筑面积为21278.53m，建筑外表面积为16706.25m，体形系数为0.25。建筑外墙平均传热系数K为0.98（W/m·K），外窗传热系数均为2.20W/m·K。住宅标准层户型两梯三户组合，建筑平面布局方正，南北通透，室内功能分区合理。建筑标准层平面布局和建筑节能模型如图1、图2所示。

图1 住宅标准层平面图

图2 建筑节能模型图

建筑南立面实际窗墙比为0.45，北立面实际窗墙比为0.23，东西向建筑外窗面积可忽略不计，建筑各向外窗窗墙比见表1。

建筑各朝向窗墙比汇总表 表1

3 研究工况设置

为保证软件能够输出能耗数据，假设所有外窗均采用断热铝合金内置百叶中空玻璃，其传热系数调整为2.0W/m·K，遮阳系数为0.17，其余与建筑围护结构参数均保持不变，以此为基准建筑。在上述设置条件不变的前提下，对现有外窗尺寸基础上从高度和宽度分别进行调整，每次调整幅度±100mm，最后根据调整后建筑能耗量与基准建筑的能耗变化量进行分析。模拟工况如表2所示。

模拟工况设计 表2

4 模拟结果分析

由图3和图4可知，当建筑外窗尺寸在基准建筑外窗高度基础上由100mm～500mm变化时，工况1条件下建筑能耗相比基准建筑能耗由1300kW·h增加到6495kW·h，工况2条件下建筑能耗相比基准建筑能耗由867kW·h增加到4113kW·h。当建筑外窗尺寸在现有高度基础上由-500mm～-100mm变化时，工况1条件下建筑节能量相比基准建筑由1298kW·h提高到6493kW·h，工况2条件下建筑节能量相比基准建筑由865kW·h提高到3896kW·h。由建筑能耗变化趋势来看，南向外窗相比北向外窗高度变化对建筑能耗影响作用较大，节能优化设计时可优先进行北向外窗尺寸优化设计。

图3 工况1建筑能耗模拟结果

图4 工况2建筑能耗模拟结果

由图5和图6可知，当建筑外窗尺寸在基准建筑外窗宽度基础上由100mm～300mm变化时，工况3条件下建筑能耗相比基准建筑能耗由1083kW·h增加到3464kW·h，工况4条件下建筑能耗相比基准建筑能耗由1083kW·h增加到2814kW·h。当外窗尺寸在基准建筑外窗宽度基础上由-300mm～-100mm变化时，南向外窗调整的建筑节能量相比基准建筑由1082kW·h提高到3463kW·h，北向外窗调整的建筑节能量相比基准建筑由865kW·h提高到2381kW·h。根据建筑能耗变化趋势进行分析，在建筑南向外窗、北向外窗同时增加100mm时，建筑能耗变化量一致，超出此范围，南向外窗相比北向外窗宽度变化对建筑能耗影响作用较大。

图5 工况3建筑能耗模拟结果

图6 工况4建筑能耗模拟结果

由图7可知，一是建筑窗墙比与建筑能耗量正相关；二是建筑南向外窗高度变化相比南向外窗宽度变化，对建筑能耗影响作用明显，但建筑北向外窗宽度与高度尺寸变化对建筑能耗影响作用与之相反。通过南向、北向外窗尺寸变化对应的能耗量变化，可总结出影响建筑能耗的影响因素排名，南向外窗高度＞南向外窗宽度＞北向外窗宽度＞北向外窗高度。

图7 南向、北向外窗高度与宽度变化对建筑能耗影响对比结果

5 结论与建议

通过以上研究发现不同方向建筑外窗尺寸变化对建筑能耗影响如下：一是南向外窗相比北向外窗高度变化对建筑能耗影响作用较大；二是建筑南向外窗高度上尺寸变化相比南向外窗宽度变化，对建筑能耗影响作用明显；三是建筑北向外窗宽度与高度尺寸变化对建筑能耗影响作用与南向外窗尺寸变化影响规律相反。建筑设计师在建筑节能方案设计时，考虑夏热冬冷地区住户对自然采光和通风的需求，优先增加北向外窗高度，其次可适当加大北向外窗宽度，既能最大限度控制能耗增长，又能实现住户对户内通透明亮环境要求。

本文仅考虑外窗尺寸对建筑供暖空调能耗的影响，下一步研究方向可结合采光、通风效果改善带来的节能效益以及成本造价进行综合分析，探索更加合理的外窗节能设计方案。