窗墻面積比對(duì)公共建筑能耗影響的數(shù)值模擬

張承旺

摘要：建立了綿陽(yáng)某公共建筑的物理模型，運(yùn)用DEST軟件模擬分析了不同朝向窗墻比對(duì)建筑能耗的影響，并將優(yōu)化模型與基準(zhǔn)模型的能耗狀況進(jìn)行了對(duì)比分析，得出夏熱冬冷地區(qū)最優(yōu)南向窗墻比應(yīng)為0.4，北向窗墻比應(yīng)為0.25。

關(guān)鍵詞：窗墻面積比；公共建筑；外窗，能耗

中圖分類號(hào)：TU834.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）05-0099-02

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱過(guò)程在冬季和夏季存在很大的區(qū)別，在夏熱冬冷地區(qū)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)全年能耗應(yīng)該對(duì)冬、夏兩季進(jìn)行綜合考慮[1]。外窗能耗占到外圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗的35%左右，已經(jīng)成為住宅建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能的重要節(jié)點(diǎn)[2]。目前，外窗面積呈現(xiàn)出逐漸增大而可開(kāi)啟面積逐漸減小的趨勢(shì)，給建筑節(jié)能提出了嚴(yán)重挑戰(zhàn)[3]。本文基于四川省綿陽(yáng)市氣候區(qū)的特性，應(yīng)用DEST軟件模擬分析了外墻比對(duì)建筑能耗的影響，探尋全年累計(jì)能耗最低的窗墻比，提高其建筑節(jié)能的水平。

一、幾何模型及室內(nèi)環(huán)境參數(shù)

1.幾何模型。本文以綿陽(yáng)某公共建筑的大堂作為實(shí)體模型，南北朝向，大堂尺寸為32m×26m×9.8m，體形系數(shù)為0.22。其中，外墻的傳熱系數(shù)為0.53 w/m2.k；內(nèi)墻的傳熱系數(shù)為0.76 w/m2.k；樓板的傳熱系數(shù)為1.5 w/m2.k；門(mén)的傳熱系數(shù)為0.763 w/m2.k；窗的傳熱系數(shù)為2.31w/m2.k，遮陽(yáng)系數(shù)為0.7；屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)為0.53w/m2.k。大堂的幾何模型如圖1。

2.室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)設(shè)定。空調(diào)、燈光及設(shè)備的開(kāi)啟時(shí)間為7：00—20：00，室內(nèi)設(shè)計(jì)空調(diào)溫度為26℃，在沒(méi)有自然通風(fēng)的情況下，換氣次數(shù)按0.5次/h設(shè)置，有自然通風(fēng)的情況下，換氣次數(shù)按5次/h設(shè)置。人員密度為0.05m2/人，人體發(fā)熱量設(shè)定為64w/人，燈光發(fā)熱量設(shè)定為11w/m2，設(shè)備發(fā)熱量設(shè)置為511w/m2。

二、窗墻比對(duì)公共建筑能耗的影響

1.南向朝向的窗墻面積比對(duì)建筑能耗的影響。由圖2（a）可知，隨著南向朝向的窗墻面積比增大，供暖季的建筑熱負(fù)荷指標(biāo)及年耗熱量呈線性降低趨勢(shì)，這與南向朝向在冬季受到的太陽(yáng)輻射最大有關(guān)，并符合地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；由圖2（b）可知，空調(diào)季的建筑冷負(fù)荷指標(biāo)及年耗冷量隨南向朝向的窗墻面積比增大而增大，這是由于在夏天窗戶的面積越大，受到的太陽(yáng)熱輻射就越多，進(jìn)行室內(nèi)的外熱擾量也就越大有關(guān)，從而增加了空調(diào)冷負(fù)荷及耗冷量；建筑的年總負(fù)荷指標(biāo)和年能耗的變化趨勢(shì)與空調(diào)季類似。南向朝向的窗墻面積比由0.1增加到0.9的過(guò)程中，采暖季熱負(fù)荷指標(biāo)及年耗熱量分別減少了0.66w/m2和1.71kW.h/m2，空調(diào)季的建筑冷負(fù)荷指標(biāo)及年耗冷量分別增加了3.11w/m2和2.40kW.h/m2，采暖空調(diào)季的建筑總負(fù)荷指標(biāo)和年能耗依次升高了2.39w/m2和0.71kW.h/m2。

2.北向朝向的建筑窗墻面積比對(duì)建筑能耗的影響。由圖3（a）可以看出，供暖季熱負(fù)荷指標(biāo)及年耗熱量隨北向朝向的窗墻面積增加略有增大，但是變化量很小；從圖3（b）可以發(fā)現(xiàn)，空調(diào)季冷負(fù)荷指標(biāo)及年耗冷量隨北向朝向的窗墻面積比增大顯著增加，特別是冷負(fù)荷變化的速度非?？?；從圖3（c）可以發(fā)現(xiàn)年總負(fù)荷指標(biāo)及年能耗的變化趨勢(shì)與空調(diào)季的變化趨勢(shì)近似。當(dāng)北向朝向的窗墻面積比從0.1升高到0.9時(shí)，供暖空調(diào)季總負(fù)荷指標(biāo)及年能耗的增加量依次為7.70w/m2和3.35 kW.h/m2，空調(diào)季的建筑冷負(fù)荷指標(biāo)及年耗冷量的增加量依次為6.71w/m2和3.01kW.h/m2，供暖季的建筑熱負(fù)荷指標(biāo)及年耗熱量的增加量依次為1.11w/m2和0.42kW.h/m2。從而得出結(jié)論，北向朝向的窗墻面積比越小越節(jié)能。

3.優(yōu)化模型與基準(zhǔn)模型的能耗對(duì)比分析?；鶞?zhǔn)模型（建筑的實(shí)際幾何模型）南向朝向的窗墻面積比為0.56，北向朝向的窗墻面積比為0.56。由于需要滿足采光及設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，本優(yōu)化模型（模擬結(jié)果優(yōu)化）南向朝向的窗墻面積比的取值為0.4，北向朝向的窗墻面積比的取值為0.25。

從圖4的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，建筑的實(shí)際窗墻面積比大于優(yōu)化模型的窗墻面積比，導(dǎo)致大量的太陽(yáng)輻射熱量進(jìn)入采暖室內(nèi)，可以一定程度降低建筑的熱量損失，從而降低采暖負(fù)荷等指標(biāo)。在夏季，由于窗戶的面積過(guò)大，導(dǎo)致太陽(yáng)輻射熱進(jìn)入室內(nèi)，增加了室內(nèi)的空調(diào)冷負(fù)荷，從而增加空調(diào)能耗。經(jīng)過(guò)對(duì)比，優(yōu)化模型的年耗冷量比建筑的實(shí)際窗墻面積比減小1.39 kw.h/m2，建筑冷負(fù)荷的節(jié)能率達(dá)到2.3%；但是建筑的年耗熱量多增加0.31 kw.h/m2，耗能率增加0.79%，總體來(lái)說(shuō)，優(yōu)化后的窗墻面積比比優(yōu)化前更加節(jié)能。

三、結(jié)論

在夏熱冬冷地區(qū)的公共建筑，窗墻面積比對(duì)建筑的能耗有一定的影響，通過(guò)能耗分析及能耗對(duì)比，南向窗墻面積比為0.4，北向窗墻面積比為0.25時(shí)，建筑的能耗達(dá)到最優(yōu)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]王怡，劉加平，肖勇強(qiáng).自然通風(fēng)房間熱環(huán)境的耦合模擬計(jì)算方法[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2006，27（1）.

[2]閆成文，姚健，葉晶晶.夏熱冬冷地區(qū)外窗傳熱系數(shù)對(duì)建筑能耗的影響[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（6）.

[3]馬乾乾，付祥釗，劉剛.淺析外窗對(duì)建筑能耗及自然采光的影響建設(shè)科技[J].建設(shè)科技，2008，（18）.endprint