基于 PKPM 軟件模擬分析窗墻比對(duì)建筑能耗的影響

基于PKPM軟件模擬分析窗墻比對(duì)建筑能耗的影響

江宏玲，賀傳友，戴新榮

(安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站，安徽 合肥230088)

摘要：以合肥地區(qū)某辦公樓為研究對(duì)象，采用PKPM節(jié)能分析軟件為該建筑建立了幾何模型，進(jìn)行了賦值計(jì)算，模擬出該建筑全年的采暖和空調(diào)能耗，研究了窗墻比和朝向?qū)Σ膳?、空調(diào)及總能耗的影響規(guī)律。結(jié)果表明，加大東(西)向、北向窗墻比將同時(shí)增加建筑的采暖、空調(diào)能耗；加大南向窗墻比將減少采暖能耗，增加空調(diào)能耗，導(dǎo)致建筑總能耗呈上升趨勢(shì)。為保證良好的節(jié)能效果，建筑設(shè)計(jì)時(shí)建議南向窗墻比取值低于0.3。

關(guān)鍵詞：窗墻比；PKPM；朝向；能耗；節(jié)能

收稿日期：2014-08-14

作者簡(jiǎn)介：江宏玲(1987-),女,碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉础?/p>

中圖分類(lèi)號(hào)：TU201.5

Simulation and Analysis the Influnce of Window-wall

Ratio on Building Energy Consumption based on PKPM Software

JIANG Hong-ling,HE Chuan-you,DAI Xin-rong

(Anhui Province Construction engineering quality supervision and inspection station, Hefei 230088, Anhui, China)

Abstract:Danamically simulates the annual heating and air conditioning energy consumption for an office building in Hefei using PKPM energy consumption simulation software，based on establishing the geometric model and calculating the assignment, so as to investigate the influences of window-wall ratio and orientation on energy consumption of the building．The results show that the heating and air conditioning energy consumption will both increase with the greater east(west) or north window-wall ratio, at the same time, greater south window-wall ratio will reduce the heating energy consumption and increase the air conditioning energy consumption, leading to the total energy consumption is on the rise. It is proposed that the south window-wall ratio should be lower than 0.3 in architectural design, in order to ensure excellent energy saving effect.

Key words:window-wall ratio；PKPM；orientation；energy consumption；energy saving

1引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，建筑能耗日益增長(zhǎng)，在影響建筑能耗的諸多因素中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)占據(jù)主導(dǎo)地位，因此，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的好壞直接影響建筑能耗的高低[1-2]。窗墻比即為一項(xiàng)重要的熱工性能參數(shù)，其影響建筑能耗的規(guī)律是復(fù)雜的：增大窗墻比會(huì)使室內(nèi)的太陽(yáng)輻射量增加，一方面可以提高冬季室內(nèi)熱環(huán)境，另一方面也會(huì)增大夏季空調(diào)能耗，即窗墻比的加大對(duì)建筑能耗存在有利和不利的方面[3]。因此，為有效降低建筑能耗，必須研究窗墻比的變化對(duì)建筑能耗的影響，從而合理優(yōu)化窗墻比。

在該課題的研究方面，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者和機(jī)構(gòu)已有大量相關(guān)的報(bào)道[4-8]。但是上述研究中多是針對(duì)居住建筑，且對(duì)于窗墻比與建筑能耗的變化規(guī)律研究結(jié)果不太一致。為了探討該變化規(guī)律，本文以合肥市某辦公建筑為例，采用PKPM軟件建立模型并進(jìn)行能耗模擬分析，以理論數(shù)據(jù)的形式研究不同朝向的窗墻比下采暖及空調(diào)能耗的變化趨勢(shì)，對(duì)公共建筑合理取值窗墻比具有參考價(jià)值。

2工程概況

該辦公建筑位于安徽合肥市，圖1為該建筑的外觀圖。該建筑類(lèi)型為新建公共建筑中辦公建筑，總計(jì)建筑面積8381m2，該建筑基本信息如下：

■公共建筑類(lèi)型：乙類(lèi)；

■建筑面積：8381.66m2；

■建筑高度：24.60m；

■建筑層數(shù)：地上6層；

■建筑體型系數(shù)：0.19；

■建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型：框架結(jié)構(gòu)。

3軟件模擬

3.1軟件介紹

本文使用的PKPM模擬軟件由中國(guó)建筑科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)，其功能廣泛，可用作建筑節(jié)能分析、能耗分析及計(jì)算節(jié)能率等，可依據(jù)國(guó)家和地方現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)計(jì)建筑和參照建筑進(jìn)行逐時(shí)的動(dòng)態(tài)能耗模擬，根據(jù)計(jì)算建筑的總能耗是否超過(guò)參照建筑[9]總能耗的限值來(lái)判斷建筑能否符合節(jié)能設(shè)計(jì)要求。

3.2模型建立

結(jié)合該建筑的設(shè)計(jì)報(bào)告及資料，使用PKPM能耗模擬軟件建立該建筑物的計(jì)算模型，通過(guò)模擬計(jì)算得出全年采暖耗能和空調(diào)耗能。圖2為該計(jì)算模型的三維圖。

3.3參數(shù)賦值

能耗計(jì)算參數(shù)的賦值主要包括：建筑基本信息、室內(nèi)外計(jì)算參數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)、建筑用能系統(tǒng)概況及運(yùn)行條件等。根據(jù)該建筑的實(shí)際情況，其部分參數(shù)來(lái)源如下：

■計(jì)算城市：合肥市(北緯=31.90，東經(jīng)=117.19)；

■氣候分區(qū)：夏熱冬冷；

■采暖、空調(diào)等設(shè)備滿足《安徽省公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[9]；

■室外氣象計(jì)算參數(shù)采用典型氣象年數(shù)據(jù)；

■固定換氣次數(shù)為1.0次/h；

表1所示為該地區(qū)夏季和冬季的設(shè)計(jì)參數(shù)，表2～表4所示為各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能參數(shù)。

表1　室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

表2　屋面熱工性能參數(shù)

表3　外墻平均傳熱系數(shù)

表4　外窗類(lèi)型

3.4參照建筑模型參數(shù)設(shè)置

設(shè)計(jì)建筑與參照建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)的對(duì)比，具體如表5所示。

表5　設(shè)計(jì)建筑與參照建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能對(duì)比

4計(jì)算結(jié)果及分析

4.1對(duì)采暖能耗的影響

通過(guò)調(diào)整每個(gè)單元窗戶的不同尺寸來(lái)改變窗墻比，針對(duì)東(西)、南、北不同的朝向，模擬單位建筑面積的采暖能耗隨窗墻比的變化情況，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，采暖能耗隨著東(西)向和北向窗墻比的增加而增加，相反，更大的南向窗墻比可以降低采暖能耗。這是由于冬季南向太陽(yáng)輻照度最大，房間透過(guò)外窗獲得的太陽(yáng)輻射要大于通過(guò)外窗的熱損失量。

4.2對(duì)空調(diào)能耗的影響

由于玻璃具有良好的太陽(yáng)透過(guò)性能，東(西)、南、北各個(gè)朝向下，加大窗墻比均會(huì)使得室內(nèi)的太陽(yáng)輻射得熱量大幅增加，對(duì)空調(diào)能耗的降低顯然不利。

結(jié)合上述采暖能耗隨各朝向窗墻比的變化規(guī)律，可以知道，增加?xùn)|(西)向和北向窗墻比，將導(dǎo)致采暖，空調(diào)總能耗增加；對(duì)于南向，采暖能耗隨窗墻比的增大反而減小，因此南向窗墻比對(duì)總能耗的影響是有利或不利暫不能確定。為此，有必要模擬分析單位建筑面積的空調(diào)能耗受南向窗墻比的影響規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

4.3對(duì)總能耗和能耗差的影響

根據(jù)上述采暖能耗和空調(diào)能耗隨窗墻比變化規(guī)律的計(jì)算結(jié)果，研究分析南向窗墻比對(duì)建筑全年總能耗的影響規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著南向窗墻比的加大，建筑總能耗呈上升趨勢(shì)，即加大南向窗墻比對(duì)空調(diào)能耗的不利影響程度要大于對(duì)采暖能耗的有利影響程度。

實(shí)際建筑設(shè)計(jì)中，為了兼顧建筑創(chuàng)作，并不要求所有朝向都滿足窗墻比要求，文獻(xiàn)[2]研究結(jié)果表明，各朝向窗墻比對(duì)建筑總能耗的影響程度由高至低依次為：南向最高，東(西)向最低，北向居中。因此，應(yīng)著重從改變南向窗墻比著手來(lái)降低建筑總能耗。

節(jié)能計(jì)算中可通過(guò)設(shè)計(jì)建筑總能耗與參照建筑總能耗的差值來(lái)定性判斷建筑的節(jié)能效果，差值越大說(shuō)明節(jié)能效果越好，即節(jié)能措施尚有余量，反之，說(shuō)明節(jié)能效果較差。南向窗墻比與能耗差的變化關(guān)系如圖6。

從圖6中可以看出，隨著窗墻比的增大，能耗差不斷遞減，窗墻比小于0.3時(shí)，圖中曲線較平緩，說(shuō)明節(jié)能效果較好；當(dāng)窗墻比超過(guò)規(guī)范[9]限值0.7之后，曲線較陡，下降速度較快，說(shuō)明節(jié)能效果很差。因此，建筑設(shè)計(jì)中，考慮到建筑節(jié)能效果，建議南向窗墻比低于0.3。

5結(jié)論

文中運(yùn)用PKPM軟件模擬了建筑全年能耗，研究分析了不同朝向及不同窗墻比的條件下，建筑采暖、空調(diào)能耗的變化規(guī)律，得出結(jié)論：結(jié)果表明，加大東(西)向、北向窗墻比將同時(shí)增加建筑的采暖、空調(diào)能耗；加大南向窗墻比將減少采暖能耗，增加空調(diào)能耗，導(dǎo)致建筑總能耗呈上升趨勢(shì)。實(shí)際建筑設(shè)計(jì)中，建筑的平面布置比文中所建模型復(fù)雜，影響建筑能耗的關(guān)鍵指標(biāo)除了窗墻比之外還有很多因素，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在滿足節(jié)能規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

的同時(shí)綜合考慮各影響指標(biāo)之間的相互關(guān)系。此外，通過(guò)本文分析還可以看出PKPM軟件可應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)，便于在建筑設(shè)計(jì)階段找到建筑節(jié)能的關(guān)鍵點(diǎn)，為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)參數(shù)的合理取值提供參考數(shù)據(jù)。

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