單元式住宅衛(wèi)生間窗墻比適宜性研究＊

張鈐 傅筱 趙惠惠

近年來，隨著生活水平的提高，人們更加關(guān)注居住環(huán)境舒適度，開始意識到盡管衛(wèi)生間在住宅中所占面積不足十分之一，其設(shè)計的好壞對住宅套型的使用卻有較大影響。雖然“明”衛(wèi)生間已是現(xiàn)今單元式住宅的標配，但筆者通過實地調(diào)研得知，我國住宅衛(wèi)生間大多開窗較小，內(nèi)部陰暗潮濕、通風(fēng)較差。究其原因，一方面是受到住宅剪力墻結(jié)構(gòu)限制，更重要的是長期以來形成的“小窗有利于保溫隔熱”的認識誤區(qū)。有相關(guān)研究提出“開窗”是明衛(wèi)最主要的特征，也是其設(shè)計合理性的核心，但為了保溫隔熱，衛(wèi)生間窗戶應(yīng)在滿足通風(fēng)采光要求的前提下，盡量開小窗，但該類研究并未對“開小窗有利于保溫隔熱”這一觀點做出證明。相反，有研究認為，如果有條件開大窗，將有利于通風(fēng)采光，并提出了不同類型衛(wèi)生間的設(shè)窗形式，但缺乏準確的量化描述，對建筑設(shè)計的指導(dǎo)性不強。本研究基于中國特色能耗模式下的住宅設(shè)計，并用數(shù)據(jù)分析衛(wèi)生間窗墻比對建筑實際能耗的具體影響，具有現(xiàn)實意義，其結(jié)論有助于建筑師對衛(wèi)生間窗墻比（Window-to-Wall Ratio，以下簡稱WWR）進行優(yōu)化設(shè)計。

1 研究模型

1.1 研究方法

DesignBuilder是一款基于EnergyPlus開發(fā)的綜合圖形界面模擬軟件，采用EnergyPlus內(nèi)核，利用導(dǎo)熱函數(shù)傳遞法來計算墻體傳熱，用熱平衡法計算建筑物的負荷，針對建筑能耗進行動態(tài)模擬，操作方便、準確度高。筆者通過調(diào)研當前環(huán)渤海、長三角、珠三角地區(qū)住宅衛(wèi)生間的開窗現(xiàn)狀，從中選取了較為典型的幾種開窗尺寸，如表1所示，三個地區(qū)的衛(wèi)生間開窗均設(shè)置在東向、西向和北向，衛(wèi)生間開窗面積很小，多數(shù)窗戶尺寸為800mm×1 400mm，WWR≤20%。以長三角地區(qū)的南京市為例，在DesignBuiider軟件中采用全年動態(tài)能耗分析法，計算典型戶型各朝向衛(wèi)生間不同開窗情況對應(yīng)的全年能耗。對東西向、北向衛(wèi)生間不同WWR下的單位面積全年空調(diào)能耗和供暖能耗進行計算，使WWR為唯一變量，20%為初始值，以5%為步長，計算衛(wèi)生間從最小開窗WWR到全部開窗的全年供暖空調(diào)能耗，通過耗電量和舒適度以及衛(wèi)生間通風(fēng)量的比較，為衛(wèi)生間優(yōu)化開窗設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

1.2 建筑模型

本文選取南京地區(qū)一典型單元式住宅的標準層平面為研究對象，建筑層高3m，兩梯四戶，兩大戶型、兩小戶型，大戶型比小戶型多一個次臥，樓層平面面積為420.3m（圖1）。結(jié)合室內(nèi)吊頂高度和結(jié)構(gòu)影響，衛(wèi)生間開窗的最大高度為2.4m，寬度為1.8m。

表1 住宅衛(wèi)生間開窗情況統(tǒng)計

表2 圍護結(jié)構(gòu)熱工性能

1.3 熱工條件

夏熱冬冷地區(qū)的住宅一般無集中供暖和供冷，極端季節(jié)通過空調(diào)調(diào)節(jié)室溫，少部分住宅裝有獨戶暖氣片，但調(diào)查發(fā)現(xiàn)，暖氣片使用頻率非常低，衛(wèi)生間一般無制冷空調(diào)，是室內(nèi)溫度波動較大的空間。衛(wèi)生間不直接產(chǎn)生空調(diào)能耗，而是通過溫差墻體的傳熱間接影響空調(diào)房間的熱損失，但是由于空間較小，此溫差傳熱究竟對建筑能耗帶來多少影響，尚未有明確定論。本文的研究重點在于衛(wèi)生間WWR變化對熱工的影響，故因開窗面積改變造成的照明和排風(fēng)等耗電量的變化不在本研究內(nèi)。本文中提到的能耗變化也僅指因WWR改變造成的熱損失，忽略人員、設(shè)備等外因。對于夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑，《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》（JGJ 134–2010）對圍護結(jié)構(gòu)熱工性能做了如下要求：對于體形系數(shù)≤0.40的住宅建筑，圍護結(jié)構(gòu)熱惰性指標＞2.5時，外墻傳熱系數(shù)限值為1.5W/（m·K），分戶墻、樓板、樓梯間隔墻、外走廊隔墻傳熱系數(shù)限值為2.0W/（m·K）。由于本文的研究對象是住宅的某一層平面，所以樓板和地板在模擬時均做絕熱處理。按照規(guī)定，本文選取的圍護結(jié)構(gòu)熱工性能如表2所示。

通過問卷調(diào)研南京居民的生活習(xí)慣得知，開空調(diào)時大部分居民不會開窗，衛(wèi)生間窗戶處于常開或者常閉狀態(tài)，衛(wèi)生間門在空調(diào)季節(jié)常關(guān)。采暖、空調(diào)設(shè)備按照《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》（JGJ 134–2010）要求選取家用空氣源熱泵空調(diào)器，制冷時額定能效比取2.3，采暖時額定能效比取1.9，冬季采暖室內(nèi)計算溫度為18℃，采暖期為當年2月1日至次年2月28日，夏季空調(diào)室內(nèi)計算溫度為26℃，空調(diào)計算期為當年6月15日至8月31日，除衛(wèi)生間、廚房外，其他空間均安裝空調(diào)設(shè)備，選用DesignBuilder內(nèi)置的住宅時刻表，換氣次數(shù)為1.0次/h。夏季室內(nèi)溫度高于室外且高于26℃時，開啟自然通風(fēng)。室外氣象計算參數(shù)選用CHN-JIANGSU-NANJING-CSWD文件。

2 結(jié)果分析

住宅的南向通常為主要居住空間，衛(wèi)生間一般布置在東西兩側(cè)或者北面，研究需模擬東西向、北向衛(wèi)生間的WWR，本文的衛(wèi)生間WWR從18%模擬到72%，步長5%。“基準模型”為外窗尺寸為800mm× 1 400mm（調(diào)研數(shù)據(jù)中占比最大）、WWR為18%的住宅衛(wèi)生間。本研究同時關(guān)注了改變衛(wèi)生間WWR帶來的住宅采暖空調(diào)能耗和衛(wèi)生間舒適度的變化，以住宅單位面積采暖空調(diào)年能耗和衛(wèi)生間月平均溫度表示。衛(wèi)生間通常有淋浴和浴缸兩種模式，當衛(wèi)生間為浴缸模式時，浴缸一般貼窗邊布置，最大WWR為0.51；淋浴模式時，最大WWR為0.72，下文重點分析淋浴模式。

2.1 能耗分析

其他條件不變，增大東西向衛(wèi)生間WWR后，冬季采暖能耗略減少，夏季制冷能耗略增加，總能耗略有增加（圖2）。因為衛(wèi)生間WWR增加后，室內(nèi)通過外窗的太陽輻射得熱量和室內(nèi)外通過外圍護結(jié)構(gòu)的熱交換都有所增加，使得夏季衛(wèi)生間溫度上升，因為溫差由墻體傳入空調(diào)房間的熱量更多，增大了夏季制冷空調(diào)能耗；冬季的太陽直射輻射使得衛(wèi)生間溫度上升，衛(wèi)生間與空調(diào)房間的溫差減小，通過墻體的傳熱量隨之減少，采暖能耗降低。WWR從0.18增加到0.72，總能耗增量0.28kW·h/m，即100m的住宅即使東西側(cè)衛(wèi)生間開滿窗戶，一年增加的空調(diào)能耗也僅有28kW·h，相當于衛(wèi)生間每天同時開1h的40W燈泡和38W換氣扇的總能耗。由此可見，改變東西向衛(wèi)生間WWR對能耗影響甚微。

北向衛(wèi)生間WWR增加，冬季能耗基本無變化，夏季能耗略微增加，但是變化遠小于東西向衛(wèi)生間WWR改變時帶來的能耗變化，總能耗略微增加，增幅趨近于0（圖3）。這是由于北向太陽直射輻射量較少，冬季太陽得熱量和圍護結(jié)構(gòu)因為開大窗多消耗的散熱量基本維持平衡，夏季透過外窗的太陽輻射得熱量也不高，WWR從0.18變化到0.72時，能耗增量僅為0.06kW·h/m。

2.2 舒適度分析

建筑空間舒適度主要體現(xiàn)在溫度、濕度、空氣質(zhì)量、采光等因素。本文首先模擬計算了溫度這一人體最直接感受的具體數(shù)值。根據(jù)已有研究得知，夏季熱舒適區(qū)范圍為15.9～30.5℃，冬季熱舒適區(qū)范圍為15.4～29.6℃。本文重點分析WWR從0.18增長到0.72時的舒適度變化，研究對比分析了西向、東向和北向三個朝向衛(wèi)生間的舒適度。

隨著衛(wèi)生間WWR的增加，西向衛(wèi)生間各月份的平均溫度呈增長趨勢（圖4）。南京最熱月為7月，WWR從0.18增長到0.72時，氣溫從31.91℃變?yōu)?3.64℃，上升1.73℃，比夏季的熱舒適區(qū)范圍高了3℃，但平均下來WWR每增加5%，夏季最熱月溫度上升約0.2℃，此幅度人體甚至無法感知。南京最冷月為1月，WWR從0.18增加到0.72時，溫度從14.27℃變?yōu)?4.89℃，離冬季熱舒適區(qū)更進一步，與2月最小WWR時的溫度相近，減少了近一個月的極端惡劣天氣。

東向衛(wèi)生間溫度隨著WWR的增加也呈現(xiàn)上升趨勢（圖5）。WWR從0.18增長到0.72時，最熱月溫度從29.63℃上升到30.80℃，上升幅度1.17℃，遠小于西向衛(wèi)生間，且基本位于夏季熱舒適區(qū)。最冷月溫度從10.52℃上升到10.57℃，變化0.05℃，所以改變東向衛(wèi)生間WWR對冬季衛(wèi)生間氣溫基本無影響。

1 南京典型住宅平面圖

2 住宅單位面積能耗隨東西向衛(wèi)生間WWR 變化

3 住宅單位面積能耗隨北向衛(wèi)生間WWR 變化

4 西向衛(wèi)生間最熱月最冷月溫度隨WWR 變化曲線

5 東向衛(wèi)生間最熱月最冷月溫度隨WWR 變化曲線

6 北向衛(wèi)生間最熱月最冷月溫度隨WWR 變化曲線

北向衛(wèi)生間無論冬季、夏季，隨著WWR的增加，溫度幾乎沒有變化，最冷月上升0.02℃，最熱月上升0.56℃（圖6），主要是透過玻璃窗的綜合傳熱導(dǎo)致。冬季溫度則出現(xiàn)了較多的波動，有兩個峰值和兩個谷值，當WWR在0.45～0.6時，冬季舒適度最高，且夏季舒適度也不會有較大程度的變化。但北向衛(wèi)生間在無其他人工措施時，最冷月、最熱月氣溫均無法達到人體熱舒適區(qū)范圍。

南京地區(qū)夏季主導(dǎo)風(fēng)向為東南向，北向和西向為夏季最不利風(fēng)向，自然通風(fēng)可以帶走室內(nèi)的熱量，因此東向衛(wèi)生間夏季氣溫為三個朝向中最低的。

由上述數(shù)據(jù)分析可知，西向衛(wèi)生間溫度變化較大，夏季氣溫太高，又無法通過空調(diào)調(diào)節(jié)，應(yīng)當考慮在西向增加外遮陽，減少夏季太陽直射輻射，改善衛(wèi)生間舒適度，同時增加外遮陽可降低夏季衛(wèi)生間溫度，使其與空調(diào)房間之間的溫差傳熱變小，從而減少夏季能耗。東向衛(wèi)生間在WWR＞0.6時，7—8月氣溫高于舒適區(qū)的最大值，也應(yīng)設(shè)立合理遮陽。北向衛(wèi)生間的氣溫升高不是受到太陽直射輻射的影響，因此無需設(shè)立遮陽。

換氣效率是影響空氣質(zhì)量的重要因素，因為通風(fēng)量直接影響衛(wèi)生間的空氣質(zhì)量。通風(fēng)量的大小直觀表現(xiàn)在通風(fēng)開口及風(fēng)速兩方面。利用ansys19.2CFD軟件計算不同開窗大小的衛(wèi)生間自然通風(fēng)情況，開窗大小對應(yīng)WWR的最大可開啟大小，選用城市自然通風(fēng)模型，計算南京地區(qū)衛(wèi)生間在夏季主導(dǎo)風(fēng)向影響下的自然通風(fēng)情況。截選距地1.5m處自然通風(fēng)風(fēng)速云圖（圖7）。由云圖可知，衛(wèi)生間自然通風(fēng)的風(fēng)速在WWR＜0.5時，隨WWR增加而增大，在WWR＞0.5時，隨WWR增加而減小，通風(fēng)量隨開窗增加而增加。

綜上所述，增大衛(wèi)生間WWR等同于增大了衛(wèi)生間通風(fēng)面積與采光面積。通風(fēng)面積增大，衛(wèi)生間通風(fēng)狀況得到改善，濁氣更容易被排出，空氣質(zhì)量變好，同時衛(wèi)生間的濕氣被流通的空氣帶走，既能降低濕度，又能減少細菌滋生，利于保持衛(wèi)生間的干燥清潔。采光面積的增加能減少衛(wèi)生間對人工光源的使用，充足的陽光照射有利于殺菌消毒，能有效改善衛(wèi)生間健康狀況?？梢?，增大衛(wèi)生間開窗既有利于節(jié)省人工照明和機械通風(fēng)的能耗，又有利于健康和舒適。在有條件的情況下，衛(wèi)生間應(yīng)當開大窗。

考慮到私密性和太陽輻射的問題，可以在衛(wèi)生間窗戶使用毛玻璃或增設(shè)百葉簾，也可以在窗外放置遮蔽物，比如利用陽臺、露臺種植花草，既能起到遮蔽作用，又能讓人欣賞。

2.3 其他氣候區(qū)分析

本文采用相同的研究方法對其他氣候區(qū)的住宅進行研究，研究過程在此不做贅述。

夏熱冬暖地區(qū)長夏無冬，溫高濕重，因此僅有空調(diào)制冷耗電。由圖8可知，增大衛(wèi)生間WWR會使住宅能耗略微增加，但WWR從0.18變化到0.72時，制冷能耗全年增量僅為2.63%，對能耗影響不大。由圖9可知，衛(wèi)生間最冷月、最熱月平均溫度隨WWR的增加也略有上升，最冷月較為舒適，最熱月東西朝向應(yīng)注意遮陽防曬問題。

寒冷地區(qū)冬季嚴寒，設(shè)有區(qū)域集中供暖，衛(wèi)生間也會采暖，室內(nèi)維持同一氣溫；夏季則為中國特色的“部分時間、部分空間”空調(diào)制冷，衛(wèi)生間不設(shè)空調(diào)。冬季由于房間通過隔墻進行熱量擴散，改善了衛(wèi)生間原本的溫度環(huán)境，衛(wèi)生間采暖所需能耗不高，夏季衛(wèi)生間自身無空調(diào)能耗，增大衛(wèi)生間WWR對住宅能耗整體影響不大（圖10），而衛(wèi)生間氣溫隨著WWR的增大有所上升（圖11），說明東西向需要注意遮陽。

7 不同窗墻比下的衛(wèi)生間通風(fēng)情況

8 夏熱冬暖地區(qū)空調(diào)能耗

9 夏熱冬暖地區(qū)氣溫

10 寒冷地區(qū)住宅采暖空調(diào)能耗

11 寒冷地區(qū)衛(wèi)生間溫度

3 實驗驗證

根據(jù)前期調(diào)研結(jié)果，住宅外窗多在北側(cè)、東側(cè)和西側(cè)，本次試驗設(shè)計了六種對照情況（圖12,13），分別是北側(cè)開大窗（北2）、北側(cè)開小窗（北1）、東側(cè)開大窗（東2）、東側(cè)開小窗（東1）、西側(cè)開大窗（西2）、西側(cè)開小窗（西1），小窗WWR為0.187，大窗WWR為0.6。因疫情原因，實際測得2020年4—7月的數(shù)據(jù)（圖14）。設(shè)定每15min記錄一次，分別記錄6個房間4月1日到7月30日全天氣溫變化，然后匯總計算月平均溫度。

由實驗可知，4月、5月所有朝向不同WWR的房間溫度都較為舒適，4月氣溫稍低，由圖15可知，相較于開窗大小，朝向?qū)鉁氐挠绊懜?，但是相同朝向、較大開窗時，因透過透明玻璃窗太陽直射輻射的增加，室內(nèi)的氣溫更高、更舒適。因7月南京處于梅雨季節(jié)，降雨較多，2020年6月天氣反而更熱。分析高溫情況下不同開窗對室內(nèi)氣溫的影響，由圖16可知，影響室溫最大的仍是開窗的朝向，增大WWR會使室溫提升，但WWR從0.18變?yōu)?.6，氣溫的升高不足1℃。

4 研究結(jié)論

本文根據(jù)調(diào)研結(jié)果，分別計算出南京地區(qū)三個不同朝向的衛(wèi)生間開窗，分析WWR從最小值變化到全部開窗時住宅建筑單位面積采暖空調(diào)耗電量的變化，得出如下結(jié)論：

（1）在不改變其他任何因素的前提下，增大東、西、北三個朝向衛(wèi)生間WWR后，冬季采暖能耗略有減少，夏季制冷能耗略有增加，全年總能耗略有增加，但是總增量不到1%，基本維持不變。因此，改變衛(wèi)生間WWR，對住宅單位面積采暖空調(diào)能耗無影響，但是可以減少機械通風(fēng)和人工照明能耗。

（2）擴大衛(wèi)生間WWR將會使衛(wèi)生間溫度上升，不利于夏季舒適度的提升，但有利于冬季舒適度的提升。WWR的增加使得東向、西向衛(wèi)生間夏季溫度升高，偏離舒適區(qū)過大，由于西向衛(wèi)生間夏季本身就酷熱難耐，不在溫度舒適區(qū)內(nèi)，擴大WWR增加的太陽直射輻射使得其溫度更高，必須在西向設(shè)計合理的遮陽設(shè)施。東向衛(wèi)生間在WWR＜0.6時處于夏季溫度舒適區(qū)，當WWR＞0.6時，也應(yīng)設(shè)立合理遮陽。

（3）北向衛(wèi)生間在0.45～0.6時，冬季舒適度最高，夏季舒適度也不會受到太大影響，且能耗基本無變化，北向衛(wèi)生間開窗大小的考慮因素?zé)o需計入其對能耗和氣溫的影響。

（4）當衛(wèi)生間WWR＜0.5時，衛(wèi)生間自然通風(fēng)風(fēng)速隨開窗增大而增大，當衛(wèi)生間WWR＞0.5時，衛(wèi)生間自然通風(fēng)風(fēng)速隨開窗的增大而減小，但通風(fēng)量整體隨開窗的增大而增大。

（5）由本文研究可知，寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)衛(wèi)生間開窗均應(yīng)打破以往“開小窗有助于保溫隔熱”的認識誤區(qū)，盡量開大窗以保證健康舒適，但同時也應(yīng)當采取一些遮陽措施和保護私密性的設(shè)計，使其更具合理性。

12 實驗房實景圖

13 實驗房剖透視圖

14 實驗房4—7 月平均氣溫

15 實驗房4 月不同開窗室內(nèi)平均氣溫16 實驗房6 月不同開窗室內(nèi)平均氣溫

＊ 本研究得到國家重點研發(fā)計劃“經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)傳承中華建筑文脈的綠色建筑體系”（2017YFC0702500）之課題“經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)傳承建筑文脈的綠色建筑營建體系”（2017YFC0702502）資助。

1-11,14-16作者自繪

12課題團隊攝影

13課題團隊繪制

表1,2作者自繪