不同窗墻比建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能變化對供暖空調(diào)負(fù)荷的影響研究
——以南昌地區(qū)公建為例

文/江西省建筑設(shè)計研究總院集團有限公司 江 洋

0 引言

建筑節(jié)能與設(shè)計參數(shù)息息相關(guān)，建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)建筑體形系數(shù)、建筑朝向與窗墻比數(shù)值制定不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱限值。建筑體形系數(shù)越大，窗墻比越高，越不利于建筑節(jié)能。以改變長寬比或高度來改變體形系數(shù)會對供暖負(fù)荷產(chǎn)生影響，但對供冷負(fù)荷的影響無明顯相關(guān)性，影響更大的因素是固定形狀、固定高度的建筑表面凹凸變化，其凹凸變化越多，表面積越大，通過外墻傳熱損耗的能量越多。建筑朝向?qū)ㄖ┡照{(diào)負(fù)荷產(chǎn)生影響，當(dāng)朝向為正南時，采暖空調(diào)負(fù)荷總量最低；相較于正南朝向，南偏東朝向的負(fù)荷偏高3%～5%，南偏西朝向的負(fù)荷偏高11%～12%。

綜合相關(guān)研究成果發(fā)現(xiàn)，基于建筑節(jié)能設(shè)計對供暖空調(diào)負(fù)荷的單因素影響研究較多，但實際工程應(yīng)用受多因素共同作用，并與現(xiàn)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中的參照建筑進(jìn)行模擬比較，設(shè)計建筑供暖負(fù)荷的降低比例均以參照建筑為標(biāo)準(zhǔn)。因此，體形系數(shù)、建筑朝向及窗墻比變化在改變建筑供暖空調(diào)負(fù)荷的同時，也對參照建筑產(chǎn)生影響。本文通過分析歸納及構(gòu)建模型，以江西南昌地區(qū)為熱工背景，對體形系數(shù)進(jìn)行固定選取，建筑取正南北朝向，對6組不同窗墻比的標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行模擬分析，綜合考慮屋面、外墻、外窗的熱工性能提高對供暖空調(diào)負(fù)荷降低比例的影響。

1 研究方法及模型建立

通過案例比選南昌地區(qū)典型公建形體，體形系數(shù)取固定值，建筑表面均按無凹凸變化處理，長寬比取2：1，高度取4.5m，計算模型朝向選最優(yōu)即正南北朝向進(jìn)行計算，6棟建筑窗墻比介于0.2～0.7，因外窗形狀、位置及窗間距變化對建筑節(jié)能的影響較小，故本次模型僅對改變外窗尺寸進(jìn)行分析，具體模型尺寸如表1所示。

表1 計算模型選取

節(jié)能模型供暖空調(diào)負(fù)荷采用建筑節(jié)能計算軟件DeST內(nèi)核進(jìn)行模擬計算，對不同窗墻比建筑的屋面、外墻、外窗參數(shù)進(jìn)行提升，比較其設(shè)計建筑與參照建筑的供暖空調(diào)負(fù)荷，依照J(rèn)GJ/T 449—2018《民用建筑綠色性能計算標(biāo)準(zhǔn)》計算每種模型對應(yīng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率并進(jìn)行對比分析。

2 屋面和外墻傳熱系數(shù)變化對建筑供暖空調(diào)負(fù)荷的影響

2.1 計算初始條件及結(jié)果

以南昌地區(qū)常用構(gòu)造為標(biāo)準(zhǔn)，其中外墻主體材料選用加氣混凝土砌塊，保溫層選取發(fā)泡水泥保溫板，屋面保溫層選取擠塑聚苯板，外窗選取普通鋁合金型材，外表面太陽輻射吸收系數(shù)屋面部分按水泥粉刷屋面計算，即0.74，外墻部分按淺色面磚計算，即0.50計算。其中屋面保溫層擠塑聚苯板由50mm厚逐步增加至80mm厚，外墻保溫層發(fā)泡水泥保溫板由20mm厚逐步增加至50mm厚。

如圖1～4所示，分析屋面保溫材料厚度變化對供暖空調(diào)負(fù)荷的影響時，保持外墻保溫材料20mm厚不變；分析外墻保溫材料厚度變化對供暖空調(diào)負(fù)荷的影響時，保持屋面保溫材料50mm厚不變。

1 供暖空調(diào)負(fù)荷隨屋面保溫厚度變化值

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率隨屋面保溫厚度變化值

3 供暖空調(diào)負(fù)荷隨外墻保溫厚度變化值

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率隨外墻保溫厚度變化值

2.2 結(jié)果分析

基于南昌地區(qū)氣候條件，通過不同窗墻比下屋面與外墻保溫厚度變化對各節(jié)能參數(shù)的影響數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出如下結(jié)論。

1）基于同一屋面或外墻保溫設(shè)計厚度，隨著建筑窗墻比增大，供暖空調(diào)負(fù)荷明顯增加，窗墻比達(dá)0.4時，增長率較大。

2）在同一窗墻比情況下，隨著屋面或外墻保溫厚度逐漸增大，建筑供暖空調(diào)負(fù)荷呈降低趨勢，圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率逐步提高，但總負(fù)荷降低的變化率與節(jié)能率提高的變化率總體趨于緩和。

3）對比不同窗墻比下供暖空調(diào)負(fù)荷及節(jié)能率的變化，隨著屋面或外墻保溫厚度的增加，供暖空調(diào)負(fù)荷的降低比率相似，無明顯差距；圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率數(shù)值變化表明，窗墻比為0.2時，屋面或外墻保溫厚度增加對節(jié)能率的變化影響明顯大于窗墻比為0.3～0.7的建筑，窗墻比越小，屋面和外墻對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積占比越大；提升屋面和外墻的熱工性能更有利于提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率。

3 外窗傳熱系數(shù)變化和遮陽設(shè)計對建筑供暖空調(diào)負(fù)荷的影響

3.1 計算初始條件及結(jié)果

計算初始條件同上，保持屋面保溫材料厚50mm，外墻保溫材料厚20mm不變。分析外窗傳熱系數(shù)（K值）變化對負(fù)荷的影響時，選取K值為3.2，2.9，2.6，2.4，2.2W/(m2·K)的不同型號整窗，控制外窗遮陽系數(shù)SC值為0.48；分析外窗遮陽設(shè)計對供暖空調(diào)負(fù)荷的影響時，選取遮陽系數(shù)SC值為0.9，0.8，0.7，0.6，0.5，0.4，0.3的不同型號整窗，控制K值為3.2W/(m2·K)不變；對模型A～F分別進(jìn)行模擬計算，計算結(jié)果如圖5～8所示。

5 供暖空調(diào)負(fù)荷隨外窗傳熱系數(shù)變化值

6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率隨外窗傳熱系數(shù)變化值

7 供暖空調(diào)負(fù)荷隨外窗遮陽系數(shù)變化值

8 圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率隨外窗遮陽系數(shù)變化值

3.2 結(jié)果分析

基于南昌地區(qū)氣候條件，通過不同窗墻比模型外窗傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)變化對各節(jié)能參數(shù)的影響數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出如下結(jié)論。

1）僅考慮外窗傳熱系數(shù)的單一影響，當(dāng)窗墻比不變、維持固定遮陽系數(shù)并改變整窗傳熱系數(shù)時，隨著外窗K值逐步降低，供暖空調(diào)負(fù)荷值呈明顯降低趨勢，窗墻比越大，其降幅越大。

2）僅考慮外窗遮陽系數(shù)的單一影響，同一窗墻比情況下，隨著遮陽系數(shù)降低，供暖空調(diào)負(fù)荷值整體呈先降后升趨勢，且負(fù)荷最低點位置隨窗墻比的增加逐漸向遮陽系數(shù)低處偏移。如窗墻比為0.2的建筑，遮陽系數(shù)設(shè)計為0.6數(shù)值時可達(dá)最優(yōu)節(jié)能效果；窗墻比為0.3的建筑，遮陽系數(shù)最優(yōu)值則為0.5。

3）對比不同窗墻比建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率發(fā)現(xiàn)，隨著外窗傳熱系數(shù)降低，圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率逐漸增大，有利于節(jié)能設(shè)計，其整體增長率呈緩和趨勢，且當(dāng)窗墻比為0.2時，變化曲線基本與窗墻比0.3的曲線重合，窗墻比繼續(xù)增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率則明顯降低；隨著外窗遮陽系數(shù)降低，圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能率先增后降，節(jié)能率最高點隨窗墻比的增加逐漸向遮陽系數(shù)低處偏移。因此，就外窗而言，無論從傳熱設(shè)計還是從遮陽設(shè)計角度出發(fā)，0.3～0.4的窗墻比最有利于節(jié)能，且選取系數(shù)最優(yōu)值符合市場選取常規(guī)材料的參數(shù)。

4 結(jié)語

綜合屋面、外墻及外窗傳熱系數(shù)變化帶來的影響結(jié)果分析可知，不考慮參照建筑能耗，僅從設(shè)計建筑本身的能耗控制而言，當(dāng)設(shè)計建筑窗墻比小于0.4時，針對屋面和外墻的傳熱控制更有利于節(jié)能，此時通過改變外窗傳熱并不能很好地控制能耗效果；當(dāng)設(shè)計建筑窗墻比大于0.4時，通過改變屋面及外墻傳熱，供暖空調(diào)負(fù)荷的變化率下降明顯，而改變外窗傳熱可明顯發(fā)現(xiàn)供暖空調(diào)負(fù)荷的變化，隨著窗墻比增加，外窗傳熱變化對供暖空調(diào)負(fù)荷的影響增大。與此同時，不同窗墻比建筑的屋面、外墻和外窗傳熱系數(shù)的改變對供暖空調(diào)負(fù)荷的影響并非呈線性關(guān)系，單一圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)越大，即節(jié)能設(shè)計更宜針對傳熱薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行提升；不同窗墻比建筑外窗遮陽系數(shù)的改變對設(shè)計總負(fù)荷的影響呈先降后升趨勢，負(fù)荷最低點隨窗墻比的增加逐漸向遮陽系數(shù)低點偏移，即外窗遮陽設(shè)計應(yīng)根據(jù)窗墻比的實際數(shù)值合理選取相應(yīng)材質(zhì)的玻璃及外遮陽類型。市場上常用的玻璃SC值約為0.50，其對應(yīng)窗墻比為0.30，故公共建筑設(shè)計中窗墻比控制在0.30左右最有利于節(jié)能，節(jié)能提升所需成本最低。在建筑節(jié)能設(shè)計中，不同類型、功能與形態(tài)的公共建筑窗墻比各不相同，因此在參數(shù)選取過程中，應(yīng)根據(jù)不同窗墻比的建筑類型，有效調(diào)整圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)節(jié)能效果。