夏熱冬暖地區(qū)不同窗墻面積比對辦公建筑能耗影響分析

李楠，韓明珠

［1.廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010；2.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092］

0 引言

2021 年，國務(wù)院發(fā)布《2030 年前碳達(dá)峰行動方案》，圍繞2030 年前碳達(dá)峰目標(biāo)，對實(shí)施碳達(dá)峰工作進(jìn)行了總體部署。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，建筑行業(yè)所消耗的能源占全世界的30%～40%，所排放的溫室氣體約占全世界的30%，綠色建筑作為“十四五”規(guī)劃期間建筑業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向，全面發(fā)展綠色建筑是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)是指建筑設(shè)計(jì)中，建筑外圍護(hù)、房間四周所包含的圍護(hù)構(gòu)件，一般來說，圍護(hù)結(jié)構(gòu)指的是外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，包括屋面、外墻、外窗、接觸室外空氣的架空樓板、地面等。在我國切實(shí)開展建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能工作，有利于降低建筑能耗[1]。作為建筑立面設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，窗墻面積比的大小不僅影響建筑的立面效果，而且影響建筑能耗[2]；例如，增大窗墻面積比有利于獲得良好的采光，降低照明能耗，但同時也會增加室內(nèi)外的熱傳遞，降低冬季供暖能耗，增加了夏季制冷能耗。本文選取位于夏熱冬暖地區(qū)的某辦公建筑，研究不同窗墻面積比對建筑負(fù)荷及能耗的影響。

1 模擬軟件介紹

PKPM 綠建節(jié)能系列軟件由中國建筑科學(xué)院自主研發(fā)，可以用于公共建筑、居住建筑、工業(yè)建筑的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)、能耗模擬、碳排放計(jì)算、綠建模擬計(jì)算等。PKPM 基于AutoCAD 軟件平臺，在建筑既有圖紙基礎(chǔ)上建立三維綠建節(jié)能模型。PKPM 內(nèi)置的各省市建筑節(jié)能常用墻體和窗體數(shù)據(jù)庫，可以反映建筑構(gòu)件的真實(shí)熱工性能。PKPM-Energy 模塊能夠按照項(xiàng)目地的建筑熱工設(shè)計(jì)分區(qū)以及全年氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算各構(gòu)件分項(xiàng)負(fù)荷，分析全年能耗情況[3]。

2 建筑及模型概況

本研究所選取的辦公建筑位于廣州市，屬于夏熱冬暖B 地區(qū)，南北朝向，框架結(jié)構(gòu)，體形系數(shù)0.13，地下1 層，地上15 層，層高4.5m，建筑總高度67.50m，總建筑面積20294m2，其中地上19026m2，地下1268m2。建模過程中利用AutoCAD 軟件對建筑施工圖進(jìn)行整理，歸并PKPM 綠色節(jié)能軟件能夠識別的門、窗、墻等線型，通過從平面圖紙導(dǎo)入方式建立PKPM 模型，保證建筑能耗計(jì)算的準(zhǔn)確性，模型軸測圖如圖1 所示。

圖1 模型軸測圖

在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方面，可以通過優(yōu)化建筑朝向、調(diào)整體形系數(shù)、優(yōu)化窗墻面積比、墻體傳熱系數(shù)、窗體傳熱系數(shù)、遮陽系數(shù)等設(shè)計(jì)來降低能耗需求。通過研究控制合理的窗墻面積比、提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，來降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)帶來的建筑能耗[4]。在本研究中，為了減少變量對結(jié)果的干擾，對影響建筑能耗的因素包括體形系數(shù)、屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、外墻傳熱系數(shù)、外窗傳熱系數(shù)、玻璃遮陽系數(shù)等都設(shè)為定量，所有的模型都采用同一套外圍護(hù)構(gòu)造，建筑構(gòu)造做法如表1 所示。屋面、外墻的K 值分別為0.40W/（m2·K）、1.09W/（m2·K），外窗K值為2.40W/（m2·K），遮陽系數(shù)為0.32，東南西北各朝向窗墻面積比均相同，分析該辦公建筑在0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 不同窗墻面積比情況下的建筑能耗表現(xiàn)情況。

室外氣象參數(shù)采用典型年氣象參數(shù)，在PKPM 軟件中選取地點(diǎn)后自動調(diào)用，無須手動輸入。室內(nèi)計(jì)算參數(shù)按照《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》（GB 55015—2021）選取，對于不同的房間類型，夏季和冬季的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、人員密度、設(shè)備功率、照明功率等的設(shè)置也不相同，具體參數(shù)設(shè)置如表2 所示。暖通空調(diào)系統(tǒng)選用兩管制風(fēng)機(jī)盤管加獨(dú)立新風(fēng)類型，參數(shù)默認(rèn)。

表2 室內(nèi)計(jì)算參數(shù)

3 結(jié)果分析

建筑負(fù)荷是建筑能耗的基本組成部分，建筑能耗等于建筑負(fù)荷加上空調(diào)采暖系統(tǒng)本身的能耗。因此，建筑負(fù)荷主要與圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能有關(guān)，而建筑能耗既與圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能有關(guān)，也與空調(diào)采暖系統(tǒng)有關(guān)[5]。PKPM能耗模擬計(jì)算結(jié)果可以包括兩部分：負(fù)荷計(jì)算結(jié)果和能耗計(jì)算結(jié)果。根據(jù)《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378—2019）中對建筑全年計(jì)算負(fù)荷的要求，參考《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》（GB 55015—2021）中圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)限值，本文的負(fù)荷計(jì)算采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷作為結(jié)果輸出，即建筑所有房間全年都維持恒定的空調(diào)溫度，建筑屋面、外墻、外窗、隔墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)由于室內(nèi)外溫度差和太陽輻射影響產(chǎn)生的負(fù)荷。

3.1 建筑各構(gòu)件分項(xiàng)負(fù)荷

對于設(shè)計(jì)建筑，在不同的窗墻面積比情況下，外窗所占的負(fù)荷比例均最大，屋面所占的負(fù)荷比例均最小。隨著窗墻面積比從0.3 增至0.7，外窗負(fù)荷比例從45.15%增大至78.28%，外墻負(fù)荷比例從46.85%減小至16.27%，內(nèi)圍護(hù)負(fù)荷比例從5.64%減小至3.81%，屋面負(fù)荷比例從2.37%減小至1.64%，不同窗墻比下各構(gòu)件的負(fù)荷比例如圖2 所示。由此可見，隨著窗墻面積比的增加，外窗對建筑負(fù)荷的作用越來越大，屋面、外墻和內(nèi)圍護(hù)對建筑負(fù)荷的作用越來越小，改變外窗的熱工性能比改變屋面、外墻和內(nèi)圍護(hù)的熱工性能效果更為顯著。

圖2 不同窗墻比下各構(gòu)件的負(fù)荷比例

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐月負(fù)荷

經(jīng)過計(jì)算還得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的逐月負(fù)荷，不同窗墻面積比情況下的逐月負(fù)荷分布大體相似，這里以窗墻面積比0.6 為例進(jìn)行分析，圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐月冷負(fù)荷如圖3所示，在7 月、8 月、9 月，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷負(fù)荷較高，1 月、2 月冷負(fù)荷較低；圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐月熱負(fù)荷如圖4 所示，在1 月、2 月，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷較高，7 月、8 月、9 月的冷負(fù)荷幾乎為0，建筑逐月負(fù)荷分布較為合理。圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐月總負(fù)荷如圖5 所示，從圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐月總負(fù)荷來看，7 月的圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷最大，8 月次之，4 月最小。

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐月冷負(fù)荷

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐月熱負(fù)荷

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐月總負(fù)荷

3.3 建筑全年負(fù)荷和建筑能耗

統(tǒng)計(jì)窗墻面積比從0.3 增加至0.7 時，計(jì)算得到的全年熱負(fù)荷、全年冷負(fù)荷、供暖能耗量、供冷能耗量，結(jié)果如圖6 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，全年冷負(fù)荷要大于全年熱負(fù)荷，供冷能耗量要大于供暖能耗量。隨著窗墻面積比的增加，全年熱負(fù)荷、全年冷負(fù)荷、供暖能耗量、供冷能耗量均逐漸增加，接近線性關(guān)系，且全年冷負(fù)荷對窗墻面積比的變化更加敏感。

圖6 窗墻面積比對建筑全年負(fù)荷和能耗的影響

4 結(jié)語

本文以廣州某辦公建筑為例，研究了夏熱冬暖地區(qū)窗墻面積比對建筑能耗的影響，結(jié)果表明，隨著窗墻面積比的增加，外窗的熱工性能在建筑負(fù)荷中占主導(dǎo)作用，可以通過適當(dāng)提高外窗的熱工性能，來降低建筑的供暖空調(diào)負(fù)荷。對于夏熱冬暖地區(qū)，建筑全年冷負(fù)荷要高于全年熱負(fù)荷，且對于窗墻面積比的變化較為敏感，在降低建筑能耗時，應(yīng)優(yōu)先考慮能夠降低冷負(fù)荷的措施。因此，在建筑方案及節(jié)能設(shè)計(jì)時，應(yīng)合理設(shè)計(jì)建筑立面的窗墻面積比，并對圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在滿足規(guī)范要求的同時，降低對建筑全生命周期能耗的影響。