窗墙比对华北农村住宅能耗影响规律研究

刘 欢，张子平，赵士永，付素娟

(1.河北工程大学城市建设学院，河北邯郸056038;2.河北建筑科学研究院，河北石家庄050200)

建筑本体性能的改善是实现建筑节能的根本措施，其中窗墙比是影响建筑本体性能的关键因素。窗墙比加大，一方面由于玻璃的透射性会导致房间的热量增加，这样在改善冬季热环境的同时，也会造成夏季空调能耗的增加;另一方面由于玻璃的传热系数大于外墙的传热系数，会增加室内外的换热量，这样在增加夏季室内散热的同时，也会造成冬季采暖能耗的增加。这就意味着窗墙比的加大对夏季和冬季的室内热环境既存在着有利的一面，也存在着不利的一面。因此，确定合适的窗墙比，对充分利用太阳能实现建筑节能非常关键。尽管国内外对窗墙比对建筑能耗的影响规律做了大量的研究，但这些研究主要是针对城镇住宅，对农村的住宅研究较少。农村住宅与城镇住宅相比在外围护结构、保温密闭性等方面存在较大的差异，有必要对农村住宅单独进行研究。本文将研究农村住宅窗墙比对全年空调、供暖能耗的影响规律，确定华北地区农村住宅较合理的窗墙比。对实现华北地区农村住宅的节能降耗起到举足轻重的作用。

1 研究方法

本文通过DeST模拟的方法，结合华北地区农村住宅的特点，分别计算不同外窗材质、是否遮阳条件下空调能耗指标、供暖能耗指标，以及全年空调、供暖总能耗指标，并以此研究不同材质外窗、是否遮阳条件下，窗墙比对建筑能耗的影响规律。课题组对华北地区716户农村住宅进行了调研。调研结果显示:农村住宅不同于城镇住宅，多为独户独院建筑，冬季多为间歇供暖、夏季多为分体式空调供冷，住宅朝向多为坐北朝南或接近坐北朝南，也有部分居民住东厢房、西厢房或南厢房，木质门窗使用率为67%，铝合金材质为28%，塑钢材质最少仅为5%。78%的农村住宅窗户为单层玻璃，22%的农村住宅窗户为双层玻璃。门窗与所在墙体有不同程度的缝隙，其保温密闭性差，远远没有达到国家对农村建筑外门窗气密性达到四级的要求。开窗的位置及尺寸多为住户决定，由于追求良好的通风采光效果，导致农村住宅窗墙比较大，分布在0.5－0.8之间，50%的家庭安有窗帘。建筑外围护结构的参数如表1所示。

2 模型的建立

为了研究方便，本文仅选择一间长、宽均为4.8 m，高3.6 m，功能为卧室的房间作为研究对象。为避免体形系数的影响，该模型只设置屋顶及开窗墙为外围护结构，外墙为20 mm水泥砂浆+370 mm实心砖+20 mm水泥砂浆，外窗为铝合金加双层玻璃节能窗和木质窗框加单层玻璃的普通外窗，屋顶为100 mm厚混凝土加80 mm厚炉渣屋面。

供暖、空调的室内设定温度按《寒冷地区居住建筑节能设计标准》选取，分别为14℃和26℃，供暖、空调室外设计温度按石家庄地区的气象参数选取，分别为 －6℃和30.1℃ 。

设置房间人数为2人，冬季18:00－08:00，人员指数为1.0，其余时间人员指数为0.5，夏季12:00－14:00、19:00 －08:00人员指数为1.0，其余时间人员指数为0。

设置室内照明为30 W，设备发热为12.5 W，18:00－20:00灯光和设备指数为0.5，20:00－23:00灯光和设备指数为1.0，其余时间灯光和设备指数为0。

设置室内换气次数为0.5h－1至5h－1，夏季时，当室外温度低于室内温度时视为住户开窗通风，室内换气次数为5h－1，当室内温度高于室内温度时视为住户关闭门窗开启空调，室内换气次数为0.5h－1。

3 .数据分析

3.1 窗墙比对供暖能耗指标的影响

综合图1中的 a、b、c、d，可以看出，不同类型住宅、各朝向，随着窗墙比的增大供暖能耗指标的变化差别较大。对于木质单层玻璃外窗的住宅，无论遮阳与否，随着窗墙比的增大，供暖能耗指标呈明显的增长趋势，这说明由于窗墙比的增大带来的太阳辐射的热量要小于由于窗墙比增大而引起的室内散失的热量。其中，北向窗墙比对供暖能耗指标的影响最大，其它依次为东向、西向、南向。对于铝合金双层玻璃外窗的住宅，无论遮阳与否，随着窗墙比的增大供暖能耗指标均呈不同程度的下降趋势，由于窗墙比的增大带来的太阳辐射的热量，要大于由于窗墙比的增加造成室内散失的热量。其中，南向窗下降幅度最大，其余依次为西向、东向、北向。

通过对比图1中的a与c、b与d可以看出，无论是木质单层玻璃外窗还是铝合金双层玻璃外窗增设外窗遮阳后，供暖能耗指标的变化不大。这说明外窗遮阳对供暖能耗指标的影响不大，也说明窗墙比对供暖能耗的影响基本不受外遮阳的影响。

表1 农村住宅围护结构参数Tab.1 Parameters of rural residential palisade structure

通过对比图1中的a与b、c与d可以看出，当住宅的外窗由木质单层玻璃窗改为铝合金双层玻璃窗后，无论是否遮阳，各朝向供暖能耗指标都由增长变为下降趋势，这说明外窗保温性能的提高可以降低供暖能耗指标，也说明窗墙比对供暖能耗指标的影响受外窗保温性能的影响很大。

3.2 窗墙比对空调能耗指标的影响

综合图2中的 a、b、c、d可以看出，无论是木质单层玻璃外窗、铝合金双层玻璃外窗、是否遮阳，随着窗墙比的增大，空调能耗指标均呈增长趋势。这说明由于窗墙比的增大吸收太阳辐射的热量要大于由于窗墙比的增加散失的热量。其中，西向窗墙比对空调能耗指标的影响最大，其它依次为东向、西向、北向。通过对比图2中的a与b、c与d可以看出，当住宅的外窗由木质单层外窗改为铝合金双层玻璃外窗后，无论是否遮阳，空调能耗指标变化不大，这说明外窗保温性能的提高对空调能耗指标的影响不大，也说明窗墙比对空调能耗指标的影响基本不受外窗保温性能的影响。通过对比图2中的a与b、c与d可以看出，无论是木质单层玻璃外窗还是铝合金双层玻璃外窗，增设外遮阳后空调能耗指标明显小于未遮阳时空调能耗指标，这说明增设外遮阳可以降低空调能耗指标，也说明窗墙比对空调能耗的影响受外窗遮阳的影响很大。

3.3 窗墙比对全年总能耗指标的影响

综合图3 中的 a、b、c、d 可以看出，在东向、西向、北向，外窗无论是否遮阳、木质单层玻璃外窗还是铝合金双层玻璃外窗，随着窗墙比的增加全年总能耗指标呈明显上升趋势，窗墙比越大越不利于建筑节能，在南向，当由木质单层玻璃外窗改为铝合金双层玻璃窗后，无论是否遮阳总能耗指标随着窗墙比的增大呈现下降后增长的趋势，在南向存在总能耗最小的窗墙比。

通过对比图3中的a与b、c与d可以看出，无论是木质单层玻璃外窗还是铝合金双层玻璃外窗，当外窗增设遮阳后，总能耗指标均低于未设遮阳时的总能耗指标，在南向，总能耗指标最低的点对应的窗墙比为0.4，当外窗增设遮阳后，总能耗最低的点对应的窗墙比为0.6，这说明外窗遮阳可以降低住宅的总能耗指标，采用外窗遮阳可以适当增大窗墙比，也说明窗墙比对总能耗的影响规律受外窗遮阳的影响较大。

通过对比图3中的a与b、c与d可以看出，当外窗为铝合金双层玻璃时，无论是否遮阳，总能耗指标均小于木质单层玻璃外窗时的总能耗指标，在南向，总能耗指标由随着窗墙比的增大变为先下降后上升的趋势，这说明提高外窗的保温性能可以降低住宅的总能耗指标，也说明窗墙比对总能耗的影响受外窗的保温性能影响很大。

4 结论

1)东向、西向、北向窗墙比的增大供暖能耗指标、空调能耗指标、全年能耗指标均呈增长趋势。南向随着窗墙比的增加供暖能耗指标呈下降趋势，空调能耗指标呈增长趋势，当外窗为双层玻璃时总能耗指标呈现下降后增长的趋势，南向窗墙比为0.4时总能耗指标最小。

2)降低外窗传热系数、增设外窗遮阳可以降低住宅的总能耗指标，削弱了窗墙比对总能耗指标的影响，在外窗保温性能良好、增设外窗遮阳的条件下可以适当增大窗墙比。

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