基于夏热冬冷地区住宅节能设计中窗墙比与能耗的关系探讨

颜奋

摘 要：本文通过节能分析软件，以住宅设计为例，建立一个住宅建筑的简化模型，分析不同窗墙比的情况下设计建筑的能耗情况，并与参考建筑能耗相比较，从而得出窗墙比与建筑实际能耗之间的关系，以及不同窗墙比与设计建筑及参考建筑能耗差的关系，为住宅设计合理的窗墙比提供理论数据参考。

关键词：住宅；节能；窗墙比；能耗

1、引言

建筑的节能设计，是我国发展的基本国策之一；建设节约型社会是我们目前的主要发展方针，也是走可持续发展道路的重要途径。建筑作为能耗大户，节能工作己刻不容缓。而住宅是每位设计者接触最多的、也是最常见的建筑，作为每个人生活的必需品而与我们息息相关，好的节能住宅在使用过程中可以为使用者节约大量电能，从而降低生活的成本。

而在实际住宅建筑立面设计中，通透大开窗、外飘窗、落地窗的设计比比皆是，有的还设计了超长、拐角弧形等新型飘窗，这种方式成为扮靓住宅外表的新宠，也成了开发商制造卖点的手段。开发商乐于选择大面积外窗的設计，并非这项设计有多大的科学性，而是为了迎合市场奢华之风的需求，满足购房者对景观视野的要求。大开窗确实拥有外观漂亮、房内阳光充足等优点，然而，随之而来的是不节能、隔热性差等问题。本文通过节能软件对夏热冬冷地区不同窗墙比的住宅建筑模型进行能耗分析，从而以直观的理论数据的形式分析窗墙比与能耗之间的关系，作为设计者进行住宅立面设计的参考，从而提高住宅的经济性、实用性、美观性三者之间的平衡。

2、窗墙比与能耗关系的分析

2.1、使用的节能设计分析软件

本文使用的PKPM建筑节能设计分析软件是中国建筑科学研究院建筑节能研究发展中心在建筑节能领域长期的研究为技术基础，根据国家、各省市节能设计标准，对建筑进行维护结构节能方案的设计，并通过计算各维护结构的传热系数及热惰性指标等数据与相应规范进行对比，并可对建筑的全年采暖和空调能耗进行动态计算，根据建筑的采暖和空调的年耗电量之和是否超过限值来判断本建筑是否符合节能设计要求。

2.2、住宅建筑简化模型的建立

在建筑节能计算中，主要是通过计算整栋建筑的空调能耗并与参考建筑的能耗相比较，其计算所得设计建筑的采暖和空调年耗电量之和应当小于参照建筑的采暖和空调年耗电量之和才能得出设计建筑符合节能设计要求的结论。

节能计算中提到的参考建筑是进行围护结构节能动态计算时的假想建筑，其应满足下述条件：

（1）参照建筑的建筑形状、大小和朝向均应与所设计建筑完全相同；

（2）当设计建筑体形系数超标时，应按同一比例将参照建筑屋面、外墙分为传热与绝热两部分，参照建筑外围护传热面积之和除以体积等于规定体形系数限值。参照建筑各朝向和屋顶的开窗面积应与所设计建筑完全相同；但当所设计建筑某个朝向的窗面积超过规范规定时，参照建筑该朝向的窗面积应减小到符合规范的规定（例如，北≤0.35，东、西≤0.25，南≤0.5）

本文主要是分析窗墙比与建筑能耗之间的关系，而在夏热冬冷地区，南向外窗的面积对建筑的整体能耗影响明显，并且在住宅中南向窗的面积所占比例很大，考虑住宅建筑中南向立面作为整个建筑的主立面，是设计过程考虑的重点，因此通过简化计算模型，仅以改变南向窗墙比数值的方式达到比对结果的目的。

2.2.1、简化模型平面概况

简化的住宅节能计算模型为矩形，由开间为3.3米，进深为7.2米的7个单元组合成的南北向平面，层高为3米，共计10层，具体平面详见下图1。

2.2.2、外围护结构设置

本文仅分析不同南向窗墙比情况下，同一住宅建筑模型的能耗，因此除了南向窗墙比不同外，其余与节能计算（能耗）相关的参数设置均统一，具体设置如下：

（1）建筑概况：

城市：上海（北纬=31.00°，东经=121.00°）；气候分区：夏热冬冷地区（Ⅲ区）；建筑结构类型：框架结构（含框剪）；体形系数：0.40；节能计算建筑面积（地上）：1645.72 （外轮廓线） m2；建筑体积（地上）：4937.17 m3； 节能计算总建筑面积：1645.72 （外轮廓线） m2； 建筑总体积：4937.17 m3；建筑表面积：1981.63（外轮廓线） m2；建筑层数：10 ；建筑物高度：30.00 m；

（2）外围护结构设置：

屋面类型（自上而下）：水泥砂浆（40.0mm）+泡沫玻璃（70.0mm）+轻集料混凝土浇捣（屋面找坡）（30.0mm）+钢筋混凝土（120.0mm）+混合砂浆（20.0mm）

外墙类型（自外至内）（默认外墙）：水泥砂浆（5.0mm）+半硬质玻璃棉板（30.0mm）+加气混凝土砌块（B07级）（240.0mm）+石灰水泥砂浆（20.0mm）

分户楼板：水泥砂浆（40.0mm）+钢筋混凝土（120.0mm）+混合砂浆（20.0mm）

外窗（含阳台门透明部分）：隔热金属型材多腔密封窗框K≤5.0[W/（m2K）]，框面积≤20%，（6mm透明+12空气+6mm透明），传热系数3.20W/m2.K，玻璃遮阳系数0.86，窗框系数0.75，气密性为6级，可见光透射比0.71.

2.3、不同南向窗墙比建筑模型的节能计算及分析

2.2.1、模型节能计算

通过调整每个单元南向窗户的不同尺寸，以达到改变窗墙比的目的，同时为了更好的比较窗墙比递减比例与能耗变化的关系，设置十种不同窗墙比的模型进行节能计算，十种模型窗墙比的递减值约为0.07，通过PKPM节能计算软件，可以得出十种不同窗墙比建筑模型的具体计算结果，详见下述表格1：

表格1

2.2.2、数据分析

根据上述表格的计算数据，可以建立如下数据图表，更为直观的反应不同数据之间的关系：

图2设计建筑能耗与窗墙比

图3 参考建筑能耗与窗墙比

图4 能耗差与窗墙比

从图2“设计建筑能耗与窗墙比”中可以看出，随着窗墙比的增加，空调总能耗逐步增加，而采暖能耗却逐步递减，建筑实际总能能耗逐步增加，二者关系基本呈现线性比例关系；

从图3“参考建筑能耗与窗墙比”中可以看出，随着窗墙比的增加，参考建筑的空调能耗和采暖能耗变化平缓，当窗墙比超过规范限值（0.5）的要求时，根据节能计算的规定，参考建筑仍按照规范要求的窗墙比限值进行能耗计算，因此参考建筑能耗不变；

从图4“能耗差与窗墙比”中可以看出，随着窗墙比的增加，建筑实际能耗与参考建筑的能耗差先是成曲线递减，尤其是在窗墙比小于0.3时，随着窗墙比的递增，能耗差的递减比较缓慢，说明建筑节能效果较好，而当窗墙比超过规范限值0.5之后，能耗差下降速度明显增快，程线性下降趋势，说明虽然建筑依然满足节能要求，但是建筑节能效果较差。

2.2.3、分析讨论

南向开窗面积直接对室内采暖和空调的能耗产生影响，夏热冬冷地区增加南向开窗面积可以减少冬季采暖能耗，但是相应的也会增加夏季空调能耗，而且增加的空调能耗大于减少的采暖能耗，因此建筑总能耗程上升趋势。

建筑节能计算中的权衡计算即是通过比较设计建筑的总能耗是否小于参考建筑总能耗来判断设计建筑是否符合节能设计要求，因此设计建筑与参考建筑的能耗差实际代表了整个建筑通过节能措施后的节能效果，能耗差越小，虽然满足节能要求，但是节能效果较差，反之，说明节能效果较较好，即所采取的节能措施还有余量，可以通过降低围护结构的热工性能来优化整个建筑的能耗，既能满足规范要求的节能目标，又能降低整个建筑的建设成本。

可见，窗墙比是影响建筑能耗的重要因素之一，在住宅设计過程中选择合理的窗墙比对建筑节能以及控制建筑成本有着不可忽视的作用。

3、结论

在实际住宅设计中，实际建筑平面布置要比文中所建模型复杂，影响能耗的因素也不仅仅是外窗，还受体形系数及其他外围护结构的热工性能的影响，在住宅建筑设计除了通过控制其体型系数外，更主要通过控制外围护结构的传热系数来减少围护结构的传热损失，降低建筑能耗。而外窗的能耗在住宅建筑的围护结构的整体能耗中占有约30%～50%，这是相当大的比例，因此，外窗作为耗能大户，我们在设计过程中，在考虑采光通风、立面效果的同时，也应合理控制窗墙比，做到美化立面和节约建筑能耗及建设成本二者的平衡统一。