基于 PKPM 软件模拟分析窗墙比对建筑能耗的影响

基于PKPM软件模拟分析窗墙比对建筑能耗的影响

江宏玲，贺传友，戴新荣

(安徽省建筑工程质量监督检测站，安徽 合肥230088)

摘要：以合肥地区某办公楼为研究对象，采用PKPM节能分析软件为该建筑建立了几何模型，进行了赋值计算，模拟出该建筑全年的采暖和空调能耗，研究了窗墙比和朝向对采暖、空调及总能耗的影响规律。结果表明，加大东(西)向、北向窗墙比将同时增加建筑的采暖、空调能耗；加大南向窗墙比将减少采暖能耗，增加空调能耗，导致建筑总能耗呈上升趋势。为保证良好的节能效果，建筑设计时建议南向窗墙比取值低于0.3。

关键词：窗墙比；PKPM；朝向；能耗；节能

收稿日期：2014-08-14

作者简介：江宏玲(1987-),女,硕士，助理工程师，主要研究方向为新能源。

中图分类号：TU201.5

Simulation and Analysis the Influnce of Window-wall

Ratio on Building Energy Consumption based on PKPM Software

JIANG Hong-ling,HE Chuan-you,DAI Xin-rong

(Anhui Province Construction engineering quality supervision and inspection station, Hefei 230088, Anhui, China)

Abstract:Danamically simulates the annual heating and air conditioning energy consumption for an office building in Hefei using PKPM energy consumption simulation software，based on establishing the geometric model and calculating the assignment, so as to investigate the influences of window-wall ratio and orientation on energy consumption of the building．The results show that the heating and air conditioning energy consumption will both increase with the greater east(west) or north window-wall ratio, at the same time, greater south window-wall ratio will reduce the heating energy consumption and increase the air conditioning energy consumption, leading to the total energy consumption is on the rise. It is proposed that the south window-wall ratio should be lower than 0.3 in architectural design, in order to ensure excellent energy saving effect.

Key words:window-wall ratio；PKPM；orientation；energy consumption；energy saving

1引言

随着我国城市化进程的不断加快，建筑能耗日益增长，在影响建筑能耗的诸多因素中，围护结构占据主导地位，因此，围护结构热工性能的好坏直接影响建筑能耗的高低[1-2]。窗墙比即为一项重要的热工性能参数，其影响建筑能耗的规律是复杂的：增大窗墙比会使室内的太阳辐射量增加，一方面可以提高冬季室内热环境，另一方面也会增大夏季空调能耗，即窗墙比的加大对建筑能耗存在有利和不利的方面[3]。因此，为有效降低建筑能耗，必须研究窗墙比的变化对建筑能耗的影响，从而合理优化窗墙比。

在该课题的研究方面，国内许多学者和机构已有大量相关的报道[4-8]。但是上述研究中多是针对居住建筑，且对于窗墙比与建筑能耗的变化规律研究结果不太一致。为了探讨该变化规律，本文以合肥市某办公建筑为例，采用PKPM软件建立模型并进行能耗模拟分析，以理论数据的形式研究不同朝向的窗墙比下采暖及空调能耗的变化趋势，对公共建筑合理取值窗墙比具有参考价值。

2工程概况

该办公建筑位于安徽合肥市，图1为该建筑的外观图。该建筑类型为新建公共建筑中办公建筑，总计建筑面积8381m2，该建筑基本信息如下：

■公共建筑类型：乙类；

■建筑面积：8381.66m2；

■建筑高度：24.60m；

■建筑层数：地上6层；

■建筑体型系数：0.19；

■建筑结构类型：框架结构。

3软件模拟

3.1软件介绍

本文使用的PKPM模拟软件由中国建筑科学研究院开发，其功能广泛，可用作建筑节能分析、能耗分析及计算节能率等，可依据国家和地方现行规范标准对设计建筑和参照建筑进行逐时的动态能耗模拟，根据计算建筑的总能耗是否超过参照建筑[9]总能耗的限值来判断建筑能否符合节能设计要求。

3.2模型建立

结合该建筑的设计报告及资料，使用PKPM能耗模拟软件建立该建筑物的计算模型，通过模拟计算得出全年采暖耗能和空调耗能。图2为该计算模型的三维图。

3.3参数赋值

能耗计算参数的赋值主要包括：建筑基本信息、室内外计算参数、围护结构热工性能参数、建筑用能系统概况及运行条件等。根据该建筑的实际情况，其部分参数来源如下：

■计算城市：合肥市(北纬=31.90，东经=117.19)；

■气候分区：夏热冬冷；

■采暖、空调等设备满足《安徽省公共建筑节能设计标准》[9]；

■室外气象计算参数采用典型气象年数据；

■固定换气次数为1.0次/h；

表1所示为该地区夏季和冬季的设计参数，表2～表4所示为各围护结构的热工性能参数。

表1　室内设计参数

表2　屋面热工性能参数

表3　外墙平均传热系数

表4　外窗类型

3.4参照建筑模型参数设置

设计建筑与参照建筑围护结构热工性能参数的对比，具体如表5所示。

表5　设计建筑与参照建筑围护结构热工性能对比

4计算结果及分析

4.1对采暖能耗的影响

通过调整每个单元窗户的不同尺寸来改变窗墙比，针对东(西)、南、北不同的朝向，模拟单位建筑面积的采暖能耗随窗墙比的变化情况，计算结果如图3所示。

从图3可以看出，采暖能耗随着东(西)向和北向窗墙比的增加而增加，相反，更大的南向窗墙比可以降低采暖能耗。这是由于冬季南向太阳辐照度最大，房间透过外窗获得的太阳辐射要大于通过外窗的热损失量。

4.2对空调能耗的影响

由于玻璃具有良好的太阳透过性能，东(西)、南、北各个朝向下，加大窗墙比均会使得室内的太阳辐射得热量大幅增加，对空调能耗的降低显然不利。

结合上述采暖能耗随各朝向窗墙比的变化规律，可以知道，增加东(西)向和北向窗墙比，将导致采暖，空调总能耗增加；对于南向，采暖能耗随窗墙比的增大反而减小，因此南向窗墙比对总能耗的影响是有利或不利暂不能确定。为此，有必要模拟分析单位建筑面积的空调能耗受南向窗墙比的影响规律，结果如图4所示。

4.3对总能耗和能耗差的影响

根据上述采暖能耗和空调能耗随窗墙比变化规律的计算结果，研究分析南向窗墙比对建筑全年总能耗的影响规律，结果如图5所示。

从图5可以看出，随着南向窗墙比的加大，建筑总能耗呈上升趋势，即加大南向窗墙比对空调能耗的不利影响程度要大于对采暖能耗的有利影响程度。

实际建筑设计中，为了兼顾建筑创作，并不要求所有朝向都满足窗墙比要求，文献[2]研究结果表明，各朝向窗墙比对建筑总能耗的影响程度由高至低依次为：南向最高，东(西)向最低，北向居中。因此，应着重从改变南向窗墙比着手来降低建筑总能耗。

节能计算中可通过设计建筑总能耗与参照建筑总能耗的差值来定性判断建筑的节能效果，差值越大说明节能效果越好，即节能措施尚有余量，反之，说明节能效果较差。南向窗墙比与能耗差的变化关系如图6。

从图6中可以看出，随着窗墙比的增大，能耗差不断递减，窗墙比小于0.3时，图中曲线较平缓，说明节能效果较好；当窗墙比超过规范[9]限值0.7之后，曲线较陡，下降速度较快，说明节能效果很差。因此，建筑设计中，考虑到建筑节能效果，建议南向窗墙比低于0.3。

5结论

文中运用PKPM软件模拟了建筑全年能耗，研究分析了不同朝向及不同窗墙比的条件下，建筑采暖、空调能耗的变化规律，得出结论：结果表明，加大东(西)向、北向窗墙比将同时增加建筑的采暖、空调能耗；加大南向窗墙比将减少采暖能耗，增加空调能耗，导致建筑总能耗呈上升趋势。实际建筑设计中，建筑的平面布置比文中所建模型复杂，影响建筑能耗的关键指标除了窗墙比之外还有很多因素，设计时应在满足节能规范标准

的同时综合考虑各影响指标之间的相互关系。此外，通过本文分析还可以看出PKPM软件可应用于建筑围护结构的节能设计，便于在建筑设计阶段找到建筑节能的关键点，为建筑节能设计参数的合理取值提供参考数据。

参考文献

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2赵亚楠，刁乃仁，韩明坤，等．窗墙比和体形系数对建筑全年动态负荷的影响[J]．山东建筑大学学报，2012，27(6)：617-621．

3张吉超，李庆磊，房大兵，等．窗墙比和体形系数对办公建筑能耗的影响[J]．建筑节能，2011，(9)：47-49．

4侯余波，付祥钊．夏热冬冷地区窗墙比对建筑能耗的影响[J]．建筑技术，2001，32(10)：661-663．

5简毅文，江亿．窗墙比对住宅供暖空调总能耗的影响[J]．暖通空调，2006，36(6)：1-5．

6龙恩深，付祥钊．窗墙比对居住建筑的冷热耗量指标及节能率的影响[J]．暖通空调，2007，37(2)：46-50．

7糜旭峰．浅析夏热冬冷地区住宅节能设计中窗墙比与能耗的关系[J]．建筑知识：学术刊，2013，(4)：161-162．

8林晨，彭晓彤，张琪．寒冷地区混合结构住宅能耗实例模拟与分析[J]．建筑技术，2013，44(3)：205-208．

9DB341467-2011．安徽省公共建筑节能设计标准[S]．安徽省住房和城乡建设厅，安徽省质量技术监督局．