外窗热工性能对住宅采暖及制冷能耗的影响分析——以苏州金茂府某住宅为例

刘 畅 北京金茂绿建科技有限公司

1 引言

随着我国能源形势日趋紧张，建筑领域的节能潜力收到越来越多的重视。以北京为代表城市，2012年开始执行居住建筑75%[1]节能标准，严寒和寒冷地区居住建筑节能标准JGJ 26—2018[2]也修编完成并于2019年8月1日起正式实施。新建居住建筑的设计方向，从节能建筑，发展为低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑、产能建筑[3]。根据居住建筑的能耗组成分析，围护结构中外墙、外窗、屋面等对能耗的影响程度是不同的[4]，也与项目所在的热工分区相关。

对于夏热冬冷地区，外窗传热系数及遮阳系数对能耗的影响是非常显著的。本文以苏州金茂府某住宅楼为模型，通过能耗分析软件DeST进行建模，模拟不同外窗参数下，该建筑的能耗变化趋势。同时，结合外窗的经济性进行综合分析，提出一个热工参数经济平衡点，为同类型住宅建筑的设计提供参考。

2 模型建立

2.1 模型概况

图1 DeST建模模型

2.2 模拟软件介绍

能耗模拟采用DeST软件。该软件是一款模拟建筑物室内热湿环境和采暖通风空调制冷系统动态过程的大型计算软件，该软件由我国自主研发，研发单位为清华大学。目前该能耗模拟软件已经在我国建筑节能领域展开了应用，为方案阶段及设计阶段的优化提供了工具。

2.3 建筑信息

本文的研究对象为夏热冬冷地区住宅建筑，本类型建筑以中高层居多，因而模拟建筑选取本气候区具有代表性的典型建筑。

选定建筑为苏州金茂府的某商品住宅楼，地上26层，地下1层，层高3.0m，体形系数0.11，外墙K值0.85W/（m2·K），屋顶K值0.50W/（m2·K），总建筑面积14688m2，总高度82.65m。

3 能耗分析

对于夏热冬冷地区，集中式空调负荷以冷负荷为主，最大冷负荷大于最大热负荷。因此，最大冷负荷直接决定了冷热源系统设备选型。

通过以上的建筑模型，模拟不同遮阳系数对冷负荷的影响，其中外窗的传热系数统一设置为2.4W/（m2·K），遮阳系数SC从0.20～0.45，以0.05为步长，每组热工参数对应的全年最大负荷、全年最大负荷指标如图2和图3所示。

图2 遮阳系数对全年最大负荷指标的影响

图3 遮阳系数对全年最大负荷的影响

其中，遮阳系数与全年最大负荷呈线性关系。在外窗传热系数K=2.4W/（m2·K）时，随着遮阳系数的增加，冷负荷线性增加，SC值从0.20增加到0.45，最大冷负荷增加的比例是40.7%，而热负荷的增加比例是7.8%。

为探究外窗的传热系数对负荷的影响，将SC值统一设置为0.30，K值从1.2W/（m2·K）增加至2.4W/（m2·K），变化步长为0.2，模拟结果如下。

图4 外窗传热系数K值对全年最大负荷指标的影响

图5 外窗传热系数K值对全年最大负荷的影响

根据图4和图5的模拟结果，外窗K值对热负荷的影响较大，对冷负荷的影响相对较小。外窗K值从1.2W/（m2·K）变化为2.2W/（m2·K）时，全年最大热负荷增加的比例是22.5%，全年最大冷负荷增加的比例是4.1%。

4 影响因素及经济性分析

根据市场调研结果，外窗的K值由2.4W/（m2·K）提升至1.2W/（m2·K），增量成本在800元/m2～1200元/m2左右，遮阳系数的降低主要依靠镀Low-E膜等技术措施，遮阳系数从0.45降低至0.20，增量成本约300元/m2～600元/m2左右。

对于采用集中采暖与集中供冷的夏热冬冷地区住宅，以外窗K=2.4W/（m2·K），SC=0.30为例，本建筑最大冷负荷259.5kW，最大热负荷175.6kW，通过第三章的能耗分析，遮阳系数对冷负荷的节能潜力更大。建议夏热冬冷地区，该类典型建筑，选择遮阳系数较低的外窗产品，例如遮阳系数接近0.2。实现较低的遮阳系数，除了从外窗产品本身出发，也可以结合不同的外遮阳形式实现，而且从各地居住建筑节能标准的要求来看，大部分热工分区对东西向外遮阳都有强制性条文要求。此外，为同时兼顾采暖能耗，可适当降低外窗传热系数，例如1.6W/（m2·K）～1.8W/（m2·K）。

5 结束语

通过能耗模拟软件，分析外窗热工性能对夏热冬冷地区某住宅的能耗影响。其中，遮阳系数的影响较大，结合遮阳系数的经济性分析，可将进一步降低外窗遮阳系数作为主要节能措施。同时，在满足建筑立面效果及窗地比的条件下，尽量降低东西向外窗的窗墙比，可有效降低建筑夏季最大冷负荷。