窗墙比在公共建筑节能设计中的应用研究

颜嘉琪

华东建筑设计研究院有限公司 上海 200011

窗墙比的设计不仅会对建筑的采光和照明产生影响，还会对室内的温度产生非常大的影响，如果窗户面积、形式规格的设计不够合理，就会流失大量的热量，增加公共建筑空调系统的能耗，在节能设计的过程中，要充分考虑窗墙比对能耗的影响，将窗墙比控制在合适的范围内，参考窗墙比的相关标准，使室内拥有良好的采光通风条件，有着适宜的温度，为人们提供一个舒适的空间。

1 窗户相关要素和建筑能耗评价指标

1.1 与窗户有关的要素

窗户能够将自然光线引入到建筑内部，人们还可以透过窗户看到室外的景色，窗户的设计对建筑的能耗有很大影响，墙体具有较强的保温性，而窗户的保温效果较差，建筑的节能设计应注意三个要素，一是窗墙比，设计师可以在设计时参考《公共建筑节能设计标准》，对寒冷地区的公共建筑进行设计时，要对甲类公共建筑进行控制，按照窗墙比≤0.6的标准进行设计，其他地区公共建筑的窗墙比应≤0.7。同时，重点关注北向和东西向立面的窗墙比，可适当减小这些立面的窗墙比，适当增加建筑南立面的窗墙比。第二个要素是窗台高度，窗台高度主要会影响建筑的采光效果，通常，窗台高度越低，采光效果越好，应将高度控制在合理的范围内，若高度过低，会影响照度的均匀性，高度过高，会影响人们的视线和舒适度，公共建筑窗台高度应≥0.8m，住宅建筑窗台高度应≥0.9m。第三个要素是窗户形状，窗户本身的长宽比会对采光和照明能耗产生一定影响。

1.2 建筑能耗的评价指标

建筑能耗主要包含三方面的内容，一是制冷能耗，夏季温度较高，当建筑内部的温度高于26℃时，一般会开启制冷模式。二是制热能耗，冬季室内温度较低，当温度在18℃以下时，往往要对建筑进行供暖，或者开启制热模式，将室内的温度控制在合适的范围内。三是照明能耗，在缺少天然光的情况下，需要打开建筑中的照明设备，《建筑采光设计规范》对采光照度进行了规定，光照度越低，照明能耗越高。通常，办公区域的照度应≥500lx。公共建筑的节能设计还要

考虑光环境的评价指标，根据窗墙比进行模拟和计算，确保建筑的采光系数和全天然采光时间百分比满足相关规定。采光系数即DF，在建筑内部平面上选取一点，对这一点的天空漫射光形成的照度进行测量，同时对室外无遮挡平面任意一点天空漫射光的照度进行测量，室内照度与室外照度的比值就是采光系数；全天然采光时间百分比即DA，在一年当中，建筑内部依靠天然采光满足最小照度要求的时间百分比，对于办公建筑来说，全天然采光百分比应大于50%，只少有一半以上的时间能够满足办公照度的需求。另外，光环境分析还可以参考有效全天然采光时间百分比，即UDI，有效照度应当在100～2000lx之间，若照度太低，无法满足基本的办公需求，若照度过高，会让人们产生不适感。窗墙比会对制冷、制热、光照产生很大影响，对建筑外立面进行设计时，一定要注意这三个方面的能耗情况，通过窗墙比的合理设计降低公共建筑的总能耗[1]。

2 窗墙比对公共建筑能耗的影响

2.1 窗墙比对建筑空调能耗的影响

公共建筑的节能设计需要考虑围护结构的热工性能，在各个构件中，外窗的热工性能最差，外墙能耗仅为外窗能耗的1/3，外窗能耗在围护结构总能耗中的比例大约为40%～50%，应尽量减少窗户带来的热损失，对不同朝向立面的窗墙比进行控制。为了研究窗墙比对热损失的影响，选取了上海市临港新片区105社区金融西九项目10-01地块1#楼，对夏热冬冷地区公共建筑窗墙比的影响进行分析。

上海市临港新片区105社区金融西九项目10-01地块，位于上海市浦东新区南汇新城，地块东至香柏路，西至紫檀路，北至水芸北路，南至环湖北一路。处于热带季风气候区，7、8月平均温度为27.9℃，平均相对湿度为82%，冬季平均温度为2.1℃，平均相对湿度为75%，既要做好夏季降温工作，也要做好冬季采暖工作。1#楼办公建筑的高度为43.95m，共有8层，高层办公建筑，结构体系为钢结构，外立面形式为玻璃幕墙。

对采暖能耗进行计算和分析，当窗墙比不断增大时，建筑的采暖能耗也逐渐增大，例如，窗墙比从0.1逐渐增加到0.7，北向窗墙比变化后，制冷能耗增加了14%；东向窗墙比变化后，制冷能耗增长了17%；南向窗墙比变化后，制冷能耗增加了25%；西向窗墙比变化后，制冷能耗增长了37%。当窗墙比越来越高时，采暖能耗都会增加，但是，对西立面窗墙比进行调整时，能耗增加的幅度最高，这是因为上海市夏季太阳西晒时间较长，对夏季制冷的需求较高，导致制冷负荷较大，有必要对西向窗户进行遮阳处理。当窗墙比在0.1～0.4之间时，能耗增长率都差不多，在窗墙比为0.4的情况下，西向和南向的能耗增长率开始加大，所以，0.4是一个重要的数值。对于供暖能耗来说，东向、北向窗墙比变化后，供暖能耗分别增加了0.4%和3%，而南向和西向窗墙比不端增加后，供暖能耗逐渐降低，南向降低了12%，西向降低了10%。总体来说，西向对建筑总能耗的影响最大，南向次之，北向窗墙比对能耗的影响最小。由此可知，如果必须要增加该建筑窗户的面积，尽量增加西向窗户的面积，同时还要对西向窗户采取遮阳措施，减少窗墙比对采暖能耗的影响。当建筑的窗墙比较大时，不应减小墙体的传热系数，应以窗户的调整为主，减小窗户的传热系数。在综合考虑下，要想让公共建筑呈现出最好的节能效果，应将窗墙比控制在0.4左右，尽量不要让窗墙比超过0.6。

2.2 窗墙比对建筑能耗影响的模拟分析

公共建筑在整个城市建筑中的占比非常小，但是公共建筑的能耗却在总能耗中占有较高的比例。上海市临港新片区105社区金融西九项目10-01地块1#楼，建筑主要功能包含办公室、会议室等空间，共有8层，建筑一层层高为6米，标准层层高为4.5m，上海属于夏热冬冷地区、且湿度较大。对1#办公楼进行模拟和分析，主要采用了PKPM软件。在参数的设置中，屋面、外墙、楼板的热工参数分别为0.50、0.51、1.89，夏季和冬季的室温分别设定为25℃和20℃，同时还对相对湿度、各空间人员热扰、灯光热扰功率密度值、电气设备功率进行了设定，空调系统在白天开启，新风量设置为30m/（h·p）。窗墙比会影响窗户的传热系数，进而影响整个建筑的传热系统，当窗墙比较大时，会增加空调的能耗，但是，较高的窗墙比有利于改善采光性能，能够改变照明系统的运行模式，会降低照明能耗，需要综合分析各方面的能耗，考虑各部分能耗和总能耗的情况。

对于空调能耗来说，当窗墙比在0.1～0.3之间时，空调热负荷逐渐降低，超过0.3后，热负荷逐渐升高。随着窗墙比的增高，空调冷负荷逐渐加大，空调总能耗也逐渐加大，所以，窗墙比越大，空调能耗越大。根据软件模拟，发现空调冷负荷存在较大的变化幅度，最大增幅达到了76.4%，与之相比，空调热负荷的变化幅度相对较小。窗墙比在0.6～0.65之间时，空调总能耗增速较大，总能耗的最大增幅大约为34%。对于照明能耗来说，窗墙比为0.1时，照明能耗为55.51，窗墙比为0.4时，照明能耗为47.09，窗墙比为0.7时，照明能耗为41.14。由此可见，窗墙比和照明能耗呈反比的关系，窗墙比变大时，照明能耗会逐渐降低。综合能耗，最大变化幅度大约为－25.9%。

从综合能耗的层面进行分析，需要全面考虑空调、照明、电梯、设备等部分的能耗，由于窗墙比不会对电梯和其他设备的能耗产生影响，所以，在综合能耗的分析中只参考空调和照明的能耗。经过模拟，发现综合能耗的变化非常复杂，窗墙比在0.1～0.2之间时，综合能耗从104.03升高为104.5，窗墙比在0.2～0.4之间时，综合能耗从104.5降低为103.72，窗墙比在0.4～0.7之间时，综合能耗从103.72升高到106.41。由此可知，随着窗墙比不断加大，综合能耗呈现出加大、减小、加大的变化趋势，当窗墙比在0.35～0.45之间时，综合能耗降到了最低，该建筑可以按照这一标准进行控制，将窗墙比设计在该区间中，最大程度降低建筑的能耗。

2.3 基于窗墙比的公共建筑节能设计方法

将窗墙比控制在合理的范围内，能够有效减少热量传输时的损耗，建筑立面的设计要考虑建筑结构，根据结构的传热系数设计窗墙比。公共建筑的节能设计应重点对窗户进行设计，通过窗户的合理设计控制窗墙比，减少能量损失。首先，要选择合适的材料，不同材质的窗户有着不同的气密性，性能较好的材料能够减少热量的流失，避免外部环境的冷空气或热空气大量进入到室内环境中。窗户主要包括窗框和玻璃，窗框一般会使用两种材料，钢材和铝合金的导热系数分别为58.2和174.4，钢材阻热性较差、耐火性和刚性较强，铝合金的耐腐蚀性和导热性都比较强。选择玻璃时，低辐射中空玻璃,冬季最佳舒适温度比普通平板玻璃低1℃左右,夏季高1～2℃，充分满足上海地区气候特殊性，该类型幕墙建筑围护结构在夏季峰值冷负荷降低14%，运行负荷可降低32%，进而降低建筑物中空调的能耗，具有必要性。在玻璃幕墙窗框结构选择上，可以采用新型结构，该结构主要包括本实用新型涉及一种单元玻璃幕墙窗框结构，包括：玻璃，玻璃的四端开设有卡槽；套设于玻璃端部的固定框，固定框上开设有玻璃端部插入的容纳槽；铰接于固定框上用于限制玻璃掉出的限位板；插入卡槽后借款将玻璃固定在框上。该结构下玻璃的安装更加简单，且密封性满意。

窗墙比的设计要考虑窗户洞口的面积，窗户和墙体都属于建筑的外围护结构，外围护结构会直接影响建筑的能耗和光照，窗户的玻璃是透明的，所以外窗的传热系数也比较高，要想减少能耗，需要对传热系数进行控制，减小窗墙比有利于降低传热系数，同时也会增加施工的成本，应保证窗户能够满足采光通风的要求，适当降低窗墙比，避免热能大量流失。设计窗户的时候还要考虑太阳光照角度和日照率，根据建筑所在地区分析阳光照射强度，注意不同楼层和不同朝向立面的窗墙比。对南向的窗户进行设计时，应适当增加窗户的面积，更好地利用太阳光，其他朝向应尽量减小窗户的面积，降低其他朝向室内空间的能耗。

对公共建筑外立面的窗户进行节能设计时，一定要注意外窗的气密性。气密性设计是外窗节能设计的重点，若窗户的气密性较差，会使外部的冷空气和热量进入到建筑内部，增加建筑的制热能耗和制冷能耗。窗型的设计会对外窗气密性产生影响，在满足换气需求的基础上，应计量减少开启扇的数量，尽量不要采用平开窗，这种窗型密闭性较差。在外窗的设计中，还要注意型材规格和安装方式，控制好窗框和窗扇的搭接量。在窗框结构选择上，可以采用一种新型结构，应用多锁点五金系统，该结构系统能够满足大尺寸开启扇的要求，锁点和锁座之间紧密相扣，能够形成较好的压紧力，具有极强的密封性，能有效防止能量流失。该窗框结构本体的内端边缘位置设置玻璃托条，玻璃托条与窗框本体内端面垂直连接；窗框本体内端面上设置了密封胶托条，该托条与玻璃托条平行。该结构的主要特征，就是将玻璃的承重主要依靠窗扇型材，进而避免二次连接后可能造成的结构胶受重力荷载作用的影响，不仅密封性更好，且安全性也有显著增加。同时选择密封性能较好的密封条，使用优质的密封橡胶条。密封条有多种材质，存在不同的形状，选择密封条时应考虑型材截面的情况，硅橡胶具有良好的密封性，三元乙丙橡胶也是常用的密封材料，为增强窗户的密封性和保温性，可以设置多道密封[3]。

夏季的光照强度较高，若窗户面积较大，室内的温度会快速升高，为了降低制冷能耗，可以对窗户进行遮阳处理。将遮光装置安装在窗户上方，遮光装置有两种类型，一种是外遮光，另一种是内遮光。比较常用的有遮阳板，还可以增加挑阳台，外遮光装置的效果较好，但是内遮光装置更便于人们控制。设计时应考虑不同装置的遮阳效果，考虑夏季和冬季的太阳高度角，考虑室内空间的取暖需求。虽然遮阳装置能够减少夏季建筑的能耗，但是，北方地区冬季较为寒冷，有可能会增加冬季建筑的能耗，应综合考虑建筑工程所在地区的环境情况，避免遮阳装置对正常的采光产生影响，如果建筑位于南方地区，要重点考虑建筑的遮阳需求，如果遮阳装置的设置比较合理，就能够产生20%～30%的节能效益，有必要进行遮阳处理，以实现节能的目标[4]。

3 结论

窗户和墙体都是建筑的重要构件，窗户面积和墙体面积的比例会是建筑节能设计的重点，必须要对窗墙比和建筑能耗情况进行分析，依照公共建筑节能设计标准和建筑的实际情况进行窗墙比的设计，让窗墙比更加合理，满足经济、节能、环保的要求。