基于建筑节能的被动式低能耗建筑窗墙比优化研究

刘广业， 吴秉义， 夏国文， 李桂洋， 佘顺志

(上海宝冶集团有限公司，江苏 南京 210000)

0 引 言

随着我国经济社会的飞速发展，工业、交通及建筑业等行业不断进步，能源消耗也随之不断增长[1]。于是，被动式低能耗建筑凭借良好的节能效果得到了长足的发展和广泛的推广。继德国等欧美国家出台被动式低能耗建筑相应标准条文后，我国也在此领域做了诸多工作[2-6]。不过，目前国内的节能模拟研究主要还是以给定实体参考模型，改变建筑本体结构热工参数或空调系统参数，然后进行分析为主，而针对被动式低能耗建筑的合理窗墙比、体型系数等的研究较少，因此很有必要对以建筑节能为目的的被动式低能耗建筑的窗墙比开展优化研究。

1 工程背景及模型建立

1.1 建筑概况

模拟用典型建筑为一座被动式超低能耗公共建筑，位于青岛市李沧区。典型建筑地下部分为4层，用作地下车库、机房、地下室；地上部分共5层，主要用作展览厅、实验室及会议室等。建筑主体采用框架结构，外墙做外保温处理，外墙传热系数为0.18 W/m2K，屋面传热系数为0.11 W/m2K，均符合《近零能耗建筑技术标准》(GB/T 51350—2019)[7]对寒冷地区的围护结构传热系数的参数要求。

1.2 建筑模型建立

依据该超低能耗公共建筑设计信息，利用DeST-c软件建立能耗模型。考虑到典型建筑地下部分除电梯井外均未采用被动式技术，为简化模拟，模型仅针对典型建筑地上部分。建筑内部热扰根据房间类型进行设置，共分为会议室、办公室、实验室、卫生间、走廊、设备间、楼梯间、电梯间等。其中，楼梯间、电梯间、设备间为非空调房间，其他为空调房间。设置的热扰类型主要有人员热扰、灯光热扰、设备热扰，具体热扰参数均按照《近零能耗建筑技术标准》(GB/T 51350-2019)进行设置。维护结构热工参数，除外窗以外，均按照典型建筑原设计进行，且满足规范要求。

模型用气象数据采用软件内部嵌入的数据，考虑到该建筑坐落于青岛市李沧区，因而采用了数据库中青岛的典型年气象数据。相较于实际气候数据，经过处理的典型年气象数据，更多地考虑了极端天气以及气候变化。因而采用典型年气象数据更能体现模型建筑全生命周期的建筑用能情况，模拟更准确。青岛典型年气温变化如图1所示，其中纵轴表示室外干球温度，横轴为与之对应的日期。

图1 模拟用青岛全年室外干球温度

1.3 工况设计

考虑到影响建筑节能的因素众多，在采用了多项建筑节能措施的被动式低能耗建筑中每一个因素的变化都会导致建筑能耗的显著变化。本文着重选择了外窗作为主要因素，以窗墙比及外窗传热系数作为主要参数进行了模拟分析。顾名思义，窗墙比是指外窗占整个外墙的比例，可想而知，南向窗显然要比东西向和北向窗透过的阳光多。因而不同方向的窗墙比对建筑影响很可能是不同的，所以在进行工况设计时考虑将窗墙比分为南向窗墙比、北向窗墙比以及东西向窗墙比三个维度进行分析。在已有研究[8-9]的基础上设置了5种窗墙比类型，分别为0.2/0.3/0.4/0.5/0.6。参考被动式低能耗建筑产品选用目录，结合《近零能耗建筑技术标准》中对外窗性能的要求，选定了5种不同类型的建筑外窗，同时为方便对模拟结果进行比较，将外窗参数进行了优化处理，具体外窗传热系数分别为0.6/0.7/0.8/0.9/1.0(W/m2K)。

基于以上，共设计3种不同工况，进行75组不同参数下模型建筑的能耗模拟。

工况1：保持东西向窗墙比及北向窗墙比为0.3不变，通过改变南向窗墙比及外窗类型，分析外窗性能与南向窗墙比对建筑能耗的影响，以得出较优的南向窗墙比。

工况2：保持东西向窗墙比及南向窗墙比为0.3不变，分析外窗性能与北向窗墙比对建筑能耗的影响，探讨合理的北向窗墙比。

工况3：保持北向窗墙比及南向窗墙比为0.3不变，分析外窗性能与东西向窗墙比对建筑能耗的影响，得出更具节能效果的东西向窗墙比。

同时综合对比75组数据，讨论不同朝向窗墙比对建筑能耗的影响情况。

2 计算结果及分析

利用DeST软件对模型建筑进行了全年8760 h的采暖、制冷负荷模拟计算，模拟3种工况下不同参数下的75组试验点，得到了每组试验模型的冷热负荷。为充分分析窗墙比及外窗热工性能对建筑能耗的影响，本节进行了如下分类分析。

2.1 南向窗墙比对建筑能耗的影响

以南向窗墙比为坐标横轴，以建筑冷热负荷为纵轴建立了不同类型外窗状况下建筑负荷随南向窗墙比变化的曲线，如图2所示。

图2 南向窗墙比作用下的负荷变化

从图2中可以看出，随着南向窗墙比的增加，5种类型的外窗状况下的建筑能耗均不断增加。与此同时，传热系数较低的1#窗对南向窗墙比的敏感性显著高于传热系数更高的其他窗。这表明在南向窗墙比较低时，降低外窗传热系数具有一定的节能效果，而当南向窗墙比达到较高水平时，降低外窗传热系数的节能效果不再明显。此外，在南向窗墙比达到0.3以后，随南向窗墙比增加，不同类型外窗下模型建筑冷热负荷增加速度明显变快。由此，建议被动式低能耗建筑南向窗墙比控制在0.2～0.3水平，且宜在南向窗墙比处于低水平时采用热工性能更好的外窗；但当由于其他考量不得不采用较高水平的南向窗墙比时，不建议额外更换更高热工性能的外窗。

2.2 北向窗墙比对建筑能耗的影响

如图3所示，以北向窗墙比为自变量，建筑冷热负荷为因变量绘制了不同类型外窗状况下建筑模型冷热负荷变化曲线。

图3 北向窗墙比作用下的负荷变化

从图3中不难得出，随着北向窗墙比不断增加，不同类型窗状况下建筑模型冷热负荷明显呈线性增长，且增长速度几乎不变。同时，在不同北向窗墙比作用下，1#窗模型建筑冷热负荷全程低于其他类型窗，即不同北向窗墙比下，较高热工性能的外窗比较低热工性能的外窗具有明显的节能效果。虽然，不同类型窗状况下建筑模型未随北向窗墙比增加而有一个明显的负荷加速增加，但考虑到建筑北向外窗一般起通风作用，不进行采光，因而综合考虑下，建议被动式低能耗建筑北向窗墙比宜尽量取较低水平，同时选取传热系数较低的外窗。

2.3 东西向窗墙比对建筑能耗的影响

图4为东西向窗墙比作用下的不同类型窗状态下模型建筑冷热负荷变化曲线图。

图4 东西向窗墙比作用下的负荷变化

从图4中可以清晰地看到，随模型建筑东西向窗墙比增加，不同类型窗状态下模型负荷均不断增加。但热工性能较好的1#、2#窗明显对东西向窗墙比有更高的敏感性，表现在当东西向窗墙比处于0.2～0.4水平时，1#、2#窗较其他窗有明显的节能效果，而这一效果在东西向窗墙比大于0.5时不再明显，甚至与3#窗具有相近的建筑负荷。同时，可以看出随东西向窗墙比增加，建筑冷热负荷的增加存在增速阶段，具体为东西向窗墙比为0.3、0.4时图4所示曲线发生了不同程度的转折。对此，分析认为东西向窗墙比设置为0.3为宜，且宜选取传热系数较低的外窗。但是，当东西向窗墙比由于其他原因不得不采用高窗墙比时，建议选用热工性能较好的3#窗，并且不建议选用高于3#窗热工性能的外窗。

2.4 不同朝向窗墙比对建筑能耗的影响

图5 反映了南向、北向及东西向3种工况75组数据的分布。

图5 不同朝向窗墙比作用下的建筑冷热负荷

图5中未见异常值，表明工况设计比较准确，且各作用因素相对独立。在此基础上可以清晰地看到东西向窗墙比引起的建筑负荷变化大于南向窗墙比，同时远大于北向窗墙比，不难得出不同朝向窗墙比对建筑能耗有不同的影响，因此上文进行分开讨论是正确的。与北向窗墙比对建筑负荷的影响范围较小对应的是北向窗墙比作用下的建筑负荷最低值为39.15 kW·h/m2，这一数字明显大于南向窗墙比和东西向窗墙比作用下的建筑负荷最低值，对此，可以认为北向窗墙比的设计亦是降低建筑能耗的关键点。南向窗墙比、北向窗墙比、东西向窗墙比作用下模拟数据中位线相近，均介于40～41 kW·h/m2，远高于模拟数据的最低值，说明需要对被动式低能耗建筑窗墙比进行优化探究。

3 结 论

(1) 从建筑节能角度来看，合理的南向窗墙比范围为0.2～0.3，同时宜采用热工性能较高的外窗，当南向窗墙比由于其他因素选取较高窗墙比时，选用高热工性能外窗不具有明显节能效果。

(2) 从建筑节能角度来看，北向窗墙比宜越低越好，但应综合考虑这个问题，以满足其他需求。

(3) 从建筑节能角度来看，东西向窗墙比最优解为0.3，同时建议选取高热工性能的外窗，但东西向窗墙比较大时，建议选取传热系数为0.8 W/m2K的外窗。

(4) 不同朝向窗墙比对建筑能耗有着明显不同的影响力，东西向、南向、北向对建筑负荷的影响力呈递减趋势，建议在设计、研究时分开考量不同朝向窗墙比的影响。