装配式钢结构超低能耗住宅外窗设计研究

王金玲 甄志禄 史新格 苏海元

（河北建设集团股份有限公司，河北 保定 071000）

随着“双碳”战略的提出，钢结构装配式建筑、超低能耗建筑迅猛发展。进而实现钢结构装配式超低能耗在住宅上结合，提高了住宅品质[1]。

超低能耗住宅和装配式建筑，近两年从单纯结构装配转向围护体系、建筑装修、建筑集成等多方面发展[2，3]。研究住宅外窗尺寸形态与居住舒适、建筑能耗之间相互关系，对于住宅建筑节能设计具有重大意义[1，2，3]。

本文提高对装配式钢结构住宅外窗选型、设置位置、开启比、开启方式等对建筑节能、自然通风、采光的影响进行分析对比，提出适用于寒冷地区装配式钢结构超低能耗建筑户型布置原则及外窗设计方案备选库，指导后续项目的设计。

1 工程概况

选取保定市安悦佳苑项目13#住宅楼作为分析对象，该项目为保定市保障性住房项目，为钢结构装配式被动房住宅。项目地上层数为6 层，地上建筑面积为2933.3m2，建筑外表面积为2302m2，体形系数为0.289。住宅外墙平均传热系数控制K 为0.15（W/m2·K），外窗传热系数控制均为1.0W/m2·K，屋面传热系数控制K 为0.15（W/m2·K）。建筑标准层平面布局，如图1 所示。

图1

2 窗墙面积比大小对能耗影响分析

利用pkpm 被动房软件对不同窗墙比进行能耗分析。在固定单一朝向基本窗墙比情况下，以0.1 米的递增递减频率变化窗宽或窗高，建立不同窗墙比情况下的能耗走势图，进而分析窗墙比变化区间能耗的变化速率。建筑南立面基本控制窗墙比为0.43，北立面基本控制窗墙比为0.24，东西向建筑窗墙比固定0.06。详见表1，方案一至方案四的建筑各向外窗窗墙比。

表1 不同方案的能耗变化情况：详能耗走势图

综合分析结果：

（1）住宅南向外窗高度上尺寸变化与南向外窗宽度尺寸的变化相比，对建筑能耗影响作用更大。

综合空间使用舒适性，南向采用宽窗、窗台高度不宜过低，窗墙比控制在0.35-0.46 阶段较适宜，不能一味追求低窗台效果。

（2） 北向窗台高度采用0.9 米，窗墙比控制在0.21-0.23 段为较舒适区间。

3 住宅外窗设计形态对建筑能耗影响

在进行住宅外窗形态设计时要综合考虑室内环境舒适度，舒适度包括因素有如下：

（1）对室内空气气流的调节。

（2）使室内形成对流通风。

（3）保证室内采光的舒适。

（4）应便于使用开启、安装空调室外机、日常清洗擦拭。

外窗开启扇的位置的设置对住宅户内的自然通风，起到关键性作用。利用pkpm 风环境模拟软件对同一户型不同位置的外窗开启扇位置的工况进行模拟分析，得出住宅外窗开启扇设置位置对户内自然通风的风速、风场分布等影响情况及开启扇设置位置与保定地区过渡季节室外主导风向直接的关系。

钢结构装配式被动房住宅外窗窗墙比、开启比、开启方式对自然通风的影响机理。

户型图及模型如图2。

图2

4 总结（简略叙述上面的结论）

根据表2、3、4 分析结果，可得：

表2 不同开窗风环境对比表（户型一）

（1）住宅外窗不同的开启位置对户内自然通风的空气龄分布影响十分显著。尤其对于全阳面户型影响更显著。

（2）当外窗开启窗扇设置在靠近过渡季室外主导风向侧时，室内自然通风平均风速较外窗开启扇设置在远离室外主导风向侧偏大，且在室内形成良好的室内空气龄分布。

（3）在以后的设计项目的外窗设计中，在考虑功能要求、室内空间的使用情况和建筑立面的美感效果的同时，重点考虑住宅外窗开启位置的合理设置问题。

表3 不同开窗风环境对比表（户型二）

表4 不同开窗风环境对比表（户型三）