夏热冬暖地区不同窗墙面积比对办公建筑能耗影响分析

李楠，韩明珠

［1.广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510010；2.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092］

0 引言

2021 年，国务院发布《2030 年前碳达峰行动方案》，围绕2030 年前碳达峰目标，对实施碳达峰工作进行了总体部署。根据有关统计，建筑行业所消耗的能源占全世界的30%～40%，所排放的温室气体约占全世界的30%，绿色建筑作为“十四五”规划期间建筑业的重点发展方向，全面发展绿色建筑是实现碳达峰、碳中和目标的重要环节。

建筑围护结构是指建筑设计中，建筑外围护、房间四周所包含的围护构件，一般来说，围护结构指的是外围护结构，包括屋面、外墙、外窗、接触室外空气的架空楼板、地面等。在我国切实开展建筑围护结构节能工作，有利于降低建筑能耗[1]。作为建筑立面设计的重要参数，窗墙面积比的大小不仅影响建筑的立面效果，而且影响建筑能耗[2]；例如，增大窗墙面积比有利于获得良好的采光，降低照明能耗，但同时也会增加室内外的热传递，降低冬季供暖能耗，增加了夏季制冷能耗。本文选取位于夏热冬暖地区的某办公建筑，研究不同窗墙面积比对建筑负荷及能耗的影响。

1 模拟软件介绍

PKPM 绿建节能系列软件由中国建筑科学院自主研发，可以用于公共建筑、居住建筑、工业建筑的建筑节能设计、能耗模拟、碳排放计算、绿建模拟计算等。PKPM 基于AutoCAD 软件平台，在建筑既有图纸基础上建立三维绿建节能模型。PKPM 内置的各省市建筑节能常用墙体和窗体数据库，可以反映建筑构件的真实热工性能。PKPM-Energy 模块能够按照项目地的建筑热工设计分区以及全年气象数据，根据绿色建筑评价标准计算各构件分项负荷，分析全年能耗情况[3]。

2 建筑及模型概况

本研究所选取的办公建筑位于广州市，属于夏热冬暖B 地区，南北朝向，框架结构，体形系数0.13，地下1 层，地上15 层，层高4.5m，建筑总高度67.50m，总建筑面积20294m2，其中地上19026m2，地下1268m2。建模过程中利用AutoCAD 软件对建筑施工图进行整理，归并PKPM 绿色节能软件能够识别的门、窗、墙等线型，通过从平面图纸导入方式建立PKPM 模型，保证建筑能耗计算的准确性，模型轴测图如图1 所示。

图1 模型轴测图

在建筑节能设计方面，可以通过优化建筑朝向、调整体形系数、优化窗墙面积比、墙体传热系数、窗体传热系数、遮阳系数等设计来降低能耗需求。通过研究控制合理的窗墙面积比、提高围护结构的保温隔热性能，来降低围护结构带来的建筑能耗[4]。在本研究中，为了减少变量对结果的干扰，对影响建筑能耗的因素包括体形系数、屋面传热系数、外墙传热系数、外窗传热系数、玻璃遮阳系数等都设为定量，所有的模型都采用同一套外围护构造，建筑构造做法如表1 所示。屋面、外墙的K 值分别为0.40W/（m2·K）、1.09W/（m2·K），外窗K值为2.40W/（m2·K），遮阳系数为0.32，东南西北各朝向窗墙面积比均相同，分析该办公建筑在0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 不同窗墙面积比情况下的建筑能耗表现情况。

室外气象参数采用典型年气象参数，在PKPM 软件中选取地点后自动调用，无须手动输入。室内计算参数按照《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB 55015—2021）选取，对于不同的房间类型，夏季和冬季的室内设计温度、人员密度、设备功率、照明功率等的设置也不相同，具体参数设置如表2 所示。暖通空调系统选用两管制风机盘管加独立新风类型，参数默认。

表2 室内计算参数

3 结果分析

建筑负荷是建筑能耗的基本组成部分，建筑能耗等于建筑负荷加上空调采暖系统本身的能耗。因此，建筑负荷主要与围护结构热工性能有关，而建筑能耗既与围护结构热工性能有关，也与空调采暖系统有关[5]。PKPM能耗模拟计算结果可以包括两部分：负荷计算结果和能耗计算结果。根据《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378—2019）中对建筑全年计算负荷的要求，参考《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB 55015—2021）中围护结构热工性能参数限值，本文的负荷计算采用围护结构负荷作为结果输出，即建筑所有房间全年都维持恒定的空调温度，建筑屋面、外墙、外窗、隔墙等围护结构由于室内外温度差和太阳辐射影响产生的负荷。

3.1 建筑各构件分项负荷

对于设计建筑，在不同的窗墙面积比情况下，外窗所占的负荷比例均最大，屋面所占的负荷比例均最小。随着窗墙面积比从0.3 增至0.7，外窗负荷比例从45.15%增大至78.28%，外墙负荷比例从46.85%减小至16.27%，内围护负荷比例从5.64%减小至3.81%，屋面负荷比例从2.37%减小至1.64%，不同窗墙比下各构件的负荷比例如图2 所示。由此可见，随着窗墙面积比的增加，外窗对建筑负荷的作用越来越大，屋面、外墙和内围护对建筑负荷的作用越来越小，改变外窗的热工性能比改变屋面、外墙和内围护的热工性能效果更为显著。

图2 不同窗墙比下各构件的负荷比例

3.2 围护结构逐月负荷

经过计算还得到围护结构的逐月负荷，不同窗墙面积比情况下的逐月负荷分布大体相似，这里以窗墙面积比0.6 为例进行分析，围护结构逐月冷负荷如图3所示，在7 月、8 月、9 月，围护结构的冷负荷较高，1 月、2 月冷负荷较低；围护结构逐月热负荷如图4 所示，在1 月、2 月，围护结构的热负荷较高，7 月、8 月、9 月的冷负荷几乎为0，建筑逐月负荷分布较为合理。围护结构逐月总负荷如图5 所示，从围护结构逐月总负荷来看，7 月的围护结构负荷最大，8 月次之，4 月最小。

图3 围护结构逐月冷负荷

图4 围护结构逐月热负荷

图5 围护结构逐月总负荷

3.3 建筑全年负荷和建筑能耗

统计窗墙面积比从0.3 增加至0.7 时，计算得到的全年热负荷、全年冷负荷、供暖能耗量、供冷能耗量，结果如图6 所示。可以发现，全年冷负荷要大于全年热负荷，供冷能耗量要大于供暖能耗量。随着窗墙面积比的增加，全年热负荷、全年冷负荷、供暖能耗量、供冷能耗量均逐渐增加，接近线性关系，且全年冷负荷对窗墙面积比的变化更加敏感。

图6 窗墙面积比对建筑全年负荷和能耗的影响

4 结语

本文以广州某办公建筑为例，研究了夏热冬暖地区窗墙面积比对建筑能耗的影响，结果表明，随着窗墙面积比的增加，外窗的热工性能在建筑负荷中占主导作用，可以通过适当提高外窗的热工性能，来降低建筑的供暖空调负荷。对于夏热冬暖地区，建筑全年冷负荷要高于全年热负荷，且对于窗墙面积比的变化较为敏感，在降低建筑能耗时，应优先考虑能够降低冷负荷的措施。因此，在建筑方案及节能设计时，应合理设计建筑立面的窗墙面积比，并对围护结构热工参数进行优化，在满足规范要求的同时，降低对建筑全生命周期能耗的影响。