寒冷地区外窗热工性能对建筑采暖空调负荷的影响

摘 要：【目的】通过研究外窗热工性能对建筑采暖空调负荷的影响，得出各项外窗热工性能参数对建筑节能效果的影响程度，有助于提升建筑的节能效果。【方法】利用DeST-h，建立寒冷地区（郑州）75%节能标准居住建筑基本模型，以太阳得热系数、窗墙比、外窗传热系数为变量进行单因素影响计算，以窗墙比和太阳得热系数、建筑层数和太阳得热系数为变量进行多因素分析，研究太阳得热系数、窗墙比、外窗传热系数对建筑采暖空调负荷的影响。【结果】结果表明，窗墙比、传热系数对建筑采暖空调负荷影响趋势明显，均呈正相关；太阳得热系数对建筑采暖空调负荷影响趋势与建筑窗墙比、建筑层数有关。【结论】建筑外窗节能应优先考虑窗墙比、传热系数，同时在确定当地太阳得热系数时应兼顾窗墙比和建筑层数，以满足更高的节能标准。

关键词：太阳得热系数；窗墙比；传热系数；建筑采暖空调负荷

中图分类号：TU83" "文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）11-0063-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.013

Analysis of the Influence of Thermal Performance of External Window on Building Heating Air Conditioning Load in Cold Area

LI Jie PAN Yuqin CHANG Jianguo

（Henan Provincial Academy of Building Research ， Zhengzhou 450053，China）

Abstract： [Purposes] By studying the impact of external window thermal performance on building heating air conditioning load， the degree of influence of various external window thermal performance parameters on building energy efficiency is obtained， which helps to improve building energy efficiency. [Methods] Using DeST-h， the basic model of 75% energy-saving standard residential building in cold area （Zhengzhou） was established， and the single factor influence calculation was carried out with solar heat gain coefficient， window-wall ratio and external window heat transfer coefficient as variables， and the effects of solar heating coefficient， ratio of window to wall and heat transfer coefficient of exterior windows on building heating air conditioning loads were studied by using multi-factor analysis. [Findings] The results showed that the influence of window-wall ratio and heat transfer coefficient on building heating air conditioning loads was obvious and positive correlation. The influence trend of solar heating coefficient on" heating and air conditioning loads was related to the window-wall ratio and storey the number of buildings. [Conclusions] In order to meet the higher energy-saving standard， the window-wall ratio and heat transfer coefficient should be given priority to the energy-saving of exterior windows， and the window-wall ratio and the number of buildings should be taken into account when determining the local solar heating coefficient.

Keywords： solar heat gain coefficient; area ratioof window to wall; heat transfer coefficient; building heating air conditioning load

0 引言

在“双碳”目标背景下，建筑能耗得到了广泛关注。据测算，2021年建筑运行总商品能耗占全国能源消费总量的21%［1］，其中由外窗传热引起的能耗占建筑运行能耗的30%以上，因此外窗节能性能的提升刻不容缓。影响建筑节能性能的外窗主要参数有太阳得热系数、窗墙比、传热系数。外墙传热系数是指在稳态条件下，墙体内外两侧空气温度差为1 K时单位时间内通过单位面积传递的热量［2］（W/m2·K）；外窗窗墙比是外窗洞口面积同向外立面面积的比值［2］，该值的大小直接影响建筑太阳得热，对建筑采暖空调负荷影响较大；太阳得热系数可反映透过玻璃的太阳辐射热量，对于全国大部分区域来说，该值越低越好，而在寒冷地区，应综合考虑冬季得热，太阳得热系数需要合理取值。现行建筑节能设计标准［3-5］仅对寒冷B区夏季东西方向外窗做了太阳得热系数限值规定，本研究对于外窗节能性能参数尤其是太阳得热系数的确定具有重要参考意义［6］。

1 模型建立

本研究以寒冷地区居住建筑为分析对象，采用DeST-h工具，建立居住建筑75%节能标准［5］模型，分别以太阳得热系数、窗墙比、传热系数为变量，其他参数保持不变，进行计算分析。

基础模型参数分别设置：外墙传热系数为0.445 W/（m2·K），屋面传热系数0.298 W/（m2·K）。研究参数基准：太阳得热系数为0.4，南北窗墙比设置为0.3，东西向无窗，外窗传热系数为2.2 W/（m2·K）。

室内温度设定：冬季为18 ℃、夏季为26 ℃。通风换气次数为0.5次/h。空调时间设置为6月1日—8月31日，采暖时间设置为11月15日—次年3月15日，周一至周五每日启用时间为18：00—次日8：00，周六、周日全天开启。

郑州市全年室外干球温度和基准模型室内温度由DeST-h导出数据绘制［7］，具体如图1所示。冬季室内外温差远大于夏季。

2 计算分析

本研究通过对单因素、多因素进行计算对比，来全面研究外窗热工性能参数对建筑采暖空调负荷的影响程度。在进行单因素影响分析时，为简化计算，选取5 m×4 m×3 m的建筑模型，项目地点选择在郑州市，南北朝向，建筑面积为20 m2。在进行多因素影响分析时，以实际居住建筑模型为标准层，进行窗墙比、太阳得热系数的设置及层数叠加。

2.1 单因素影响分析

通过单因素影响分析计算三种情形，可以得出太阳得热系数、窗墙比、外窗传热系数分别对建筑采暖空调负荷的影响。情形一：外窗传热系数设为定值2.2 W/（m2·K），东西向无窗，南北窗墙比设为定值0.3，太阳得热系数（图表中以SHGC表示，下同）从0.1到0.8以步幅为0.1的变化进行负荷计算；情形二：太阳得热系数设为定值0.4，外窗传热系数设为定值2.2 W/（m2·K），东西向无窗，南北向窗墙比从0到0.9以步幅0.1的变化进行负荷计算；情形三：太阳得热系数设为定值0.4，东西向无窗，南北窗墙比设为定值0.3，外窗传热系数从2.2 W/（m2·K）到0.5 W/（m2·K）以步幅为0.1的变化进行负荷计算。计算结果见表1至表3及图2。

计算数据显示，外窗太阳得热系数在0.1～0.8的范围内时，太阳得热系数每提高0.1，热负荷平均减少5.94%，冷负荷平均增加24.42%，冷热负荷之和平均减少0.56%，说明太阳得热系数对冷负荷、计算数据显示，外窗太阳得热系数在0.1～0.8的范围内时，太阳得热系数每提高0.1，热负荷平均减少5.94%，冷负荷平均增加24.42%，冷热负荷之和平均减少0.56%，说明太阳得热系数对冷负荷、热负荷呈反方向相关，双向作用之下，对冷热负荷之和的影响变化不明显。

窗墙比在0（无窗）～0.9的范围内时，窗墙比每下降0.1，热负荷平均减少0.81%，冷负荷平均减少15.49%，冷热负荷之和平均减少5.99%，说明窗墙比对冷负荷、热负荷影响方向相同。从节能角度出发，窗墙比越低，负荷越小，建筑能耗及建筑碳排放量越少。

外窗传热系数在0.5～2.2的范围内时，传热系数每下降0.1，热负荷平均减少1.95%，冷负荷平均减少0.2%，冷热负荷之和平均减少1.5%，说明外窗传热系数对冷负荷、热负荷影响方向相同，从节能角度出发，传热系数越低，负荷越小，建筑能耗及建筑碳排放量越少。

2.2 多因素影响分析

由上文分析可知，外窗窗墙比、外窗传热系数对于建筑冷负荷、热负荷、冷热负荷的影响均呈正相关，这与行业认知一致；外窗太阳得热系数对冷热负荷之和的影响并不明显，因此下文对该因素进

行深入分析。本研究以窗墙比和太阳得热系数、建筑层数和太阳得热系数为两组变量进行多因素分析。

情形四：窗墙比从0.1到0.6以步幅为0.1的变化、太阳得热系数从0.1到0.8以步幅为0.1的变化，两两组合进行48次计算，计算结果见表4、图3、图4。计算数据显示，随着窗墙比的增大，建筑冬季热负荷、冷负荷均随太阳得热系数变化曲线逐渐变陡，说明窗墙比越大，太阳得热系数对于建筑采暖空调负荷影响越大，因此在确定太阳得热系数时必须要考虑窗墙比。

情形五：建筑层数设4层、6层、18层、33层4组，太阳得热系数从0.1到0.8以步幅为0.1变化，两两组合进行32次计算。结果见表5、图5至图7。由计算数据可知，不同建筑层数下两列数据，左侧为冬季热负荷数值，右侧为夏季冷负荷数值。同时，不同建筑层数的建筑采暖空调负荷随太阳得热系数变化趋势一致，对于同一楼层，随着太阳得热系数的增加，建筑热负荷随之减小，建筑冷负荷随之增大，建筑冷热负荷随之减小并趋于平稳，但当楼层大于等于18层时，建筑冷热负荷在太阳得热系数为0.5时处于极低点，之后有上升趋势，说明太阳得热系数应设置在0.5左右，可以使得建筑采暖空调负荷最低。

由表5可以看出，以太阳得热系数0.5为例，当建筑层数在18层及以上时，建筑冷负荷大于冷负荷，因此即使在寒冷地区，也应重视高层建筑的夏季防热，以降低夏季冷负荷［8］。

3 结论

①外窗性能参数对于建筑采暖空调负荷影响程度不同：窗墙比对建筑采暖空调负荷影响程度最大，窗墙比每降低0.1，建筑采暖空调负荷平均减少5.99%；外窗传热系数对建筑采暖空调负荷影响程度为其次，传热系数每降低0.1，建筑采暖空调负荷平均减少1.5%；外窗太阳得热系数对建筑采暖空调负荷影响程度最小，太阳得热系数每提高0.1，建筑采暖空调负荷平均减少0.56%。

②太阳得热系数对建筑采暖空调负荷的影响与建筑窗墙比、建筑层数有关。窗墙比越小，太阳得热系数对建筑采暖空调负荷影响越小；建筑层数越高，建筑采暖空调负荷随太阳得热系数增大而下降的趋势越不明显，且在0.5时趋于平稳（或缓慢上升），因此节能标准中南北向外窗太阳得热系数限值可以设为0.5，以满足更高的节能标准。

③对于寒冷地区的高层建筑，太阳得热系数对夏季负荷的影响超出了对冬季采暖负荷的影响，因此在进行外窗性能设计时，应重视太阳得热系数的选取。同时，随着节能标准的不断提高、节能工作不断深入，建议在建筑节能标准中应重新审视太阳得热系数限值的确定。

参考文献：

［1］江亿.中国建筑节能年度发展研究报告2023（城市能源系统专题）［M］.北京：中国建筑工业出版社， 2023：11.

［2］罗小未，王建强，车学娅.民用建筑设计术语标准：GBT 50504—2009［S］.上海：中国计划出版社， 2009：33.

［3］中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑节能与可再生能源利用通用规范：GB 55015—2021［S］.北京：中国建筑工业出版社， 2021.

［4］徐伟，邹瑜，万水娥.严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准：JGJ 26—2018［S］.北京：中国建筑工业出版社， 2018.

［5］栾景阳，鲁性旭，唐丽.河南省居住建筑节能设计标准（寒冷地区75%）： DBJ 41T184—2020［S］.郑州：郑州大学出版社， 2020.

［6］侯园园，张素丽.外窗太阳得热系数的节能设计要求及测评方法标准研究［J］.工程质量，2023，41（4）：106-110.

［7］周宏坤，陈国杰，周曦，等.夏热冬冷地区被动式建筑外窗节能参数研究［J］.城市建筑，2023，20（5）：1-5，15.

［8］赵军波.基于DeST模拟的夏热冬冷地区绿色公共建筑被动式节能设计研究［D］.成都：西南石油大学，2018.

收稿日期：2023-09-18

基金项目：河南省重点研发专项项目（221111320200）。

作者简介：李杰（1988—），女，硕士，高级工程师，研究方向：建筑节能。