外窗熱工性能對住宅采暖及制冷能耗的影響分析
——以蘇州金茂府某住宅為例

劉 暢 北京金茂綠建科技有限公司

1 引言

隨著我國能源形勢日趨緊張，建筑領域的節能潛力收到越來越多的重視。以北京為代表城市，2012年開始執行居住建筑75%[1]節能標準，嚴寒和寒冷地區居住建筑節能標準JGJ 26—2018[2]也修編完成并于2019年8月1日起正式實施。新建居住建筑的設計方向，從節能建筑，發展為低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑、產能建筑[3]。根據居住建筑的能耗組成分析，圍護結構中外墻、外窗、屋面等對能耗的影響程度是不同的[4]，也與項目所在的熱工分區相關。

對于夏熱冬冷地區，外窗傳熱系數及遮陽系數對能耗的影響是非常顯著的。本文以蘇州金茂府某住宅樓為模型，通過能耗分析軟件DeST進行建模，模擬不同外窗參數下，該建筑的能耗變化趨勢。同時，結合外窗的經濟性進行綜合分析，提出一個熱工參數經濟平衡點，為同類型住宅建筑的設計提供參考。

2 模型建立

2.1 模型概況

圖1 DeST建模模型

2.2 模擬軟件介紹

能耗模擬采用DeST軟件。該軟件是一款模擬建筑物室內熱濕環境和采暖通風空調制冷系統動態過程的大型計算軟件，該軟件由我國自主研發，研發單位為清華大學。目前該能耗模擬軟件已經在我國建筑節能領域展開了應用，為方案階段及設計階段的優化提供了工具。

2.3 建筑信息

本文的研究對象為夏熱冬冷地區住宅建筑，本類型建筑以中高層居多，因而模擬建筑選取本氣候區具有代表性的典型建筑。

選定建筑為蘇州金茂府的某商品住宅樓，地上26層，地下1層，層高3.0m，體形系數0.11，外墻K值0.85W/（m2·K），屋頂K值0.50W/（m2·K），總建筑面積14688m2，總高度82.65m。

3 能耗分析

對于夏熱冬冷地區，集中式空調負荷以冷負荷為主，最大冷負荷大于最大熱負荷。因此，最大冷負荷直接決定了冷熱源系統設備選型。

通過以上的建筑模型，模擬不同遮陽系數對冷負荷的影響，其中外窗的傳熱系數統一設置為2.4W/（m2·K），遮陽系數SC從0.20～0.45，以0.05為步長，每組熱工參數對應的全年最大負荷、全年最大負荷指標如圖2和圖3所示。

圖2 遮陽系數對全年最大負荷指標的影響

圖3 遮陽系數對全年最大負荷的影響

其中，遮陽系數與全年最大負荷呈線性關系。在外窗傳熱系數K=2.4W/（m2·K）時，隨著遮陽系數的增加，冷負荷線性增加，SC值從0.20增加到0.45，最大冷負荷增加的比例是40.7%，而熱負荷的增加比例是7.8%。

為探究外窗的傳熱系數對負荷的影響，將SC值統一設置為0.30，K值從1.2W/（m2·K）增加至2.4W/（m2·K），變化步長為0.2，模擬結果如下。

圖4 外窗傳熱系數K值對全年最大負荷指標的影響

圖5 外窗傳熱系數K值對全年最大負荷的影響

根據圖4和圖5的模擬結果，外窗K值對熱負荷的影響較大，對冷負荷的影響相對較小。外窗K值從1.2W/（m2·K）變化為2.2W/（m2·K）時，全年最大熱負荷增加的比例是22.5%，全年最大冷負荷增加的比例是4.1%。

4 影響因素及經濟性分析

根據市場調研結果，外窗的K值由2.4W/（m2·K）提升至1.2W/（m2·K），增量成本在800元/m2～1200元/m2左右，遮陽系數的降低主要依靠鍍Low-E膜等技術措施，遮陽系數從0.45降低至0.20，增量成本約300元/m2～600元/m2左右。

對于采用集中采暖與集中供冷的夏熱冬冷地區住宅，以外窗K=2.4W/（m2·K），SC=0.30為例，本建筑最大冷負荷259.5kW，最大熱負荷175.6kW，通過第三章的能耗分析，遮陽系數對冷負荷的節能潛力更大。建議夏熱冬冷地區，該類典型建筑，選擇遮陽系數較低的外窗產品，例如遮陽系數接近0.2。實現較低的遮陽系數，除了從外窗產品本身出發，也可以結合不同的外遮陽形式實現，而且從各地居住建筑節能標準的要求來看，大部分熱工分區對東西向外遮陽都有強制性條文要求。此外，為同時兼顧采暖能耗，可適當降低外窗傳熱系數，例如1.6W/（m2·K）～1.8W/（m2·K）。

5 結束語

通過能耗模擬軟件，分析外窗熱工性能對夏熱冬冷地區某住宅的能耗影響。其中，遮陽系數的影響較大，結合遮陽系數的經濟性分析，可將進一步降低外窗遮陽系數作為主要節能措施。同時，在滿足建筑立面效果及窗地比的條件下，盡量降低東西向外窗的窗墻比，可有效降低建筑夏季最大冷負荷。