不同窗墻比建筑圍護結構熱工性能變化對供暖空調負荷的影響研究
——以南昌地區公建為例

文/江西省建筑設計研究總院集團有限公司 江 洋

0 引言

建筑節能與設計參數息息相關，建筑節能標準根據建筑體形系數、建筑朝向與窗墻比數值制定不同的圍護結構傳熱限值。建筑體形系數越大，窗墻比越高，越不利于建筑節能。以改變長寬比或高度來改變體形系數會對供暖負荷產生影響，但對供冷負荷的影響無明顯相關性，影響更大的因素是固定形狀、固定高度的建筑表面凹凸變化，其凹凸變化越多，表面積越大，通過外墻傳熱損耗的能量越多。建筑朝向對建筑供暖空調負荷產生影響，當朝向為正南時，采暖空調負荷總量最低；相較于正南朝向，南偏東朝向的負荷偏高3%～5%，南偏西朝向的負荷偏高11%～12%。

綜合相關研究成果發現，基于建筑節能設計對供暖空調負荷的單因素影響研究較多，但實際工程應用受多因素共同作用，并與現行節能標準中的參照建筑進行模擬比較，設計建筑供暖負荷的降低比例均以參照建筑為標準。因此，體形系數、建筑朝向及窗墻比變化在改變建筑供暖空調負荷的同時，也對參照建筑產生影響。本文通過分析歸納及構建模型，以江西南昌地區為熱工背景，對體形系數進行固定選取，建筑取正南北朝向，對6組不同窗墻比的標準模型進行模擬分析，綜合考慮屋面、外墻、外窗的熱工性能提高對供暖空調負荷降低比例的影響。

1 研究方法及模型建立

通過案例比選南昌地區典型公建形體，體形系數取固定值，建筑表面均按無凹凸變化處理，長寬比取2：1，高度取4.5m，計算模型朝向選最優即正南北朝向進行計算，6棟建筑窗墻比介于0.2～0.7，因外窗形狀、位置及窗間距變化對建筑節能的影響較小，故本次模型僅對改變外窗尺寸進行分析，具體模型尺寸如表1所示。

表1 計算模型選取

節能模型供暖空調負荷采用建筑節能計算軟件DeST內核進行模擬計算，對不同窗墻比建筑的屋面、外墻、外窗參數進行提升，比較其設計建筑與參照建筑的供暖空調負荷，依照JGJ/T 449—2018《民用建筑綠色性能計算標準》計算每種模型對應的圍護結構節能率并進行對比分析。

2 屋面和外墻傳熱系數變化對建筑供暖空調負荷的影響

2.1 計算初始條件及結果

以南昌地區常用構造為標準，其中外墻主體材料選用加氣混凝土砌塊，保溫層選取發泡水泥保溫板，屋面保溫層選取擠塑聚苯板，外窗選取普通鋁合金型材，外表面太陽輻射吸收系數屋面部分按水泥粉刷屋面計算，即0.74，外墻部分按淺色面磚計算，即0.50計算。其中屋面保溫層擠塑聚苯板由50mm厚逐步增加至80mm厚，外墻保溫層發泡水泥保溫板由20mm厚逐步增加至50mm厚。

如圖1～4所示，分析屋面保溫材料厚度變化對供暖空調負荷的影響時，保持外墻保溫材料20mm厚不變；分析外墻保溫材料厚度變化對供暖空調負荷的影響時，保持屋面保溫材料50mm厚不變。

1 供暖空調負荷隨屋面保溫厚度變化值

2 圍護結構節能率隨屋面保溫厚度變化值

3 供暖空調負荷隨外墻保溫厚度變化值

4 圍護結構節能率隨外墻保溫厚度變化值

2.2 結果分析

基于南昌地區氣候條件，通過不同窗墻比下屋面與外墻保溫厚度變化對各節能參數的影響數據進行統計分析，得出如下結論。

1）基于同一屋面或外墻保溫設計厚度，隨著建筑窗墻比增大，供暖空調負荷明顯增加，窗墻比達0.4時，增長率較大。

2）在同一窗墻比情況下，隨著屋面或外墻保溫厚度逐漸增大，建筑供暖空調負荷呈降低趨勢，圍護結構節能率逐步提高，但總負荷降低的變化率與節能率提高的變化率總體趨于緩和。

3）對比不同窗墻比下供暖空調負荷及節能率的變化，隨著屋面或外墻保溫厚度的增加，供暖空調負荷的降低比率相似，無明顯差距；圍護結構節能率數值變化表明，窗墻比為0.2時，屋面或外墻保溫厚度增加對節能率的變化影響明顯大于窗墻比為0.3～0.7的建筑，窗墻比越小，屋面和外墻對圍護結構的面積占比越大；提升屋面和外墻的熱工性能更有利于提高圍護結構節能率。

3 外窗傳熱系數變化和遮陽設計對建筑供暖空調負荷的影響

3.1 計算初始條件及結果

計算初始條件同上，保持屋面保溫材料厚50mm，外墻保溫材料厚20mm不變。分析外窗傳熱系數（K值）變化對負荷的影響時，選取K值為3.2，2.9，2.6，2.4，2.2W/(m2·K)的不同型號整窗，控制外窗遮陽系數SC值為0.48；分析外窗遮陽設計對供暖空調負荷的影響時，選取遮陽系數SC值為0.9，0.8，0.7，0.6，0.5，0.4，0.3的不同型號整窗，控制K值為3.2W/(m2·K)不變；對模型A～F分別進行模擬計算，計算結果如圖5～8所示。

5 供暖空調負荷隨外窗傳熱系數變化值

6 圍護結構節能率隨外窗傳熱系數變化值

7 供暖空調負荷隨外窗遮陽系數變化值

8 圍護結構節能率隨外窗遮陽系數變化值

3.2 結果分析

基于南昌地區氣候條件，通過不同窗墻比模型外窗傳熱系數和遮陽系數變化對各節能參數的影響數據進行統計分析，得出如下結論。

1）僅考慮外窗傳熱系數的單一影響，當窗墻比不變、維持固定遮陽系數并改變整窗傳熱系數時，隨著外窗K值逐步降低，供暖空調負荷值呈明顯降低趨勢，窗墻比越大，其降幅越大。

2）僅考慮外窗遮陽系數的單一影響，同一窗墻比情況下，隨著遮陽系數降低，供暖空調負荷值整體呈先降后升趨勢，且負荷最低點位置隨窗墻比的增加逐漸向遮陽系數低處偏移。如窗墻比為0.2的建筑，遮陽系數設計為0.6數值時可達最優節能效果；窗墻比為0.3的建筑，遮陽系數最優值則為0.5。

3）對比不同窗墻比建筑圍護結構節能率發現，隨著外窗傳熱系數降低，圍護結構節能率逐漸增大，有利于節能設計，其整體增長率呈緩和趨勢，且當窗墻比為0.2時，變化曲線基本與窗墻比0.3的曲線重合，窗墻比繼續增加，圍護結構節能率則明顯降低；隨著外窗遮陽系數降低，圍護結構節能率先增后降，節能率最高點隨窗墻比的增加逐漸向遮陽系數低處偏移。因此，就外窗而言，無論從傳熱設計還是從遮陽設計角度出發，0.3～0.4的窗墻比最有利于節能，且選取系數最優值符合市場選取常規材料的參數。

4 結語

綜合屋面、外墻及外窗傳熱系數變化帶來的影響結果分析可知，不考慮參照建筑能耗，僅從設計建筑本身的能耗控制而言，當設計建筑窗墻比小于0.4時，針對屋面和外墻的傳熱控制更有利于節能，此時通過改變外窗傳熱并不能很好地控制能耗效果；當設計建筑窗墻比大于0.4時，通過改變屋面及外墻傳熱，供暖空調負荷的變化率下降明顯，而改變外窗傳熱可明顯發現供暖空調負荷的變化，隨著窗墻比增加，外窗傳熱變化對供暖空調負荷的影響增大。與此同時，不同窗墻比建筑的屋面、外墻和外窗傳熱系數的改變對供暖空調負荷的影響并非呈線性關系，單一圍護結構的傳熱系數越大，即節能設計更宜針對傳熱薄弱環節進行提升；不同窗墻比建筑外窗遮陽系數的改變對設計總負荷的影響呈先降后升趨勢，負荷最低點隨窗墻比的增加逐漸向遮陽系數低點偏移，即外窗遮陽設計應根據窗墻比的實際數值合理選取相應材質的玻璃及外遮陽類型。市場上常用的玻璃SC值約為0.50，其對應窗墻比為0.30，故公共建筑設計中窗墻比控制在0.30左右最有利于節能，節能提升所需成本最低。在建筑節能設計中，不同類型、功能與形態的公共建筑窗墻比各不相同，因此在參數選取過程中，應根據不同窗墻比的建筑類型，有效調整圍護結構熱工性能參數，以達到最優節能效果。