窗墻比對供暖房間熱舒適及系統能耗影響研究

劉 娜 劉 東 李涫宇 周浩天

（西南科技大學土木工程與建筑學院 綿陽 621010）

0 引言

公共建筑不斷呈現出窗墻比不斷擴大的趨勢，但采用了大面積玻璃窗、玻璃幕墻等透明圍護結構后，會極大影響建筑能耗及舒適度[1]。研究者也對開窗的影響進行了相關研究[2-5]。Hassouneh 等人[6]通過模擬研究不同類型的玻璃窗戶對建筑能源平衡的影響，研究發現在冬季，根據不同的玻璃類型，增加南向的玻璃面積可以節省更多的能源，而在北方方向節能的最佳途徑是盡可能減少玻璃面積，在東西方向增加各種類型玻璃的玻璃面積，可以提供很好的節能機會；Ochoa 等人[7]從能耗和光環境舒適綜合評價窗墻比，結果表明，能帶來良好視覺舒適度的最佳窗戶尺寸通常會導致大量的能源消耗。

當室外擁有較強的太陽輻射時，窗戶開大使得更多的太陽輻射照射到室內，有利于營造良好的室內熱環境；Marino 等人[8]研究了太陽輻射對室內環境熱舒適的影響及其對建筑能耗的影響，研究發現盡管太陽輻射可以改善室內舒適度，但它可能會導致建筑的能源需求增加；劉艷峰等人[9]對拉薩建筑的室內外環境進行了測試，研究結果表明，即使在沒有采暖系統的房間里，南向房間室內溫度仍然可以滿足任意熱舒適，而且沒有內外遮陽的房間室溫比有內外遮陽的室溫高出1.1℃，由此得出太陽輻射對冬季采暖有積極影響。Gasparella 等人[2]通過TRNSYS 模擬研究發現大玻璃的使用提高了冬季性能，但稍微惡化了冬季負荷的峰值。Mohamed等人[10]通過模擬證實了太陽斑在地板輻射上的唯一會導致輻射區的過熱，影響室內熱舒適。陳辰等人[11]通過CFD 模擬研究發現，太陽輻射直射到室內地面時會造成地面溫度升高，熱水供熱量明顯減少，并且室內太陽直射區和非直射區地面平均溫差高達5.6℃。

為了更明確夏熱冬冷地區窗墻比對冬季采暖系統的運行特性影響，本文搭建不同輻射末端供暖實驗臺，對風機盤管和地板輻射末端形式下的供暖特性進行實驗測試，并分別就窗墻比對室內溫度，垂直溫差，室內舒適度等的影響進行分析。

1 實驗

1.1 實驗系統及測試房間介紹

在夏熱冬冷地區（四川綿陽）辦公樓內安裝空氣源熱泵為主機的風機盤管和地板輻射雙末端供暖系統，系統如圖1所示，系統由空氣源熱泵、對流末端、輻射末端、蓄熱水箱、分集水器、一次水泵和二次水泵等組成，其中熱源為戶式空氣源熱泵機組（YVAG02RS）一臺，該機額定供熱量為12.6kW，制熱輸入功率為3.8kW；其中對流末端為風機盤管（TBFL-56）兩臺，額定供熱量為9.9kW；其中輻射末端為地板輻射系統采用干式地暖模塊，其構造如圖2所示，地盤管采用螺旋迂回形布管方式，管徑為10mm，管間距為90mm。

圖1 實驗系統圖Fig.1 Experimental system

圖2 地板結構示意圖Fig.2 Floor structure

測試房間尺寸為8.25m×7.89m×3.2m，其外墻立面朝西，傳熱系數0.83W/(m2·K)，東墻毗鄰走廊，其余均為內墻，內墻傳熱系數為1.57W/m2。外窗采用斷橋鋁合金雙層中空鋼化玻璃（6+9A+6），傳熱系數3.40W/(m2·K)，太陽得熱系數SHGC 為0.61。室內主要蓄熱體包括地板和墻面，測試房間墻面反射系數0.75，地面鋪設木質地板，其表面反射率為0.4。

1.2 實驗測量

測試時間為冬季供暖期（12月、1月）。實驗期間室內遮陽窗簾處于開啟狀態并且實驗系統全天開啟，進行風機盤管供暖（FC）和地盤管供暖（RF）兩種不同系統的連續性實驗研究。實驗測試期間將主機供水溫度統一設定為40℃，風盤和地盤管室內溫控器分別設置為21℃和22℃；實驗期間為減少室外空氣的滲透作用，將室內窗戶關閉，并開啟室內新風機以滿足室內人員新風需求；實驗時辦公人員穿著1.2clo 的冬季服裝并以坐姿狀態靜坐辦公，為了保證測試的真實性，實驗中允許辦公人員有較輕的活動。

為了更好進行窗墻比的影響測試，利用等效熱阻的方法在玻璃面上粘貼一層30mm 厚的鋁箔隔熱棉替代建筑圍護結構，從而實現外窗玻璃面積大小的改變。按照Peng 等人[5]的研究結果，結合實驗室的實際情況，將窗墻比的研究范圍設定為40%～80%，以10%遞減，除窗墻比為80%外，其余情況均是通過粘貼鋁箔隔熱棉實現，如圖3所示。

圖3 窗墻比改變形式Fig.3 Window-wall ratio changes form

1.3 測點分布

為了更好進行實驗測試，建立實驗測量系統，本實驗所涉及的測試參數主要有室內空氣溫度、相對濕度，圍護結構內表面溫度，室內垂直空氣溫度，室內風速，室外空氣溫度、相對濕度，設備用電量。實驗期間，室內外溫濕度采用溫濕度傳感器測量；室內壁面溫度采用溫度傳感器測量；室內垂直溫度采用熱電偶測量；室內風速采用分體式風速傳感器測量；系統設備用電量用單相電子式電能表測得。實驗所有測量儀器在實驗期間持續工作，并以10分鐘為單位進行數據記錄。實驗所用測試儀器參數介紹如表1所示，實物如圖4所示。

表1 儀器測量范圍與誤差Table 1 Instrument measurement range and error

圖4 環境測試儀器Fig.4 Environmental testing instrument

本文實驗測試房間的測點分別為室內空氣溫濕度測點、圍護結構內表面溫度測點與室內垂直溫度測點。室內空氣溫濕度測點及房間風速測點均位于房間中心位置，放置在據樓板高度分別為0.79m和0.76m；圍護結構內表面溫度的測點布置如5（a）所示，垂直溫度測點分布位置從門到窗分別為C、A、B，分別連續測量距地0.45m、0.90m、1.35m、1.80m、2.25m 處空氣溫度值，具體位置如圖5（b）所示。

圖5 室內測點布置圖Fig.5 Indoor measuring points

1.4 數據處理

1.4.1 平均輻射溫度

平均輻射溫度（）是人體熱計算中的一個關鍵因素。它是與受試者在實際環境中輻射換熱量相等的一個假想的溫度均勻的黑色封閉空間的輻射溫度[12]。平均輻射溫度可以通過式（1），從周圍環境表面的角系數和壁面表面的測量溫度計算出來。

式中，Fj為周圍環境第j個表面的角系數；tj為周圍環境第j個表面的溫度，℃。本文Fj使用的是周圍環境第j個表面的面積比重，即，A指測試房間表面積，Aj指周圍環境第j個表面的面積。

1.4.2 熱舒適評價

本實驗中監測系統通過將實測值（室內空氣溫度、壁面溫度、室內風速等）和輸入值（人體能量代謝率、人體所做機械功、服裝熱阻和壁面面積等）帶入系統內PMV（Predicted Mean Vote）和PPD（Predicted Percentage Dissatisfied）計算式，得出不同室內熱環境下的PMV 與PPD 值。通過與Fanger 教授提出的7 級分度的PMV 指標對比來評價一個熱環境舒適與否，如表2所示。

表2 PMV 熱感覺標尺Table 2 PMV thermal sensing scale

1.4.3 垂直溫度無量綱化

為了更好對比不同時間點、不同測點處沿垂直方向溫度的變化，將每一點的垂直溫度進行無量綱化處理，具體操作如下：

式中：η為垂直溫度無量綱化后的值；Tmax為垂直溫度最大值，℃；Tmin為垂直溫度最小值，℃；T為該時間點、該測點下的垂直溫度值，℃。

2 結果與討論

2.1 室內外溫度

圖5（a）為不同窗墻比下兩種末端形式下室外空氣溫度隨時間變化的曲線。為了減小室外空氣溫度對室內熱環境的影響，本文選取冬季室外溫度變化相近的進行實驗對比。從圖中可以看出，除了WWR50%（FC）這一工況外，其余工況的室外溫度范圍和溫度波動趨勢一致，中午12:00，在太陽輻射的作用下，室外溫度均出現上升趨勢。

圖5（b）為不同窗墻比下兩種實驗系統的室內空氣溫度的分布情況（圖中左側表示為RF 系統，右側表示為FC 系統）。從圖中可以看出，在RF 末端作用下，不同窗墻比的溫度分布范圍始終維持在18.5℃～20.5℃之間，波動幅度較小，變化相對穩定。并且隨著窗墻比的不斷增加，圖形也變得更寬，波動更小，表明室內溫度在舒適范圍內出現頻率增加，并且變化趨于穩定，說明太陽輻射對冬季采暖有積極的影響；在FC 末端作用下，不同窗墻比的溫度分布范圍大多數維持在18.5℃～23.5℃之間，對比RF 末端作用下的室內溫度圖形，FC 末端作用下的室內溫度波動更大，變化相對不穩定，這是由于在FC 末端作用下當室內溫度達到一定值時，其存在間歇運行的狀態。因此，隨著窗墻比的增加，不論是FC 系統還是RF 系統，其溫度波動都會變大，但FC 系統比RF 系統室內溫度波動更為明顯。

圖5 室內外空氣溫度Fig.5 Indoor and outdoor air temperature

2.2 室內垂直溫度

當有太陽輻射照射時，窗戶玻璃面積的大小會影響攝入室內的輻射量進而影響室內熱環境。為了清楚的觀察到不同測點沿垂直方向溫度的變化，圖6和圖7繪制了各工況在6:00、12:00、18:00 時的無量綱化垂直溫度的分布熱圖，圖上各方格上的值為對應高度的無量綱溫度值。如圖所示不同窗墻比下各對應3 列，從左到右分別表示測點C、A 和B處對應高度的無量綱溫度值，從圖中可以清楚的觀察到室內縱向溫度變化呈現出隨高度的增加而升高的趨勢；由于不對稱輻射的影響，室內C、A、B 三點溫度變化不同，室內中心處垂直溫度相對高于靠窗及靠墻位置。

對比圖6和圖7可以發現，當FC 系統供暖時，由于冷空氣密度大于熱空氣密度，冷空氣沉在房間下方，熱空氣就長時間停留在房間上空，使得上方空氣溫度升高，而與房間下方空氣溫度相差較大，會出現“上熱下冷”的溫度分布不均勻的情況。而RF 系統供暖的室內垂直溫度梯度變化較小，沿垂直方向溫度分布均勻，符合人體生理取暖的舒適要求。當有太陽輻射存在時，不論是FC 系統還是RF系統，室內各測點垂直溫度都會隨著窗墻比的增加有所上升。但是在RF 末端作用下，當太陽輻射照射在地板上，地面溫度升高較為明顯。

圖6 不同窗墻比下RF 系統供暖時室內垂直溫度分布圖Fig.6 Indoor vertical temperature distribution of RF system heating under different window-wall ratios

圖7 不同窗墻比下FC 系統供暖時室內垂直溫度分布圖Fig.7 Indoor vertical temperature distribution of FC system heating under different window-wall ratios

2.3 室內熱舒適

圖8為不同窗墻比不同供暖系統下室內人員熱感覺評價PMV 分布情況（圖中左側表示為RF系統，右側表示為FC 系統）。從圖中可以看到在RF 系統下，PMV 值大致范圍在0～0.5 之間，即大部分處于“適中”和“稍暖”的中間狀態，隨著窗墻比的增加，進入室內的太陽輻射量增加，平均輻射溫度有所增加，使得PMV 值有所升高，逐漸偏向于更“稍暖”的狀態；并且圖形的寬度增加，表明PMV 值在舒適范圍內出現的頻率增加。在FC系統下，PMV 值大致范圍在-0.3～0.4 之間，大部分熱感覺處于“適中”狀態，隨著窗墻比的增加，FC 末端作用下的PMV 值在舒適范圍內出現的頻率有所增加，但是沒有RF 末端作用下的效果明顯。對比RF 末端作用下的PMV 值的圖形，FC 末端作用下的PMV 值波動更大，變化相對不穩定，這是由于太陽輻射對平均輻射溫度的影響很大，PMV又受平均輻射的影響，而RF 末端作用下輻射作用更加強烈。因此，在RF 系統下，室內熱舒適性更好。

圖8 不同窗墻比不同系統下室內PMV 分布情況Fig.8 Indoor PMV distribution in different systems with different window-wall ratios

2.4 系統能耗

本文系統能耗用用電量表示，當日能耗指所有設備（主機、末端設備、水泵等）運行耗電量之和。圖9為不同窗墻比不同末端作用下系統能耗情況（圖中左側表示為RF 系統，右側表示為FC 系統）。從圖中可以發現窗墻比為60%時不同末端作用下的系統當日所消耗的能耗差別不大。在RF 末端作用下，由于窗墻比為40%和70%的室外溫度較高，所以其當日系統能耗略低，而其余工況的系統每日能耗隨著窗墻比的增加略微的增加，這說明隨著窗墻比的增加，雖然由于窗戶作用，晚上會使熱損耗增加，但是白天進入室內的太陽輻射量增加有利于增加室內得熱量。由于對流作用能使室內溫度達到設計溫度的時間相對較快，當滿足室內設計溫度時，其會存在間歇運行狀態，再一次開始運行時能源消耗較多，因此在FC 末端作用下，隨著窗墻比的增加能耗有所增加，并且增加的幅度大于RF 末端作用下的。對比兩種不同末端可以發現，在系統供水溫度相同的情況下，為滿足室內設計溫度的要求，創建舒適的室內熱環境，RF 系統相比于FC系統耗能較少。

圖9 不同窗墻比不同系統下系統當日能耗Fig.9 The energy consumption of different systems under different window-wall ratios

3 結論

本文為探究夏熱冬冷地區窗墻比對冬季采暖系統的運行特性影響，進行風機盤管和地板輻射兩種不同末端形式的供暖特性實驗測試，并分別就窗墻比對室內溫度，垂直溫差，室內舒適度等的影響進行分析，得到以下幾點結論：

（1）隨著窗墻比的增加，兩種供暖系統室內溫度波動增大。RF 供暖系統下室內溫度范圍在18.5℃～20.5℃之間波動，而FC 供暖系統下室內溫度范圍在18.5℃～23.5℃之間波動，但RF 系統比FC 系統室內溫度波動幅度小，變化穩定。

（2）由于不對稱輻射影響，室內中心處垂直溫度高于靠窗及靠墻位置；兩不同末端作用下的室內各測點垂直溫度隨著窗墻比的增加有所上升。在RF 末端作用下，地面溫度升高較為明顯，并且RF系統作用下的室內垂直溫度梯度變化較小，符合人體生理舒適要求。

（3）當白天室外溫度升高，隨著窗墻比的增加，進入室內的太陽輻射量增加，輻射作用下平均輻射溫度增加明顯，PMV 值隨著窗墻比的增加而增加，并且變化相對穩定。在FC 系統下，PMV 值大致范圍在-0.3～0.4 之間；在RF 系統下，PMV值大致范圍在0～0.5 之間。因此，RF 末端作用下的供暖系統，房間熱舒適性更好。

（4）兩種不同末端作用形式的系統每日能耗均隨著窗墻比的增加而增加，由于FC 末端作用時存在間歇運行狀態，其系統能源消耗高于RF 系統。