夏熱冬暖地區不同窗墻面積比對辦公建筑能耗影響分析

李楠，韓明珠

［1.廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010；2.同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海 200092］

0 引言

2021 年，國務院發布《2030 年前碳達峰行動方案》，圍繞2030 年前碳達峰目標，對實施碳達峰工作進行了總體部署。根據有關統計，建筑行業所消耗的能源占全世界的30%～40%，所排放的溫室氣體約占全世界的30%，綠色建筑作為“十四五”規劃期間建筑業的重點發展方向，全面發展綠色建筑是實現碳達峰、碳中和目標的重要環節。

建筑圍護結構是指建筑設計中，建筑外圍護、房間四周所包含的圍護構件，一般來說，圍護結構指的是外圍護結構，包括屋面、外墻、外窗、接觸室外空氣的架空樓板、地面等。在我國切實開展建筑圍護結構節能工作，有利于降低建筑能耗[1]。作為建筑立面設計的重要參數，窗墻面積比的大小不僅影響建筑的立面效果，而且影響建筑能耗[2]；例如，增大窗墻面積比有利于獲得良好的采光，降低照明能耗，但同時也會增加室內外的熱傳遞，降低冬季供暖能耗，增加了夏季制冷能耗。本文選取位于夏熱冬暖地區的某辦公建筑，研究不同窗墻面積比對建筑負荷及能耗的影響。

1 模擬軟件介紹

PKPM 綠建節能系列軟件由中國建筑科學院自主研發，可以用于公共建筑、居住建筑、工業建筑的建筑節能設計、能耗模擬、碳排放計算、綠建模擬計算等。PKPM 基于AutoCAD 軟件平臺，在建筑既有圖紙基礎上建立三維綠建節能模型。PKPM 內置的各省市建筑節能常用墻體和窗體數據庫，可以反映建筑構件的真實熱工性能。PKPM-Energy 模塊能夠按照項目地的建筑熱工設計分區以及全年氣象數據，根據綠色建筑評價標準計算各構件分項負荷，分析全年能耗情況[3]。

2 建筑及模型概況

本研究所選取的辦公建筑位于廣州市，屬于夏熱冬暖B 地區，南北朝向，框架結構，體形系數0.13，地下1 層，地上15 層，層高4.5m，建筑總高度67.50m，總建筑面積20294m2，其中地上19026m2，地下1268m2。建模過程中利用AutoCAD 軟件對建筑施工圖進行整理，歸并PKPM 綠色節能軟件能夠識別的門、窗、墻等線型，通過從平面圖紙導入方式建立PKPM 模型，保證建筑能耗計算的準確性，模型軸測圖如圖1 所示。

圖1 模型軸測圖

在建筑節能設計方面，可以通過優化建筑朝向、調整體形系數、優化窗墻面積比、墻體傳熱系數、窗體傳熱系數、遮陽系數等設計來降低能耗需求。通過研究控制合理的窗墻面積比、提高圍護結構的保溫隔熱性能，來降低圍護結構帶來的建筑能耗[4]。在本研究中，為了減少變量對結果的干擾，對影響建筑能耗的因素包括體形系數、屋面傳熱系數、外墻傳熱系數、外窗傳熱系數、玻璃遮陽系數等都設為定量，所有的模型都采用同一套外圍護構造，建筑構造做法如表1 所示。屋面、外墻的K 值分別為0.40W/（m2·K）、1.09W/（m2·K），外窗K值為2.40W/（m2·K），遮陽系數為0.32，東南西北各朝向窗墻面積比均相同，分析該辦公建筑在0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 不同窗墻面積比情況下的建筑能耗表現情況。

室外氣象參數采用典型年氣象參數，在PKPM 軟件中選取地點后自動調用，無須手動輸入。室內計算參數按照《建筑節能與可再生能源利用通用規范》（GB 55015—2021）選取，對于不同的房間類型，夏季和冬季的室內設計溫度、人員密度、設備功率、照明功率等的設置也不相同，具體參數設置如表2 所示。暖通空調系統選用兩管制風機盤管加獨立新風類型，參數默認。

表2 室內計算參數

3 結果分析

建筑負荷是建筑能耗的基本組成部分，建筑能耗等于建筑負荷加上空調采暖系統本身的能耗。因此，建筑負荷主要與圍護結構熱工性能有關，而建筑能耗既與圍護結構熱工性能有關，也與空調采暖系統有關[5]。PKPM能耗模擬計算結果可以包括兩部分：負荷計算結果和能耗計算結果。根據《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378—2019）中對建筑全年計算負荷的要求，參考《建筑節能與可再生能源利用通用規范》（GB 55015—2021）中圍護結構熱工性能參數限值，本文的負荷計算采用圍護結構負荷作為結果輸出，即建筑所有房間全年都維持恒定的空調溫度，建筑屋面、外墻、外窗、隔墻等圍護結構由于室內外溫度差和太陽輻射影響產生的負荷。

3.1 建筑各構件分項負荷

對于設計建筑，在不同的窗墻面積比情況下，外窗所占的負荷比例均最大，屋面所占的負荷比例均最小。隨著窗墻面積比從0.3 增至0.7，外窗負荷比例從45.15%增大至78.28%，外墻負荷比例從46.85%減小至16.27%，內圍護負荷比例從5.64%減小至3.81%，屋面負荷比例從2.37%減小至1.64%，不同窗墻比下各構件的負荷比例如圖2 所示。由此可見，隨著窗墻面積比的增加，外窗對建筑負荷的作用越來越大，屋面、外墻和內圍護對建筑負荷的作用越來越小，改變外窗的熱工性能比改變屋面、外墻和內圍護的熱工性能效果更為顯著。

圖2 不同窗墻比下各構件的負荷比例

3.2 圍護結構逐月負荷

經過計算還得到圍護結構的逐月負荷，不同窗墻面積比情況下的逐月負荷分布大體相似，這里以窗墻面積比0.6 為例進行分析，圍護結構逐月冷負荷如圖3所示，在7 月、8 月、9 月，圍護結構的冷負荷較高，1 月、2 月冷負荷較低；圍護結構逐月熱負荷如圖4 所示，在1 月、2 月，圍護結構的熱負荷較高，7 月、8 月、9 月的冷負荷幾乎為0，建筑逐月負荷分布較為合理。圍護結構逐月總負荷如圖5 所示，從圍護結構逐月總負荷來看，7 月的圍護結構負荷最大，8 月次之，4 月最小。

圖3 圍護結構逐月冷負荷

圖4 圍護結構逐月熱負荷

圖5 圍護結構逐月總負荷

3.3 建筑全年負荷和建筑能耗

統計窗墻面積比從0.3 增加至0.7 時，計算得到的全年熱負荷、全年冷負荷、供暖能耗量、供冷能耗量，結果如圖6 所示。可以發現，全年冷負荷要大于全年熱負荷，供冷能耗量要大于供暖能耗量。隨著窗墻面積比的增加，全年熱負荷、全年冷負荷、供暖能耗量、供冷能耗量均逐漸增加，接近線性關系，且全年冷負荷對窗墻面積比的變化更加敏感。

圖6 窗墻面積比對建筑全年負荷和能耗的影響

4 結語

本文以廣州某辦公建筑為例，研究了夏熱冬暖地區窗墻面積比對建筑能耗的影響，結果表明，隨著窗墻面積比的增加，外窗的熱工性能在建筑負荷中占主導作用，可以通過適當提高外窗的熱工性能，來降低建筑的供暖空調負荷。對于夏熱冬暖地區，建筑全年冷負荷要高于全年熱負荷，且對于窗墻面積比的變化較為敏感，在降低建筑能耗時，應優先考慮能夠降低冷負荷的措施。因此，在建筑方案及節能設計時，應合理設計建筑立面的窗墻面積比，并對圍護結構熱工參數進行優化，在滿足規范要求的同時，降低對建筑全生命周期能耗的影響。