基于PKPM軟件模擬分析窗墻比對建筑能耗的影響

江宏玲，賀傳友，戴新榮

(安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站，安徽 合肥230088)

摘要：以合肥地區(qū)某辦公樓為研究對象，采用PKPM節(jié)能分析軟件為該建筑建立了幾何模型，進(jìn)行了賦值計算，模擬出該建筑全年的采暖和空調(diào)能耗，研究了窗墻比和朝向?qū)Σ膳⒖照{(diào)及總能耗的影響規(guī)律。結(jié)果表明，加大東(西)向、北向窗墻比將同時增加建筑的采暖、空調(diào)能耗；加大南向窗墻比將減少采暖能耗，增加空調(diào)能耗，導(dǎo)致建筑總能耗呈上升趨勢。為保證良好的節(jié)能效果，建筑設(shè)計時建議南向窗墻比取值低于0.3。

關(guān)鍵詞：窗墻比；PKPM；朝向；能耗；節(jié)能

收稿日期：2014-08-14

作者簡介：江宏玲(1987-),女,碩士，助理工程師，主要研究方向為新能源。

中圖分類號：TU201.5

Simulation and Analysis the Influnce of Window-wall

Ratio on Building Energy Consumption based on PKPM Software

JIANG Hong-ling,HE Chuan-you,DAI Xin-rong

(Anhui Province Construction engineering quality supervision and inspection station, Hefei 230088, Anhui, China)

Abstract:Danamically simulates the annual heating and air conditioning energy consumption for an office building in Hefei using PKPM energy consumption simulation software，based on establishing the geometric model and calculating the assignment, so as to investigate the influences of window-wall ratio and orientation on energy consumption of the building．The results show that the heating and air conditioning energy consumption will both increase with the greater east(west) or north window-wall ratio, at the same time, greater south window-wall ratio will reduce the heating energy consumption and increase the air conditioning energy consumption, leading to the total energy consumption is on the rise. It is proposed that the south window-wall ratio should be lower than 0.3 in architectural design, in order to ensure excellent energy saving effect.

Key words:window-wall ratio；PKPM；orientation；energy consumption；energy saving

1引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，建筑能耗日益增長，在影響建筑能耗的諸多因素中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)占據(jù)主導(dǎo)地位，因此，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的好壞直接影響建筑能耗的高低[1-2]。窗墻比即為一項重要的熱工性能參數(shù)，其影響建筑能耗的規(guī)律是復(fù)雜的：增大窗墻比會使室內(nèi)的太陽輻射量增加，一方面可以提高冬季室內(nèi)熱環(huán)境，另一方面也會增大夏季空調(diào)能耗，即窗墻比的加大對建筑能耗存在有利和不利的方面[3]。因此，為有效降低建筑能耗，必須研究窗墻比的變化對建筑能耗的影響，從而合理優(yōu)化窗墻比。

在該課題的研究方面，國內(nèi)許多學(xué)者和機構(gòu)已有大量相關(guān)的報道[4-8]。但是上述研究中多是針對居住建筑，且對于窗墻比與建筑能耗的變化規(guī)律研究結(jié)果不太一致。為了探討該變化規(guī)律，本文以合肥市某辦公建筑為例，采用PKPM軟件建立模型并進(jìn)行能耗模擬分析，以理論數(shù)據(jù)的形式研究不同朝向的窗墻比下采暖及空調(diào)能耗的變化趨勢，對公共建筑合理取值窗墻比具有參考價值。

2工程概況

該辦公建筑位于安徽合肥市，圖1為該建筑的外觀圖。該建筑類型為新建公共建筑中辦公建筑，總計建筑面積8381m2，該建筑基本信息如下：

■公共建筑類型：乙類；

■建筑面積：8381.66m2；

■建筑高度：24.60m；

■建筑層數(shù)：地上6層；

■建筑體型系數(shù)：0.19；

■建筑結(jié)構(gòu)類型：框架結(jié)構(gòu)。

3軟件模擬

3.1軟件介紹

本文使用的PKPM模擬軟件由中國建筑科學(xué)研究院開發(fā)，其功能廣泛，可用作建筑節(jié)能分析、能耗分析及計算節(jié)能率等，可依據(jù)國家和地方現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)計建筑和參照建筑進(jìn)行逐時的動態(tài)能耗模擬，根據(jù)計算建筑的總能耗是否超過參照建筑[9]總能耗的限值來判斷建筑能否符合節(jié)能設(shè)計要求。

3.2模型建立

結(jié)合該建筑的設(shè)計報告及資料，使用PKPM能耗模擬軟件建立該建筑物的計算模型，通過模擬計算得出全年采暖耗能和空調(diào)耗能。圖2為該計算模型的三維圖。

3.3參數(shù)賦值

能耗計算參數(shù)的賦值主要包括：建筑基本信息、室內(nèi)外計算參數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)、建筑用能系統(tǒng)概況及運行條件等。根據(jù)該建筑的實際情況，其部分參數(shù)來源如下：

■計算城市：合肥市(北緯=31.90，東經(jīng)=117.19)；

■氣候分區(qū)：夏熱冬冷；

■采暖、空調(diào)等設(shè)備滿足《安徽省公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[9]；

■室外氣象計算參數(shù)采用典型氣象年數(shù)據(jù)；

■固定換氣次數(shù)為1.0次/h；

表1所示為該地區(qū)夏季和冬季的設(shè)計參數(shù)，表2～表4所示為各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能參數(shù)。

表1　室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

表2　屋面熱工性能參數(shù)

表3　外墻平均傳熱系數(shù)

表4　外窗類型

3.4參照建筑模型參數(shù)設(shè)置

設(shè)計建筑與參照建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能參數(shù)的對比，具體如表5所示。

表5　設(shè)計建筑與參照建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能對比

4計算結(jié)果及分析

4.1對采暖能耗的影響

通過調(diào)整每個單元窗戶的不同尺寸來改變窗墻比，針對東(西)、南、北不同的朝向，模擬單位建筑面積的采暖能耗隨窗墻比的變化情況，計算結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，采暖能耗隨著東(西)向和北向窗墻比的增加而增加，相反，更大的南向窗墻比可以降低采暖能耗。這是由于冬季南向太陽輻照度最大，房間透過外窗獲得的太陽輻射要大于通過外窗的熱損失量。

4.2對空調(diào)能耗的影響

由于玻璃具有良好的太陽透過性能，東(西)、南、北各個朝向下，加大窗墻比均會使得室內(nèi)的太陽輻射得熱量大幅增加，對空調(diào)能耗的降低顯然不利。

結(jié)合上述采暖能耗隨各朝向窗墻比的變化規(guī)律，可以知道，增加?xùn)|(西)向和北向窗墻比，將導(dǎo)致采暖，空調(diào)總能耗增加；對于南向，采暖能耗隨窗墻比的增大反而減小，因此南向窗墻比對總能耗的影響是有利或不利暫不能確定。為此，有必要模擬分析單位建筑面積的空調(diào)能耗受南向窗墻比的影響規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

4.3對總能耗和能耗差的影響

根據(jù)上述采暖能耗和空調(diào)能耗隨窗墻比變化規(guī)律的計算結(jié)果，研究分析南向窗墻比對建筑全年總能耗的影響規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著南向窗墻比的加大，建筑總能耗呈上升趨勢，即加大南向窗墻比對空調(diào)能耗的不利影響程度要大于對采暖能耗的有利影響程度。

實際建筑設(shè)計中，為了兼顧建筑創(chuàng)作，并不要求所有朝向都滿足窗墻比要求，文獻(xiàn)[2]研究結(jié)果表明，各朝向窗墻比對建筑總能耗的影響程度由高至低依次為：南向最高，東(西)向最低，北向居中。因此，應(yīng)著重從改變南向窗墻比著手來降低建筑總能耗。

節(jié)能計算中可通過設(shè)計建筑總能耗與參照建筑總能耗的差值來定性判斷建筑的節(jié)能效果，差值越大說明節(jié)能效果越好，即節(jié)能措施尚有余量，反之，說明節(jié)能效果較差。南向窗墻比與能耗差的變化關(guān)系如圖6。

從圖6中可以看出，隨著窗墻比的增大，能耗差不斷遞減，窗墻比小于0.3時，圖中曲線較平緩，說明節(jié)能效果較好；當(dāng)窗墻比超過規(guī)范[9]限值0.7之后，曲線較陡，下降速度較快，說明節(jié)能效果很差。因此，建筑設(shè)計中，考慮到建筑節(jié)能效果，建議南向窗墻比低于0.3。

5結(jié)論

文中運用PKPM軟件模擬了建筑全年能耗，研究分析了不同朝向及不同窗墻比的條件下，建筑采暖、空調(diào)能耗的變化規(guī)律，得出結(jié)論：結(jié)果表明，加大東(西)向、北向窗墻比將同時增加建筑的采暖、空調(diào)能耗；加大南向窗墻比將減少采暖能耗，增加空調(diào)能耗，導(dǎo)致建筑總能耗呈上升趨勢。實際建筑設(shè)計中，建筑的平面布置比文中所建模型復(fù)雜，影響建筑能耗的關(guān)鍵指標(biāo)除了窗墻比之外還有很多因素，設(shè)計時應(yīng)在滿足節(jié)能規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

的同時綜合考慮各影響指標(biāo)之間的相互關(guān)系。此外，通過本文分析還可以看出PKPM軟件可應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計，便于在建筑設(shè)計階段找到建筑節(jié)能的關(guān)鍵點，為建筑節(jié)能設(shè)計參數(shù)的合理取值提供參考數(shù)據(jù)。

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