劉廣業(yè)， 吳秉義， 夏國文， 李桂洋， 佘順志

(上海寶冶集團有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展，工業(yè)、交通及建筑業(yè)等行業(yè)不斷進步，能源消耗也隨之不斷增長[1]。于是，被動式低能耗建筑憑借良好的節(jié)能效果得到了長足的發(fā)展和廣泛的推廣。繼德國等歐美國家出臺被動式低能耗建筑相應標準條文后，我國也在此領域做了諸多工作[2-6]。不過，目前國內(nèi)的節(jié)能模擬研究主要還是以給定實體參考模型，改變建筑本體結構熱工參數(shù)或空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)，然后進行分析為主，而針對被動式低能耗建筑的合理窗墻比、體型系數(shù)等的研究較少，因此很有必要對以建筑節(jié)能為目的的被動式低能耗建筑的窗墻比開展優(yōu)化研究。

1 工程背景及模型建立

1.1 建筑概況

模擬用典型建筑為一座被動式超低能耗公共建筑，位于青島市李滄區(qū)。典型建筑地下部分為4層，用作地下車庫、機房、地下室；地上部分共5層，主要用作展覽廳、實驗室及會議室等。建筑主體采用框架結構，外墻做外保溫處理，外墻傳熱系數(shù)為0.18 W/m2K，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.11 W/m2K，均符合《近零能耗建筑技術標準》(GB/T 51350—2019)[7]對寒冷地區(qū)的圍護結構傳熱系數(shù)的參數(shù)要求。

1.2 建筑模型建立

依據(jù)該超低能耗公共建筑設計信息，利用DeST-c軟件建立能耗模型?？紤]到典型建筑地下部分除電梯井外均未采用被動式技術，為簡化模擬，模型僅針對典型建筑地上部分。建筑內(nèi)部熱擾根據(jù)房間類型進行設置，共分為會議室、辦公室、實驗室、衛(wèi)生間、走廊、設備間、樓梯間、電梯間等。其中，樓梯間、電梯間、設備間為非空調(diào)房間，其他為空調(diào)房間。設置的熱擾類型主要有人員熱擾、燈光熱擾、設備熱擾，具體熱擾參數(shù)均按照《近零能耗建筑技術標準》(GB/T 51350-2019)進行設置。維護結構熱工參數(shù)，除外窗以外，均按照典型建筑原設計進行，且滿足規(guī)范要求。

模型用氣象數(shù)據(jù)采用軟件內(nèi)部嵌入的數(shù)據(jù)，考慮到該建筑坐落于青島市李滄區(qū)，因而采用了數(shù)據(jù)庫中青島的典型年氣象數(shù)據(jù)。相較于實際氣候數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理的典型年氣象數(shù)據(jù)，更多地考慮了極端天氣以及氣候變化。因而采用典型年氣象數(shù)據(jù)更能體現(xiàn)模型建筑全生命周期的建筑用能情況，模擬更準確。青島典型年氣溫變化如圖1所示，其中縱軸表示室外干球溫度，橫軸為與之對應的日期。

圖1 模擬用青島全年室外干球溫度

1.3 工況設計

考慮到影響建筑節(jié)能的因素眾多，在采用了多項建筑節(jié)能措施的被動式低能耗建筑中每一個因素的變化都會導致建筑能耗的顯著變化。本文著重選擇了外窗作為主要因素，以窗墻比及外窗傳熱系數(shù)作為主要參數(shù)進行了模擬分析。顧名思義，窗墻比是指外窗占整個外墻的比例，可想而知，南向窗顯然要比東西向和北向窗透過的陽光多。因而不同方向的窗墻比對建筑影響很可能是不同的，所以在進行工況設計時考慮將窗墻比分為南向窗墻比、北向窗墻比以及東西向窗墻比三個維度進行分析。在已有研究[8-9]的基礎上設置了5種窗墻比類型，分別為0.2/0.3/0.4/0.5/0.6。參考被動式低能耗建筑產(chǎn)品選用目錄，結合《近零能耗建筑技術標準》中對外窗性能的要求，選定了5種不同類型的建筑外窗，同時為方便對模擬結果進行比較，將外窗參數(shù)進行了優(yōu)化處理，具體外窗傳熱系數(shù)分別為0.6/0.7/0.8/0.9/1.0(W/m2K)。

基于以上，共設計3種不同工況，進行75組不同參數(shù)下模型建筑的能耗模擬。

工況1：保持東西向窗墻比及北向窗墻比為0.3不變，通過改變南向窗墻比及外窗類型，分析外窗性能與南向窗墻比對建筑能耗的影響，以得出較優(yōu)的南向窗墻比。

工況2：保持東西向窗墻比及南向窗墻比為0.3不變，分析外窗性能與北向窗墻比對建筑能耗的影響，探討合理的北向窗墻比。

工況3：保持北向窗墻比及南向窗墻比為0.3不變，分析外窗性能與東西向窗墻比對建筑能耗的影響，得出更具節(jié)能效果的東西向窗墻比。

同時綜合對比75組數(shù)據(jù)，討論不同朝向窗墻比對建筑能耗的影響情況。

2 計算結果及分析

利用DeST軟件對模型建筑進行了全年8760 h的采暖、制冷負荷模擬計算，模擬3種工況下不同參數(shù)下的75組試驗點，得到了每組試驗模型的冷熱負荷。為充分分析窗墻比及外窗熱工性能對建筑能耗的影響，本節(jié)進行了如下分類分析。

2.1 南向窗墻比對建筑能耗的影響

以南向窗墻比為坐標橫軸，以建筑冷熱負荷為縱軸建立了不同類型外窗狀況下建筑負荷隨南向窗墻比變化的曲線，如圖2所示。

圖2 南向窗墻比作用下的負荷變化

從圖2中可以看出，隨著南向窗墻比的增加，5種類型的外窗狀況下的建筑能耗均不斷增加。與此同時，傳熱系數(shù)較低的1#窗對南向窗墻比的敏感性顯著高于傳熱系數(shù)更高的其他窗。這表明在南向窗墻比較低時，降低外窗傳熱系數(shù)具有一定的節(jié)能效果，而當南向窗墻比達到較高水平時，降低外窗傳熱系數(shù)的節(jié)能效果不再明顯。此外，在南向窗墻比達到0.3以后，隨南向窗墻比增加，不同類型外窗下模型建筑冷熱負荷增加速度明顯變快。由此，建議被動式低能耗建筑南向窗墻比控制在0.2～0.3水平，且宜在南向窗墻比處于低水平時采用熱工性能更好的外窗；但當由于其他考量不得不采用較高水平的南向窗墻比時，不建議額外更換更高熱工性能的外窗。

2.2 北向窗墻比對建筑能耗的影響

如圖3所示，以北向窗墻比為自變量，建筑冷熱負荷為因變量繪制了不同類型外窗狀況下建筑模型冷熱負荷變化曲線。

圖3 北向窗墻比作用下的負荷變化

從圖3中不難得出，隨著北向窗墻比不斷增加，不同類型窗狀況下建筑模型冷熱負荷明顯呈線性增長，且增長速度幾乎不變。同時，在不同北向窗墻比作用下，1#窗模型建筑冷熱負荷全程低于其他類型窗，即不同北向窗墻比下，較高熱工性能的外窗比較低熱工性能的外窗具有明顯的節(jié)能效果。雖然，不同類型窗狀況下建筑模型未隨北向窗墻比增加而有一個明顯的負荷加速增加，但考慮到建筑北向外窗一般起通風作用，不進行采光，因而綜合考慮下，建議被動式低能耗建筑北向窗墻比宜盡量取較低水平，同時選取傳熱系數(shù)較低的外窗。

2.3 東西向窗墻比對建筑能耗的影響

圖4為東西向窗墻比作用下的不同類型窗狀態(tài)下模型建筑冷熱負荷變化曲線圖。

圖4 東西向窗墻比作用下的負荷變化

從圖4中可以清晰地看到，隨模型建筑東西向窗墻比增加，不同類型窗狀態(tài)下模型負荷均不斷增加。但熱工性能較好的1#、2#窗明顯對東西向窗墻比有更高的敏感性，表現(xiàn)在當東西向窗墻比處于0.2～0.4水平時，1#、2#窗較其他窗有明顯的節(jié)能效果，而這一效果在東西向窗墻比大于0.5時不再明顯，甚至與3#窗具有相近的建筑負荷。同時，可以看出隨東西向窗墻比增加，建筑冷熱負荷的增加存在增速階段，具體為東西向窗墻比為0.3、0.4時圖4所示曲線發(fā)生了不同程度的轉折。對此，分析認為東西向窗墻比設置為0.3為宜，且宜選取傳熱系數(shù)較低的外窗。但是，當東西向窗墻比由于其他原因不得不采用高窗墻比時，建議選用熱工性能較好的3#窗，并且不建議選用高于3#窗熱工性能的外窗。

2.4 不同朝向窗墻比對建筑能耗的影響

圖5 反映了南向、北向及東西向3種工況75組數(shù)據(jù)的分布。

圖5 不同朝向窗墻比作用下的建筑冷熱負荷

圖5中未見異常值，表明工況設計比較準確，且各作用因素相對獨立。在此基礎上可以清晰地看到東西向窗墻比引起的建筑負荷變化大于南向窗墻比，同時遠大于北向窗墻比，不難得出不同朝向窗墻比對建筑能耗有不同的影響，因此上文進行分開討論是正確的。與北向窗墻比對建筑負荷的影響范圍較小對應的是北向窗墻比作用下的建筑負荷最低值為39.15 kW·h/m2，這一數(shù)字明顯大于南向窗墻比和東西向窗墻比作用下的建筑負荷最低值，對此，可以認為北向窗墻比的設計亦是降低建筑能耗的關鍵點。南向窗墻比、北向窗墻比、東西向窗墻比作用下模擬數(shù)據(jù)中位線相近，均介于40～41 kW·h/m2，遠高于模擬數(shù)據(jù)的最低值，說明需要對被動式低能耗建筑窗墻比進行優(yōu)化探究。

3 結 論

(1) 從建筑節(jié)能角度來看，合理的南向窗墻比范圍為0.2～0.3，同時宜采用熱工性能較高的外窗，當南向窗墻比由于其他因素選取較高窗墻比時，選用高熱工性能外窗不具有明顯節(jié)能效果。

(2) 從建筑節(jié)能角度來看，北向窗墻比宜越低越好，但應綜合考慮這個問題，以滿足其他需求。

(3) 從建筑節(jié)能角度來看，東西向窗墻比最優(yōu)解為0.3，同時建議選取高熱工性能的外窗，但東西向窗墻比較大時，建議選取傳熱系數(shù)為0.8 W/m2K的外窗。

(4) 不同朝向窗墻比對建筑能耗有著明顯不同的影響力，東西向、南向、北向對建筑負荷的影響力呈遞減趨勢，建議在設計、研究時分開考量不同朝向窗墻比的影響。