高曉璐，李曉虹，封海輝

(西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039)

成都屬夏熱冬冷地區(qū)。夏季炎熱，太陽輻射強(qiáng)度大；冬季寒冷，太陽輻射強(qiáng)度低。最冷月典型日太陽輻射量最高僅為20.85 W/m2[1]，所以建筑室內(nèi)熱環(huán)境差，采暖空調(diào)能耗驚人，現(xiàn)階段夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能承擔(dān)著改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境的重任。改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境關(guān)鍵一環(huán)在于改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的部件中，窗戶的熱工性能最差，建筑通過外窗損失的能耗往往占圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的50%左右[2]。窗戶的得熱量受太陽輻射和室外氣溫2個(gè)熱源的共同作用，其中氣溫對任何朝向的窗戶影響是相同的，而太陽輻射熱的影響就不同了；因此，夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能不僅與外窗的傳熱性能，而且與建筑各個(gè)朝向外窗的遮陽系數(shù)緊密相關(guān)。本文利用清華大學(xué)主持開發(fā)的建筑環(huán)境設(shè)計(jì)模擬分析軟件DeST-h，研究成都地區(qū)居住建筑不同朝向外窗傳熱系數(shù)與遮陽系數(shù)對建筑能耗的影響。

1 建筑模型

研究對象是成都地區(qū)一典型居民住宅樓，建筑模型平面如圖1所示。該建筑為塔式住宅樓，共10層，樓層層高3.2 m。一梯四戶，每戶三室兩廳，面積約90 m2。南北向窗墻面積比0.4，東西向窗墻面積比0.25。建筑形體系數(shù)0.256 m-1。建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 建筑模型平面圖

圍護(hù)結(jié)構(gòu)名稱圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料傳熱系數(shù)/(W/(m2·K))外墻混凝土墻+瀝青膨脹珍珠巖保溫0.5屋面加氣混凝土保溫屋面0.37分戶墻混凝土隔墻2.0樓板鋼筋混凝土2.0外窗普通6mm塑料框單玻4.7

2 計(jì)算模式

2.1 室內(nèi)熱擾

每套住宅臥室、客廳考慮空調(diào)?？照{(diào)控制溫度18～26 ℃，相對濕度20%～80%，容忍溫度16～29 ℃[3]。換氣次數(shù)1次/h，室內(nèi)照明得熱0.5875 W/m2，其他得熱平均強(qiáng)度4.3 W/m2。制冷時(shí)額定能效比取2.3，采暖時(shí)額定能效比取1.9。采暖計(jì)算期為當(dāng)年12月1日至次年2月28日，空調(diào)計(jì)算期為當(dāng)年6月15日至8月31日[4]。氣象參數(shù)選取成都典型氣象年數(shù)據(jù)。

2.2 模擬工況與方法

為了研究成都地區(qū)居住建筑不同朝向外窗傳熱系數(shù)與遮陽系數(shù)對建筑能耗的影響，本文使用清華大學(xué)主持開發(fā)的建筑環(huán)境設(shè)計(jì)模擬分析軟件DeST-h，在分析外窗傳熱系數(shù)對建筑能耗影響的基礎(chǔ)上，研究不同朝向外窗遮陽系數(shù)對建筑能耗的影響[5]。

窗戶由窗框和玻璃系統(tǒng)組成，因此根據(jù)文獻(xiàn)[5]，窗戶傳熱系數(shù)U值由公式(1)、(2)計(jì)算得到。

(1)

U=Ug+ηf(Uf+ηg)

(2)

式中：ηf為窗框面積與整窗面積之比；Fg為玻璃的面積， m2；Ff為窗框的面積， m2；U為窗戶的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ug為玻璃的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Uf為窗框的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

本文根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》[6]，直接選定5種外窗模擬工況(如表2所示)，其中工況1為原始外窗，其余工況分別為4種材料外窗。首先模擬計(jì)算外窗傳熱系數(shù)對建筑能耗的影響，選出最適宜的外窗傳熱系數(shù)之后，再研究東、西、南、北4個(gè)方向外窗遮陽系數(shù)對整個(gè)建筑能耗的影響。保持其余設(shè)定參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)方向外窗遮陽系數(shù)，動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算得到東、西、南、北4個(gè)方向遮陽系數(shù)對整個(gè)建筑能耗影響。

表2 模擬工況

3 模擬結(jié)果與分析

成都屬于夏熱冬冷地區(qū)，住宅建筑能耗應(yīng)以建筑物采暖和空調(diào)年耗電量之和為控制目標(biāo)。根據(jù)成都地區(qū)典型氣象年氣象資料：采暖度日數(shù)HDD18=1371.23 ℃·d，空調(diào)度日數(shù)CDD26=31.8 ℃·d，查閱文獻(xiàn)[7]，計(jì)算得到采暖年耗電量指標(biāo)Eh=23.9 kWh/m2，空調(diào)年耗電量指標(biāo)Ec=14.2 kWh/m2，所以成都地區(qū)居住建筑采暖與空調(diào)年總能耗指標(biāo)為38.1 kWh/m2[4,7]。而根據(jù)文獻(xiàn)[8]，求得成都地區(qū)熱負(fù)荷指標(biāo)qh=14.8 W/m2，冷負(fù)荷指標(biāo)qc=18.8 W/m2。

3.1 外窗傳熱系數(shù)對建筑能耗的影響

統(tǒng)計(jì)5種不同外窗傳熱系數(shù)模擬工況計(jì)算數(shù)據(jù)，不同工況條件下建筑冷熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。由計(jì)算結(jié)果可知：原始工況條件下建筑熱負(fù)荷指標(biāo)qh=22.33 W/m2，高于文獻(xiàn)[8]計(jì)算結(jié)果14.8 W/m2；而冷負(fù)荷指標(biāo)qc=12.60 W/m2，比文獻(xiàn)[8]計(jì)算結(jié)果18.8 W/m2低。而成都地區(qū)居住建筑能耗是以建筑物采暖和空調(diào)年耗電量之總和為控制目標(biāo)[4]。

表3 不同工況條件下建筑負(fù)荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果

根據(jù)制冷能效比取2.3，采暖能效比1.9計(jì)算得到建筑采暖、空調(diào)耗電能耗和總能耗(統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4)。建筑采暖、空調(diào)能耗和總能耗的變化曲線如圖2所示。

表4 不同工況條件下建筑各項(xiàng)能耗統(tǒng)計(jì)結(jié)果比較

圖2 外窗傳熱系數(shù)對采暖能耗、空調(diào)能耗和總能耗的影響

在外窗采用普通6 mm單玻材料的情況下(工況1)，原始建筑年采暖能耗28.16 kWh/m2，年空調(diào)能耗11.77 kWh/m2，全年采暖與空調(diào)能耗總和39.93 kWh/m2，稍高于成都地區(qū)居住建筑年采暖與空調(diào)總能耗指標(biāo)值38.1 kWh/m2。

從圖2和表4可知，隨著外窗保溫性能的改善，冬季采暖能耗逐漸降低，但是夏季空調(diào)能耗隨之增加。當(dāng)外窗傳熱系數(shù)由4.7 W/(m2·K)(工況1)降到3.2 W/(m2·K)(工況3)時(shí)，年采暖能耗降低24.5%，之后隨著傳熱系數(shù)的減小采暖能耗降低幅度減小；當(dāng)外窗傳熱系數(shù)由4.7 W/(m2·K)降到3.2 W/(m2·K)時(shí)，年空調(diào)能耗增大3.8%，增幅較小，年采暖空調(diào)總能耗降低16.2%。在工況4、工況5，當(dāng)外窗傳熱系數(shù)由3.2 W/(m2·K)進(jìn)一步降低時(shí)，年采暖能耗降低幅度減小，而年空調(diào)能耗大幅度升高，總能耗進(jìn)一步降低不多，而外窗投資增幅增大，從采暖空調(diào)年總能耗變化趨勢看，建筑外窗取9 mm空氣層厚單框中空玻璃節(jié)能效果較明顯。

3.2 外窗遮陽系數(shù)對建筑能耗的影響

遮陽系數(shù)指整個(gè)窗戶的垂直入射的輻射熱透過率與3 mm單玻窗的垂直輻射熱透過率的比值。遮陽系數(shù)越大，窗玻璃太陽輻射得熱量越大。外窗綜合遮陽系數(shù)等于窗本身的遮陽系數(shù)與外遮陽系數(shù)的乘積，當(dāng)無外遮陽時(shí)等于窗本身的遮陽系數(shù)[9]。綜合遮陽系數(shù)越小，阻擋太陽輻射熱量向室內(nèi)輻射的性能越好。為了研究不同朝向外窗遮陽系數(shù)對建筑能耗的影響，外窗傳熱系數(shù)取3.2 W/(m2·K)，在保證室內(nèi)有足夠采光的情況下，東、西、南、北4個(gè)方向上外窗綜合遮陽系數(shù)范圍均取0.4～0.8。在模擬計(jì)算時(shí)保持其他方向上遮陽系數(shù)0.4不變，只改變其中一個(gè)方向外窗遮陽系數(shù)(0.4～0.8)，根據(jù)動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算結(jié)果，繪制了遮陽系數(shù)對建筑采暖能耗和空調(diào)能耗的影響曲線圖(圖3-4)。

圖3 遮陽系數(shù)對采暖能耗的影響

圖4 遮陽系數(shù)對空調(diào)能耗的影響

由圖3—4可以看出，在東、西、南、北4個(gè)方向上，居住建筑能耗與外窗的隔熱性能是密切相關(guān)的。隨著遮陽系數(shù)的增大，建筑采暖能耗呈線性降低，而空調(diào)能耗則呈線性增長。冬季采暖能耗在南向降低的幅度最大，外窗綜合遮陽系數(shù)從0.4增大到0.8時(shí)，全年采暖能耗降低10.7%，北向次之，能耗降低6.1%，東西向能耗降低值最小。夏季空調(diào)能耗在南向升高的幅度最大，外窗綜合遮陽系數(shù)從0.4增大到0.8時(shí)，全年空調(diào)能耗增加31.4%，北向次之，能耗增加26.6%，東西向能耗增加值較小。由此可見，南向外窗遮陽系數(shù)的改變對整個(gè)建筑能耗的影響最大，北向次之，東西向最小。因?yàn)閺膱D1可知，東西2個(gè)方向空調(diào)房間數(shù)比南向空調(diào)房間數(shù)少很多，而且東、西向外窗窗墻面積比0.25也較南北向0.4?。凰詵|西向外窗遮陽系數(shù)的變化對建筑能耗的影響不如南北方向。總的來說，對于夏熱冬冷的成都地區(qū)居住建筑而言，外窗綜合遮陽系數(shù)對夏季空調(diào)能耗的影響大于冬季采暖能耗。

3.3 合理選擇外遮陽提高外窗遮陽性能

文獻(xiàn)[10]提到，窗口外遮陽按使用方式可分成活動(dòng)遮陽和固定遮陽，活動(dòng)遮陽有外置卷簾和遮陽蓬等，固定遮陽有水平式、垂直式、擋板式外遮陽等[10]。成都所屬的夏熱冬冷地區(qū)夏季高度角較大，水平式遮陽板能夠有效地阻擋陽光進(jìn)入室內(nèi)，但是對于居住建筑而言，采光、使用方便和節(jié)能是居民對遮陽產(chǎn)品的最大需求；因此和固定遮陽板比較而言，活動(dòng)遮陽，特別是遮陽蓬以其使用靈活，時(shí)尚美觀等優(yōu)點(diǎn)更能滿足用戶。

4 結(jié)束語

1)外窗保溫性能的提高，對成都地區(qū)居住建筑節(jié)能是有利的。在東、西、南、北4個(gè)方向上，外窗傳熱系數(shù)對能耗的影響都起到同樣重要作用。當(dāng)外窗傳熱系數(shù)從4.7 W/(m2·K)減小到3.2 W/(m2·K)，年采暖能耗降低24.5%，年空調(diào)能耗增大3.8%，年采暖空調(diào)總能耗降低16.2%，該工況建筑節(jié)能效果相對較好；因此，綜合考慮外窗應(yīng)優(yōu)選9 mm空氣層厚度的單框中空玻璃。

2)成都地區(qū)居住建筑外遮陽對建筑能耗的影響很大。隨著遮陽系數(shù)增大，建筑采暖能耗線性降低，而空調(diào)能耗線性增加。在東、西、南、北4個(gè)方向上，外窗綜合遮陽系數(shù)從0.4增大到0.8時(shí)，南向外窗遮陽系數(shù)的改變對建筑采暖、空調(diào)能耗的影響最大，年采暖能耗降低10.7%，年空調(diào)能耗增加31.4%，北向次之，東西向最小。因此，建筑在考慮外遮陽時(shí)應(yīng)最先考慮南向，且設(shè)置活動(dòng)遮陽蓬最為適宜，夏季通風(fēng)阻隔太陽輻射進(jìn)入室內(nèi)，冬季防風(fēng)增加采光面積。

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