建筑窗墻比對空調負荷的影響

余師漩

（遼寧工程技術大學 土木工程學院，遼寧 阜新 123000）

對住宅建筑物而言，建筑外形和圍護結構的熱工特性是表征熱特性的一般方法。隨著室內外氣象條件的逐時改變和建筑物內設備使用要求的逐步改變，建筑物內的空氣質量參數也必然逐時發生變化。要保證建筑內的空氣質量參量如相對濕度等，在規定范圍內變化，就需要給建筑內增加熱能或制冷劑，減少過濕負載或加濕，以保證建筑的氣溫平衡和相對濕度均勻。這里，建筑物的窗間墻比也是一個重要參考因素[1]。另外，窗間墻比的增加也會提高建筑物內部房間從太陽輻射處得到的熱量，不僅如此，還會使空調功率進一步的增加；同時也會提高室內外的通風換氣，同時增加了供電功率。所以，必須科學合理地利用太陽光照射，并科學合理地確定窗墻比。

國內外的不少科研院所和專家學者均對該課題研究展開了深入研究與探討，簡毅文等[2]使用DeST-h 軟件系統實現仿真，揭示了針對住宅建筑設計，門窗比對年度總供暖、中央空調功耗的直接影響規律性；龍恩深等[3]同時是以住宅建筑設計為主要對象，使用特征溫度法深入研究了采取相同的節電舉措門窗比對冷熱耗能指數和節能率方面的直接影響；苑翔等[4]剖析了體形系數等與建筑物冷負荷系數方面的關聯性；侯余波等[5]使用DOE 負二軟件，對門窗比與建筑物年度功耗、年度總能耗間的關聯規律性展開了解析；陳雷娟等[6]使用了DeST-h 軟件系統對舟山市住宅建筑設計實施了仿真，得出了特定條件下最有利建筑物節約的門窗比；張振興等[7]使用DeST 模擬軟件說明了外窗對某學生公寓住宅采暖的節約性因素；盧麗冰等[8]使用FLUENT 軟件系統仿真解析了圍護構件的傳熱量伴隨門窗比上升的變化；吳金順等[9]使用了DeST 軟件仿真，使用最小二加減法擬合出了外窗墻比對建筑環境造成的不好因素及通過其的改變對房間內的冷負荷量產生的影響；謝靜超[10]等采用動態模擬的方法，以島礁上擬建賓館建筑為對象，分析不同朝向窗墻比變化對建筑全年能耗的影響。但在這些討論中，對辦公建筑窗間墻比的研究相對來說較少，而且也很少有人在研究中改變了單一朝向的窗間墻，比對建筑更冷、熱負荷的影響。

為研究該問題，本章將以北京市某政府辦公建筑為例，展開模擬研究。

1 建筑模型建立

為便于研究不同窗間墻比和改變各方向窗間墻比對空調負荷的影響，本文作者構建了一種較簡單的三層辦公建筑模型，層高3.6m，坐北朝南，地點為北京市。外墻墻體采用370mm 磚墻，外窗采用鍍Low-e 膜中空(低透型)窗戶。

冬天的空調時間應是一月十五日至三月十五年日，夏天的空調時間則是五月十五日至九月十五日。建筑物的DeST 模型如圖1 所顯示。北京市的氣象參數如圖2所示。

圖1 建筑物的DeST 模型

2 模擬數據分析

2.1 模擬結果

以某該公司辦公建筑為案例模型，運用DeST 軟件模擬各朝向窗墻比的改變及其對建筑冷、熱荷載的影響，將建筑各個參數都設計完成并進行熱負荷測算，同時兼顧考慮了日照遮擋與天空背景輻射。一個建筑全部窗間墻比都進行改變對于建筑一年四季產生的全部冷負荷及熱負荷變化的影響如圖3 所示。通過圖3 可以看出隨著建筑全部窗間墻比的不斷提高，建筑的熱負荷會隨著窗墻比的增高而減小，而冷負荷卻隨著窗墻比的增加而變大。同時發現當窗墻比大于零點四的時候，建筑熱負荷變小的幅度逐漸變慢。

固定建筑三向窗墻比均為零點二，在各方向均可行的窗間墻比范圍內，由影響建筑物各方向窗間墻比引起建筑物全年累計冷、熱荷載變動的情況，如圖中4、5、6、7 所示，依次表示了東、西、南、北向建筑物窗間墻比與建筑荷載之間的關系?？梢钥闯鲭S著各向窗墻比的加大，熱負荷都逐漸降低，冷負荷都逐漸增加。當變化不同的東向窗墻比時，一年四季熱負荷總量一般都是大于冷負荷的總量。當西向窗墻比變化不同的時候，一年四季冷負荷總量一般都是大于熱負荷總量的。當南向窗墻比改變不同的時候，一年四季冷負荷的總量與熱負荷高的總量是交替變化的，具有不規律性，與整體窗墻比改變時的變化趨勢最相似。當北向窗墻比改變不同的時候，一年四季冷負荷總量卻是比熱負荷總量大的很多。

圖5 西向窗墻比與建筑負荷關系

圖6 南向窗墻比與建筑負荷關系

圖7 北向窗墻比與建筑負荷關系

2.2 研究結論

通過對比南北窗間墻距的變化，可發現:對熱負荷的產生與影響，北行明顯多于南行。對冷負荷影響而言，南行明顯大于北行。這主要是因為在冬天北向室內溫度較低，所以窗戶的保溫作用比較不好，對熱負荷的增加程度也就較大了。

而在夏季，則因為南向室內溫度較高，隨著窗間墻比的上升，室內外溫熱空氣和日光之間的輻射作用也增強，因此增加了室內外較冷負荷[11]。

3 結論

建筑物的窗墻比作為建筑節能的主要方面，很有必要利用軟件的仿真來確定。

一方面，既可滿足節能需要;但是也要同時滿足用戶的行為習慣，以適應城市光照條件。使用DeST 模擬建筑年度動態負荷，已經得出了建筑全年的平均計算結果和總負荷的變化趨勢，因此本文中選擇了某辦公建筑的窗間墻比進行了研究，結果表明:對于北京市來說，隨著建筑各向窗間墻比的擴大，熱負荷都逐漸降低，冷負荷都逐漸增加。北向窗壁比對供熱負荷的影響明顯大于南向，相對冷負荷而言，北向明顯低于南行向。南向窗間墻比變化對負荷的影響很大，而東西向窗墻間比變化對負荷的影響很小，北向則處于二者之間。不管方向如何，窗間墻比與建筑單位的全年能耗均呈線性關系，為了建筑節能，可以依據實際情況來選擇不同的窗間墻比，使能源可以進一步得到節約。

每一個建筑都有不同的朝向、窗間墻比，這是建筑的固有屬性，因此根據模擬結果，并且根據北京市的實際狀況，建筑設計時應在符合節能規范的時候充分考慮二者之間的相互關聯，在顧全建筑外觀美、空氣亮的基本上，盡可能降低窗間墻比。