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窗墻比在公共建筑節(jié)能設(shè)計中的應(yīng)用研究

2021-04-03 07:49:40顏嘉琪

顏嘉琪

華東建筑設(shè)計研究院有限公司 上海 200011

窗墻比的設(shè)計不僅會對建筑的采光和照明產(chǎn)生影響,還會對室內(nèi)的溫度產(chǎn)生非常大的影響,如果窗戶面積、形式規(guī)格的設(shè)計不夠合理,就會流失大量的熱量,增加公共建筑空調(diào)系統(tǒng)的能耗,在節(jié)能設(shè)計的過程中,要充分考慮窗墻比對能耗的影響,將窗墻比控制在合適的范圍內(nèi),參考窗墻比的相關(guān)標準,使室內(nèi)擁有良好的采光通風條件,有著適宜的溫度,為人們提供一個舒適的空間。

1 窗戶相關(guān)要素和建筑能耗評價指標

1.1 與窗戶有關(guān)的要素

窗戶能夠?qū)⒆匀还饩€引入到建筑內(nèi)部,人們還可以透過窗戶看到室外的景色,窗戶的設(shè)計對建筑的能耗有很大影響,墻體具有較強的保溫性,而窗戶的保溫效果較差,建筑的節(jié)能設(shè)計應(yīng)注意三個要素,一是窗墻比,設(shè)計師可以在設(shè)計時參考《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》,對寒冷地區(qū)的公共建筑進行設(shè)計時,要對甲類公共建筑進行控制,按照窗墻比≤0.6的標準進行設(shè)計,其他地區(qū)公共建筑的窗墻比應(yīng)≤0.7。同時,重點關(guān)注北向和東西向立面的窗墻比,可適當減小這些立面的窗墻比,適當增加建筑南立面的窗墻比。第二個要素是窗臺高度,窗臺高度主要會影響建筑的采光效果,通常,窗臺高度越低,采光效果越好,應(yīng)將高度控制在合理的范圍內(nèi),若高度過低,會影響照度的均勻性,高度過高,會影響人們的視線和舒適度,公共建筑窗臺高度應(yīng)≥0.8m,住宅建筑窗臺高度應(yīng)≥0.9m。第三個要素是窗戶形狀,窗戶本身的長寬比會對采光和照明能耗產(chǎn)生一定影響。

1.2 建筑能耗的評價指標

建筑能耗主要包含三方面的內(nèi)容,一是制冷能耗,夏季溫度較高,當建筑內(nèi)部的溫度高于26℃時,一般會開啟制冷模式。二是制熱能耗,冬季室內(nèi)溫度較低,當溫度在18℃以下時,往往要對建筑進行供暖,或者開啟制熱模式,將室內(nèi)的溫度控制在合適的范圍內(nèi)。三是照明能耗,在缺少天然光的情況下,需要打開建筑中的照明設(shè)備,《建筑采光設(shè)計規(guī)范》對采光照度進行了規(guī)定,光照度越低,照明能耗越高。通常,辦公區(qū)域的照度應(yīng)≥500lx。公共建筑的節(jié)能設(shè)計還要

考慮光環(huán)境的評價指標,根據(jù)窗墻比進行模擬和計算,確保建筑的采光系數(shù)和全天然采光時間百分比滿足相關(guān)規(guī)定。采光系數(shù)即DF,在建筑內(nèi)部平面上選取一點,對這一點的天空漫射光形成的照度進行測量,同時對室外無遮擋平面任意一點天空漫射光的照度進行測量,室內(nèi)照度與室外照度的比值就是采光系數(shù);全天然采光時間百分比即DA,在一年當中,建筑內(nèi)部依靠天然采光滿足最小照度要求的時間百分比,對于辦公建筑來說,全天然采光百分比應(yīng)大于50%,只少有一半以上的時間能夠滿足辦公照度的需求。另外,光環(huán)境分析還可以參考有效全天然采光時間百分比,即UDI,有效照度應(yīng)當在100~2000lx之間,若照度太低,無法滿足基本的辦公需求,若照度過高,會讓人們產(chǎn)生不適感。窗墻比會對制冷、制熱、光照產(chǎn)生很大影響,對建筑外立面進行設(shè)計時,一定要注意這三個方面的能耗情況,通過窗墻比的合理設(shè)計降低公共建筑的總能耗[1]。

2 窗墻比對公共建筑能耗的影響

2.1 窗墻比對建筑空調(diào)能耗的影響

公共建筑的節(jié)能設(shè)計需要考慮圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能,在各個構(gòu)件中,外窗的熱工性能最差,外墻能耗僅為外窗能耗的1/3,外窗能耗在圍護結(jié)構(gòu)總能耗中的比例大約為40%~50%,應(yīng)盡量減少窗戶帶來的熱損失,對不同朝向立面的窗墻比進行控制。為了研究窗墻比對熱損失的影響,選取了上海市臨港新片區(qū)105社區(qū)金融西九項目10-01地塊1#樓,對夏熱冬冷地區(qū)公共建筑窗墻比的影響進行分析。

上海市臨港新片區(qū)105社區(qū)金融西九項目10-01地塊,位于上海市浦東新區(qū)南匯新城,地塊東至香柏路,西至紫檀路,北至水蕓北路,南至環(huán)湖北一路。處于熱帶季風氣候區(qū),7、8月平均溫度為27.9℃,平均相對濕度為82%,冬季平均溫度為2.1℃,平均相對濕度為75%,既要做好夏季降溫工作,也要做好冬季采暖工作。1#樓辦公建筑的高度為43.95m,共有8層,高層辦公建筑,結(jié)構(gòu)體系為鋼結(jié)構(gòu),外立面形式為玻璃幕墻。

對采暖能耗進行計算和分析,當窗墻比不斷增大時,建筑的采暖能耗也逐漸增大,例如,窗墻比從0.1逐漸增加到0.7,北向窗墻比變化后,制冷能耗增加了14%;東向窗墻比變化后,制冷能耗增長了17%;南向窗墻比變化后,制冷能耗增加了25%;西向窗墻比變化后,制冷能耗增長了37%。當窗墻比越來越高時,采暖能耗都會增加,但是,對西立面窗墻比進行調(diào)整時,能耗增加的幅度最高,這是因為上海市夏季太陽西曬時間較長,對夏季制冷的需求較高,導致制冷負荷較大,有必要對西向窗戶進行遮陽處理。當窗墻比在0.1~0.4之間時,能耗增長率都差不多,在窗墻比為0.4的情況下,西向和南向的能耗增長率開始加大,所以,0.4是一個重要的數(shù)值。對于供暖能耗來說,東向、北向窗墻比變化后,供暖能耗分別增加了0.4%和3%,而南向和西向窗墻比不端增加后,供暖能耗逐漸降低,南向降低了12%,西向降低了10%。總體來說,西向?qū)ㄖ偰芎牡挠绊懽畲螅舷虼沃?,北向窗墻比對能耗的影響最小。由此可知,如果必須要增加該建筑窗戶的面積,盡量增加西向窗戶的面積,同時還要對西向窗戶采取遮陽措施,減少窗墻比對采暖能耗的影響。當建筑的窗墻比較大時,不應(yīng)減小墻體的傳熱系數(shù),應(yīng)以窗戶的調(diào)整為主,減小窗戶的傳熱系數(shù)。在綜合考慮下,要想讓公共建筑呈現(xiàn)出最好的節(jié)能效果,應(yīng)將窗墻比控制在0.4左右,盡量不要讓窗墻比超過0.6。

2.2 窗墻比對建筑能耗影響的模擬分析

公共建筑在整個城市建筑中的占比非常小,但是公共建筑的能耗卻在總能耗中占有較高的比例。上海市臨港新片區(qū)105社區(qū)金融西九項目10-01地塊1#樓,建筑主要功能包含辦公室、會議室等空間,共有8層,建筑一層層高為6米,標準層層高為4.5m,上海屬于夏熱冬冷地區(qū)、且濕度較大。對1#辦公樓進行模擬和分析,主要采用了PKPM軟件。在參數(shù)的設(shè)置中,屋面、外墻、樓板的熱工參數(shù)分別為0.50、0.51、1.89,夏季和冬季的室溫分別設(shè)定為25℃和20℃,同時還對相對濕度、各空間人員熱擾、燈光熱擾功率密度值、電氣設(shè)備功率進行了設(shè)定,空調(diào)系統(tǒng)在白天開啟,新風量設(shè)置為30m/(h·p)。窗墻比會影響窗戶的傳熱系數(shù),進而影響整個建筑的傳熱系統(tǒng),當窗墻比較大時,會增加空調(diào)的能耗,但是,較高的窗墻比有利于改善采光性能,能夠改變照明系統(tǒng)的運行模式,會降低照明能耗,需要綜合分析各方面的能耗,考慮各部分能耗和總能耗的情況。

對于空調(diào)能耗來說,當窗墻比在0.1~0.3之間時,空調(diào)熱負荷逐漸降低,超過0.3后,熱負荷逐漸升高。隨著窗墻比的增高,空調(diào)冷負荷逐漸加大,空調(diào)總能耗也逐漸加大,所以,窗墻比越大,空調(diào)能耗越大。根據(jù)軟件模擬,發(fā)現(xiàn)空調(diào)冷負荷存在較大的變化幅度,最大增幅達到了76.4%,與之相比,空調(diào)熱負荷的變化幅度相對較小。窗墻比在0.6~0.65之間時,空調(diào)總能耗增速較大,總能耗的最大增幅大約為34%。對于照明能耗來說,窗墻比為0.1時,照明能耗為55.51,窗墻比為0.4時,照明能耗為47.09,窗墻比為0.7時,照明能耗為41.14。由此可見,窗墻比和照明能耗呈反比的關(guān)系,窗墻比變大時,照明能耗會逐漸降低。綜合能耗,最大變化幅度大約為-25.9%。

從綜合能耗的層面進行分析,需要全面考慮空調(diào)、照明、電梯、設(shè)備等部分的能耗,由于窗墻比不會對電梯和其他設(shè)備的能耗產(chǎn)生影響,所以,在綜合能耗的分析中只參考空調(diào)和照明的能耗。經(jīng)過模擬,發(fā)現(xiàn)綜合能耗的變化非常復雜,窗墻比在0.1~0.2之間時,綜合能耗從104.03升高為104.5,窗墻比在0.2~0.4之間時,綜合能耗從104.5降低為103.72,窗墻比在0.4~0.7之間時,綜合能耗從103.72升高到106.41。由此可知,隨著窗墻比不斷加大,綜合能耗呈現(xiàn)出加大、減小、加大的變化趨勢,當窗墻比在0.35~0.45之間時,綜合能耗降到了最低,該建筑可以按照這一標準進行控制,將窗墻比設(shè)計在該區(qū)間中,最大程度降低建筑的能耗。

2.3 基于窗墻比的公共建筑節(jié)能設(shè)計方法

將窗墻比控制在合理的范圍內(nèi),能夠有效減少熱量傳輸時的損耗,建筑立面的設(shè)計要考慮建筑結(jié)構(gòu),根據(jù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)設(shè)計窗墻比。公共建筑的節(jié)能設(shè)計應(yīng)重點對窗戶進行設(shè)計,通過窗戶的合理設(shè)計控制窗墻比,減少能量損失。首先,要選擇合適的材料,不同材質(zhì)的窗戶有著不同的氣密性,性能較好的材料能夠減少熱量的流失,避免外部環(huán)境的冷空氣或熱空氣大量進入到室內(nèi)環(huán)境中。窗戶主要包括窗框和玻璃,窗框一般會使用兩種材料,鋼材和鋁合金的導熱系數(shù)分別為58.2和174.4,鋼材阻熱性較差、耐火性和剛性較強,鋁合金的耐腐蝕性和導熱性都比較強。選擇玻璃時,低輻射中空玻璃,冬季最佳舒適溫度比普通平板玻璃低1℃左右,夏季高1~2℃,充分滿足上海地區(qū)氣候特殊性,該類型幕墻建筑圍護結(jié)構(gòu)在夏季峰值冷負荷降低14%,運行負荷可降低32%,進而降低建筑物中空調(diào)的能耗,具有必要性。在玻璃幕墻窗框結(jié)構(gòu)選擇上,可以采用新型結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)主要包括本實用新型涉及一種單元玻璃幕墻窗框結(jié)構(gòu),包括:玻璃,玻璃的四端開設(shè)有卡槽;套設(shè)于玻璃端部的固定框,固定框上開設(shè)有玻璃端部插入的容納槽;鉸接于固定框上用于限制玻璃掉出的限位板;插入卡槽后借款將玻璃固定在框上。該結(jié)構(gòu)下玻璃的安裝更加簡單,且密封性滿意。

窗墻比的設(shè)計要考慮窗戶洞口的面積,窗戶和墻體都屬于建筑的外圍護結(jié)構(gòu),外圍護結(jié)構(gòu)會直接影響建筑的能耗和光照,窗戶的玻璃是透明的,所以外窗的傳熱系數(shù)也比較高,要想減少能耗,需要對傳熱系數(shù)進行控制,減小窗墻比有利于降低傳熱系數(shù),同時也會增加施工的成本,應(yīng)保證窗戶能夠滿足采光通風的要求,適當降低窗墻比,避免熱能大量流失。設(shè)計窗戶的時候還要考慮太陽光照角度和日照率,根據(jù)建筑所在地區(qū)分析陽光照射強度,注意不同樓層和不同朝向立面的窗墻比。對南向的窗戶進行設(shè)計時,應(yīng)適當增加窗戶的面積,更好地利用太陽光,其他朝向應(yīng)盡量減小窗戶的面積,降低其他朝向室內(nèi)空間的能耗。

對公共建筑外立面的窗戶進行節(jié)能設(shè)計時,一定要注意外窗的氣密性。氣密性設(shè)計是外窗節(jié)能設(shè)計的重點,若窗戶的氣密性較差,會使外部的冷空氣和熱量進入到建筑內(nèi)部,增加建筑的制熱能耗和制冷能耗。窗型的設(shè)計會對外窗氣密性產(chǎn)生影響,在滿足換氣需求的基礎(chǔ)上,應(yīng)計量減少開啟扇的數(shù)量,盡量不要采用平開窗,這種窗型密閉性較差。在外窗的設(shè)計中,還要注意型材規(guī)格和安裝方式,控制好窗框和窗扇的搭接量。在窗框結(jié)構(gòu)選擇上,可以采用一種新型結(jié)構(gòu),應(yīng)用多鎖點五金系統(tǒng),該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能夠滿足大尺寸開啟扇的要求,鎖點和鎖座之間緊密相扣,能夠形成較好的壓緊力,具有極強的密封性,能有效防止能量流失。該窗框結(jié)構(gòu)本體的內(nèi)端邊緣位置設(shè)置玻璃托條,玻璃托條與窗框本體內(nèi)端面垂直連接;窗框本體內(nèi)端面上設(shè)置了密封膠托條,該托條與玻璃托條平行。該結(jié)構(gòu)的主要特征,就是將玻璃的承重主要依靠窗扇型材,進而避免二次連接后可能造成的結(jié)構(gòu)膠受重力荷載作用的影響,不僅密封性更好,且安全性也有顯著增加。同時選擇密封性能較好的密封條,使用優(yōu)質(zhì)的密封橡膠條。密封條有多種材質(zhì),存在不同的形狀,選擇密封條時應(yīng)考慮型材截面的情況,硅橡膠具有良好的密封性,三元乙丙橡膠也是常用的密封材料,為增強窗戶的密封性和保溫性,可以設(shè)置多道密封[3]。

夏季的光照強度較高,若窗戶面積較大,室內(nèi)的溫度會快速升高,為了降低制冷能耗,可以對窗戶進行遮陽處理。將遮光裝置安裝在窗戶上方,遮光裝置有兩種類型,一種是外遮光,另一種是內(nèi)遮光。比較常用的有遮陽板,還可以增加挑陽臺,外遮光裝置的效果較好,但是內(nèi)遮光裝置更便于人們控制。設(shè)計時應(yīng)考慮不同裝置的遮陽效果,考慮夏季和冬季的太陽高度角,考慮室內(nèi)空間的取暖需求。雖然遮陽裝置能夠減少夏季建筑的能耗,但是,北方地區(qū)冬季較為寒冷,有可能會增加冬季建筑的能耗,應(yīng)綜合考慮建筑工程所在地區(qū)的環(huán)境情況,避免遮陽裝置對正常的采光產(chǎn)生影響,如果建筑位于南方地區(qū),要重點考慮建筑的遮陽需求,如果遮陽裝置的設(shè)置比較合理,就能夠產(chǎn)生20%~30%的節(jié)能效益,有必要進行遮陽處理,以實現(xiàn)節(jié)能的目標[4]。

3 結(jié)論

窗戶和墻體都是建筑的重要構(gòu)件,窗戶面積和墻體面積的比例會是建筑節(jié)能設(shè)計的重點,必須要對窗墻比和建筑能耗情況進行分析,依照公共建筑節(jié)能設(shè)計標準和建筑的實際情況進行窗墻比的設(shè)計,讓窗墻比更加合理,滿足經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保的要求。

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