文/江西省建筑设计研究总院集团有限公司 江 洋

0 引言

建筑节能与设计参数息息相关，建筑节能标准根据建筑体形系数、建筑朝向与窗墙比数值制定不同的围护结构传热限值。建筑体形系数越大，窗墙比越高，越不利于建筑节能。以改变长宽比或高度来改变体形系数会对供暖负荷产生影响，但对供冷负荷的影响无明显相关性，影响更大的因素是固定形状、固定高度的建筑表面凹凸变化，其凹凸变化越多，表面积越大，通过外墙传热损耗的能量越多。建筑朝向对建筑供暖空调负荷产生影响，当朝向为正南时，采暖空调负荷总量最低；相较于正南朝向，南偏东朝向的负荷偏高3%～5%，南偏西朝向的负荷偏高11%～12%。

综合相关研究成果发现，基于建筑节能设计对供暖空调负荷的单因素影响研究较多，但实际工程应用受多因素共同作用，并与现行节能标准中的参照建筑进行模拟比较，设计建筑供暖负荷的降低比例均以参照建筑为标准。因此，体形系数、建筑朝向及窗墙比变化在改变建筑供暖空调负荷的同时，也对参照建筑产生影响。本文通过分析归纳及构建模型，以江西南昌地区为热工背景，对体形系数进行固定选取，建筑取正南北朝向，对6组不同窗墙比的标准模型进行模拟分析，综合考虑屋面、外墙、外窗的热工性能提高对供暖空调负荷降低比例的影响。

1 研究方法及模型建立

通过案例比选南昌地区典型公建形体，体形系数取固定值，建筑表面均按无凹凸变化处理，长宽比取2：1，高度取4.5m，计算模型朝向选最优即正南北朝向进行计算，6栋建筑窗墙比介于0.2～0.7，因外窗形状、位置及窗间距变化对建筑节能的影响较小，故本次模型仅对改变外窗尺寸进行分析，具体模型尺寸如表1所示。

表1 计算模型选取

节能模型供暖空调负荷采用建筑节能计算软件DeST内核进行模拟计算，对不同窗墙比建筑的屋面、外墙、外窗参数进行提升，比较其设计建筑与参照建筑的供暖空调负荷，依照JGJ/T 449—2018《民用建筑绿色性能计算标准》计算每种模型对应的围护结构节能率并进行对比分析。

2 屋面和外墙传热系数变化对建筑供暖空调负荷的影响

2.1 计算初始条件及结果

以南昌地区常用构造为标准，其中外墙主体材料选用加气混凝土砌块，保温层选取发泡水泥保温板，屋面保温层选取挤塑聚苯板，外窗选取普通铝合金型材，外表面太阳辐射吸收系数屋面部分按水泥粉刷屋面计算，即0.74，外墙部分按浅色面砖计算，即0.50计算。其中屋面保温层挤塑聚苯板由50mm厚逐步增加至80mm厚，外墙保温层发泡水泥保温板由20mm厚逐步增加至50mm厚。

如图1～4所示，分析屋面保温材料厚度变化对供暖空调负荷的影响时，保持外墙保温材料20mm厚不变；分析外墙保温材料厚度变化对供暖空调负荷的影响时，保持屋面保温材料50mm厚不变。

1 供暖空调负荷随屋面保温厚度变化值

2 围护结构节能率随屋面保温厚度变化值

3 供暖空调负荷随外墙保温厚度变化值

4 围护结构节能率随外墙保温厚度变化值

2.2 结果分析

基于南昌地区气候条件，通过不同窗墙比下屋面与外墙保温厚度变化对各节能参数的影响数据进行统计分析，得出如下结论。

1）基于同一屋面或外墙保温设计厚度，随着建筑窗墙比增大，供暖空调负荷明显增加，窗墙比达0.4时，增长率较大。

2）在同一窗墙比情况下，随着屋面或外墙保温厚度逐渐增大，建筑供暖空调负荷呈降低趋势，围护结构节能率逐步提高，但总负荷降低的变化率与节能率提高的变化率总体趋于缓和。

3）对比不同窗墙比下供暖空调负荷及节能率的变化，随着屋面或外墙保温厚度的增加，供暖空调负荷的降低比率相似，无明显差距；围护结构节能率数值变化表明，窗墙比为0.2时，屋面或外墙保温厚度增加对节能率的变化影响明显大于窗墙比为0.3～0.7的建筑，窗墙比越小，屋面和外墙对围护结构的面积占比越大；提升屋面和外墙的热工性能更有利于提高围护结构节能率。

3 外窗传热系数变化和遮阳设计对建筑供暖空调负荷的影响

3.1 计算初始条件及结果

计算初始条件同上，保持屋面保温材料厚50mm，外墙保温材料厚20mm不变。分析外窗传热系数（K值）变化对负荷的影响时，选取K值为3.2，2.9，2.6，2.4，2.2W/(m2·K)的不同型号整窗，控制外窗遮阳系数SC值为0.48；分析外窗遮阳设计对供暖空调负荷的影响时，选取遮阳系数SC值为0.9，0.8，0.7，0.6，0.5，0.4，0.3的不同型号整窗，控制K值为3.2W/(m2·K)不变；对模型A～F分别进行模拟计算，计算结果如图5～8所示。

5 供暖空调负荷随外窗传热系数变化值

6 围护结构节能率随外窗传热系数变化值

7 供暖空调负荷随外窗遮阳系数变化值

8 围护结构节能率随外窗遮阳系数变化值

3.2 结果分析

基于南昌地区气候条件，通过不同窗墙比模型外窗传热系数和遮阳系数变化对各节能参数的影响数据进行统计分析，得出如下结论。

1）仅考虑外窗传热系数的单一影响，当窗墙比不变、维持固定遮阳系数并改变整窗传热系数时，随着外窗K值逐步降低，供暖空调负荷值呈明显降低趋势，窗墙比越大，其降幅越大。

2）仅考虑外窗遮阳系数的单一影响，同一窗墙比情况下，随着遮阳系数降低，供暖空调负荷值整体呈先降后升趋势，且负荷最低点位置随窗墙比的增加逐渐向遮阳系数低处偏移。如窗墙比为0.2的建筑，遮阳系数设计为0.6数值时可达最优节能效果；窗墙比为0.3的建筑，遮阳系数最优值则为0.5。

3）对比不同窗墙比建筑围护结构节能率发现，随着外窗传热系数降低，围护结构节能率逐渐增大，有利于节能设计，其整体增长率呈缓和趋势，且当窗墙比为0.2时，变化曲线基本与窗墙比0.3的曲线重合，窗墙比继续增加，围护结构节能率则明显降低；随着外窗遮阳系数降低，围护结构节能率先增后降，节能率最高点随窗墙比的增加逐渐向遮阳系数低处偏移。因此，就外窗而言，无论从传热设计还是从遮阳设计角度出发，0.3～0.4的窗墙比最有利于节能，且选取系数最优值符合市场选取常规材料的参数。

4 结语

综合屋面、外墙及外窗传热系数变化带来的影响结果分析可知，不考虑参照建筑能耗，仅从设计建筑本身的能耗控制而言，当设计建筑窗墙比小于0.4时，针对屋面和外墙的传热控制更有利于节能，此时通过改变外窗传热并不能很好地控制能耗效果；当设计建筑窗墙比大于0.4时，通过改变屋面及外墙传热，供暖空调负荷的变化率下降明显，而改变外窗传热可明显发现供暖空调负荷的变化，随着窗墙比增加，外窗传热变化对供暖空调负荷的影响增大。与此同时，不同窗墙比建筑的屋面、外墙和外窗传热系数的改变对供暖空调负荷的影响并非呈线性关系，单一围护结构的传热系数越大，即节能设计更宜针对传热薄弱环节进行提升；不同窗墙比建筑外窗遮阳系数的改变对设计总负荷的影响呈先降后升趋势，负荷最低点随窗墙比的增加逐渐向遮阳系数低点偏移，即外窗遮阳设计应根据窗墙比的实际数值合理选取相应材质的玻璃及外遮阳类型。市场上常用的玻璃SC值约为0.50，其对应窗墙比为0.30，故公共建筑设计中窗墙比控制在0.30左右最有利于节能，节能提升所需成本最低。在建筑节能设计中，不同类型、功能与形态的公共建筑窗墙比各不相同，因此在参数选取过程中，应根据不同窗墙比的建筑类型，有效调整围护结构热工性能参数，以达到最优节能效果。