299夏热冬冷地区外窗遮阳系数对建筑能耗的影响

夏热冬冷地区外窗遮阳系数对建筑能耗的影响南京工业大学暖通工程研究所程建杰扬帆摘要为了分析不同方向外窗遮阳系数对建筑能耗的影响，使用清华大学的建筑能耗模拟软件DeST-h，以南京为例建立一住宅建筑模型，分析不同方向外窗遮阳系数对建筑能耗的影响，研究不同朝向的外窗遮阳系数变化对建筑能耗的影响时，动态模拟得到相应外窗遮阳系数与能耗关系的数据。结论：整栋建筑各向外窗平均外窗综合遮阳系数每减小0.1，全年耗电量减小2.7%；节能潜力较大。关键词夏热冬冷遮阳节能我国夏热冬冷地区包括16个省、市、自治区，约有5.5亿人口，是中国人口最密集，经济发展速度较快的地区[1]。夏季湿热、冬季阴冷潮湿是该地区的基本气候特征之一。为了保证该地区建筑物的室内热环境质量，国家颁布了《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，提出在保持同样室内热环境条件时，采暖空调的能耗要比以前未采取保温隔热措施的传统居住建筑节能50%。建筑遮阳是通过避免阳光直射室内或是建筑物的外围护结构，从而防止室内过热和眩光的产生，以及保护物品而采取的一种必要的隔热、防热措施。建筑内遮阳和外遮阳在隔热性能上有着很大的差异。内遮阳由于构件位于室内，约50%热辐射可以直接透过玻璃进入室内，并以长波辐射和对流的形式向室内散热，这些热量难以再次透过玻璃返回室外，由此形成温室效应。与之相比，外遮阳将主要的太阳辐射挡在室外，到达玻璃的热辐射(特别是直接辐射)量很少，一般仅有约15%的热量进入室内，对室内温度的影响也较小[2-3]。从阻挡辐射热进入室内和建筑节能的角度来讲，外遮阳的性能要远远优于内遮阳。为了分析不同方向外窗遮阳系数对建筑能耗的影响，本文使用清华大学的建筑能耗模拟软件DeST-h，以南京为例建立一住宅建筑模型，研究某一方向外窗遮阳系数变化对建筑能耗的影响，动态模拟得到相应外窗遮阳系数与能耗关系的数据。1建筑模型1.1物理模型建筑为6层条式居住建筑，计算高度18m，体形系数为0.295，东向、西向、南向及北向窗墙比为0.09、0.08、0.34、0.23。表1建筑模型有关热工参数部位平均传热阻（㎡·K/W）热惰性指标备注外墙体1.093.15考虑热桥后平均值屋面1.463.42-外窗1/3.4-综合遮阳系数为0.7阳台门窗（开敞）1/3.4-综合遮阳系数为0.5阳台门窗（封闭）1/1.8-综合遮阳系数为0.5分户墙砖墙0.663.40-砼墙0.372.48-分户门1/1.5--普通楼面0.321.49-1.2动态计算条件考虑到南京地区建筑遮阳系数的实际情况，本文研究各个方向外窗遮阳系数的变化范围如下，东、南向：0.5～0.8，由于南京地区存在“西晒”的现象，所以西向外窗遮阳系数变化范围取为0.3～0.8。因为本地区北向基本没有太阳直射辐射，故本文研究时将不研究北向遮阳系数对建筑能耗的影响。空调房间室内计算温度：冬季全天为18℃；夏季全天为26℃，采暖和空调时，换气次数为1.5次/h，根据《建筑外窗空气渗透性能分级及其检测方法》(GB/T7107)计算，将换气次数分成两部分，渗透取1次/h，通风为0.5次/h。室外计算参数采用典型气象年。2建筑能耗模拟软件DeST-h[4]该软件为清华大学自主研发的建筑能耗模拟软件，其应用领域主要包括建筑及空调系统辅助设计、建筑节能评估、科研领域研究方面。本文主要应用其中围护结构优化设计。DeST可以根据设计者提出的不同方案，对建筑进行全年逐时的温度模拟和采暖空调能耗计算，并进行初步的经济性分析，对不同的围护结构设计方案进行比较，从而帮助设计人员做出最优的选择。DeST可对建筑物朝向、窗墙比、建筑平面布局等进行模拟分析；支持各种围护构件的计算，可对围护结构的选材、组合以及保温、隔热等围护措施进行模拟分析。3计算结果（1）南向外窗遮阳系数与能、电耗的关系从图1中可看出，南向外窗遮阳系数从0.5增大到0.8，全年采暖能耗减少20%，而全年空调能耗增加10%，但全年耗电量增加4.4%。这主要是由于全年能耗比例构成中空调能耗所占的比重约是采暖能耗的4倍，因此，南向外窗降低外窗遮阳系数对减少夏季空调能耗比增加采暖能耗的贡献要大。并且南向外窗遮阳系数在0.5和0.7之间变化对采暖空调能耗的影响稍大于0.7和0.8之间，从图2和图3可以看出，在0.5～0.7之间曲线的斜率要比0.7～0.8之间大。图1南向外窗遮阳系数对能、电耗比的影响图2南向外窗遮阳系数对耗热量指标的影响图3南向外窗遮阳系数对耗冷量指标的影响（2）东向外窗遮阳系数与能、电耗的关系从图4中可看出，东向外窗遮阳系数从0.5增大到0.8，全年空调能耗增大3.3%，全年采暖能耗减少2.2%，全年耗电量增大2.3%。与南向相比，东向外窗遮阳系数变化对采暖空调能耗的影响要小很多，并且全年耗电量的变化也只有南向的一半左右。这主要是因为东向空调房间数比南向空调房间数少很多，所以，其对全年耗电量的影响小于南向也就不足为怪了。东向外窗遮阳系数对采暖空调能耗的影响在0.5～0.7之间要稍大于0.7～0.8之间。图5及图6分别表示东向外窗遮阳系数对耗热量指标和耗冷量指标的影响。图4东向外窗遮阳系数对能、电耗的影响图5东向外窗遮阳系数对耗热量指标的影响图6东向外窗遮阳系数对耗冷量的影响（3）西向外窗遮阳系数与能、电耗的关系从图7中可看出，西向外窗遮阳系数从0.3增大到0.8，全年空调能耗增大3.6%，全年采暖能耗减少3.5%，全年耗电量增大2.2%。与东向的全年耗电量增加率基本相等，但西向外窗遮阳系数一般不会小于0.3，否则，采光效果就相对较差。遮阳系数从0.5增大到0.8，全年空调能耗增大2.4%，全年采暖能耗减少2.5%，全年耗电量增大1.4%。可以明显看出，降低西向外窗遮阳系数对降低全年耗电量不明显，效果差于东向及南向。这与我们通常认为的“西晒”这一观念不一样，其原因与文献5中提到的西向窗墙比变化对建筑能耗的影响要小于东向一致。但文字说明方面稍有差异，因此，将原因阐述如下：“西晒”一般是指夏季西向窗户或外墙受阳光直射辐射并引起室内温度升高，透过窗户的辐射直接增加空调能耗，而通过墙体衰减的温度波要延迟到晚上20：00左右才引起空调能耗的增加，此时室内外温度均有所下降。但是，东向房间所受的太阳辐射产生的温度波大约在中午12：00左右才传入室内，此时室内温度比晚上温度高，并且东向太阳辐射高于西向，因此，东向房间的耗电量要大于西向房间，也就是说，太阳辐射对西向房间的影响不如东向房间。为了和东、南向外窗比较，图8和图9给出了西向外窗遮阳系数从0.5变化到0.8对建筑耗热量指标及耗冷量指标的影响，其变化规律和东、南向基本一致。图7西向外窗遮阳系数对能、电耗的影响图8西向外窗遮阳系数对耗热量指标的影响图9西向外窗遮阳系数对耗冷量指标的影响4结论（1）南向外窗综合遮阳系数每减少0.1，全年采暖能耗增大7%，全年空调能耗减小3%，全年耗电量减小1.47%，而外墙传热系数每降低0.1W/(m2·K)产生的节能率仅为0.8%[5]，说明采取节能措施时应该优先考虑南向外窗。（2）东向外窗综合遮阳系数每减少0.1，全年采暖能耗增大0.7%，全年空调能耗减小1%，全年耗电量减小0.77%。（3）西向外窗综合遮阳系数每减少0.1，全年采暖能耗增大0.8%，全年空调能耗减小0.8%，全年耗电量减小0.47%。（4）整栋建筑各向外窗平均外窗综合遮阳系数每减小0.1，全年耗电量减小2.7%；节能潜力较大。参考文献[1]建设部标准定额研究所.《居住建筑节能设计标准》(夏热冬冷地区)宣贯教材[M]，北京，中国计划出版社，2001.[2]樊藏，齐明，闫鑫，胡励.建筑外窗能量损失途径及对策[J].浙江建筑，2007，24（3）：53-54[3]闫成文，姚健，周燕，等.夏热冬冷地区窗墙比对建筑能耗的影响[J].门窗，2007(5)：1-3.[4]张晓亮，朱光俊，江亿.建筑环境设计模拟分析软件DeST第13讲—住宅模拟优化实例[J].暖通空调，2005，35(8)：67-70.[5]闫成文，姚健，周燕，等.夏热冬冷地区外墙构造对住宅能耗的影响[J].新型建筑材料，2006，12：55-57