6窗墙比

窗墙比对北京住宅建筑冬季采暖负荷的影响一、意义：窗在建筑设计中是一个独特的构件。在我国北方冬季窗户同时承担着隔绝与室外气温的热传导与获得太阳辐射得热这两个相互矛盾的任务，本课题主要的任务是通过模拟计算，分析不同窗墙比对北京地区住宅建筑采暖负荷的影响。二、定义窗墙比：建筑某一朝向外围护面积中窗户的面积与该朝向总围护面积（墙体+外窗）之比。本文中用x表示。冬季采暖最大热负荷：是指在室外温度下，为达到要求的室内温度，供热系统需要在单位时间内向建筑物供给的最大热量。（初投资）采暖季累计耗热量：在整个采暖季（本年11月15日至次年3月15日），为达到要求的室内温度，供热系统向建筑物供给的累计热量。（运行费用）三、物理模型：考虑到本课题的要求，拟采用如下物理模型：建设地点：北京市建筑层数：7层建筑层高：3米住户：4*7户房间类型：卧室外墙：混凝土墙加外保温EPS体系它的传热系数K2=1.034W/m2*K外窗：中空低辐射铝合金双层玻璃窗它的传热系数K1=3W/m2*KSc=0.67建筑物示意图如下：通风设定：采用“通风范围定义”，最小和最大的通风次数分别为1~5次。内扰设定：人员热扰：最多人数：3人（总量指标）最少人数：0人（总量指标）人均发热量：53W作息：周一至周五1：00-8：00100%9：00-19：000%20：00-22：0050%23：00-24：00100%周六和周日1：00-8：00100%9：00-22：0030%23：00-24：00100%灯光热扰：最大功率：2.35W（平米指标）最小功率：0W（平米指标）作息：1：00-18：000%19：00-24：00100%设备热扰：最大功率：4.3W（平米指标）最小功率：0W（平米指标）作息：1：00-24：00100%分析对象：整个建筑物四、计算结果分析：应用建筑模拟软件DeST-h对上述模型进行冬季采暖负荷模拟计算。1、改变建筑南、北向围护结构的窗墙比：x=0.25x=0.35x=0.45x=0.55x=0.65，模拟结果见下表：南向不同窗墙比负荷变化表窗墙比全年最大热负荷指标全年累计热负荷指标采暖季热负荷指标W/m2kW·h/m2W/m20.2554.7181.1425.770.3556.6075.4924.300.4558.4870.4522.920.5560.3265.9421.640.6562.1061.9120.46北向不同窗墙比负荷变化表窗墙比全年最大热负荷指标全年累计热负荷指标采暖季热负荷指标W/m2kW·h/m2W/m20.2553.7378.8625.090.3555.9581.6425.980.4558.1684.4226.860.5560.3687.1927.730.6562.5589.9528.60(1)冬季采暖最大热负荷采暖最大负荷随窗墙比变化图4850525456586062640.250.350.450.550.65窗墙比采暖最大负荷(W/m2)南向北向典型日南向采暖负荷逐时变化图010203040506070048121620时间采暖逐时负荷(W/m2)0.250.350.450.550.65分析：从上图可以看出：随着窗墙比的增大，建筑采暖最大负荷也随之增长。这是由于建筑冬季采暖最大负荷一般都出现在清晨时（本例中出现在早晨6点），而那时太阳辐射未发挥作用，所以窗户变成完全的散热构件，而且保温性能低于墙体（K1K2），所以增大了窗墙比，采暖设计负荷都随之增长。另外增大了窗墙比，就相当于减少了围护结构总的蓄热能力，使得它对外界气温的变化比较敏感，对外扰的衰减和延迟能力减弱。(2)采暖季累计耗热量：采暖期累计负荷随窗墙比变化图0204060801000.250.350.450.550.65窗墙比累计负荷(kW.h/m2)南向北向分析：从上图可以看出，随着窗墙比的增大，建筑累计耗热量呈不同变化趋势。从稳态的角度看:Q1=Q2+Q3+C（为简化分析，其他因素定为恒定值）Q1----围护结构失热量Q2----采暖系统供热量Q3----太阳辐射进入室内的热量Q1=KF△tK----围护结构总的传热系数：K=x*K1+（1-x）*K2K1、K2分别表示窗、墙的传热系数。可见x的变化会影响围护结构总的传热系数。Q3=x*F*Sc*II-----太阳辐射强度Sc-----窗玻璃的遮阳系数即：Q2=（x*K1+（1-x）*K2）F△t-x*F*Sc*I-C=F{△t（K1-K2）-I*Sc}2dQdx①、当△t（K1-K2）-I*Sc0时，Q2（x）单调增加，此时窗户就整个采暖期而言是个耗热构件，本文中的北向的窗户就是例证。②、当△t（K1-K2）-I*Sc=0时，Q2不随x的变化而变化。③、当△t（K1-K2）-I*Sc0时，Q2(x)单调减小，此时窗户就整个采暖期而言是个得热构件，本文中南向的窗户就是例证。注：可见窗的遮阳系数也可能会使窗户在得热构件和耗热构件间转化。2、设想试想随着科技的高速进步，玻璃窗的保温性能会接近于墙体，这时窗墙比对建筑物冬季采暖热负荷的影响会如何变化？将上述物理模型的外窗改为内张膜中空玻璃窗，拟定它的传热系数为K1=1.0W/m2*K（接近于墙体），我们考虑上述最不利的北面墙，继续应用建筑模拟软件DeST-h对上述模型进行冬季采暖负荷模拟计算。采暖最大负荷随窗墙比变化图(K1=1W/m2*K)4849495050510.250.350.450.550.65窗墙比采暖最大负荷(W/m2)北向采暖累计负荷随窗墙比变化图656667686970710.250.350.450.550.65窗墙比采暖累计负荷(KW*h/m2)北向典型日逐时采暖负荷波动图202530354045500246810121416182022小时采暖逐时负荷(W/m2)0.250.350.450.550.65从上图看出：由于改变了窗户的传热系数（接近于墙体），采暖期累计负荷随着窗墙比增大而逐渐减小。所以从整体而言，北窗也变成得热构件，但是采暖最大负荷依然随着窗墙比的增大，而逐渐增大，这是因为在最大负荷出现时，虽然窗和墙的保温性能相当，太阳辐射也没有发挥作用（凌晨6点），但围护结构总的蓄热能力减弱，使得它对外界气候的变化比较敏感，对外扰的衰减和延迟能力减弱。五、结论在现行技术条件下，窗的传热系数大于墙的传热系数时，建筑最大负荷随窗墙比的增大而变大，但采暖季耗热总负荷则随着窗墙比的增大呈不同变化，这两个指标存在着矛盾。（1）、如仅从节能的角度考虑，我们更注重第二个指标，此时如将窗户设计为得热构件，则窗墙比越大，建筑越节能。但要使窗户成为得热构件是需要条件的，即△t（K1-K2）-I*Sc小于零，从目前的情况看，要把北窗设计为得热构件还是比较困难，所以目前对南向窗户，在选择合理的层数及采取有效的措施减少热耗的条件下，可适当增加窗户面积，充分利用太阳辐射热；而对北向窗户，应在满足居室光环境等其他要求的条件下，可适当减少开窗面积以降低能耗。（2）如从经济角度考虑，这两个指标则需要同时考虑，如两者都随着窗墙比的增大而增大，则窗墙比小一点比较经济、节能。如两者存在矛盾，则具体问题具体分析（初投资+运行费用和最小）。总之:窗(几何尺寸、K、Sc、朝向）所处地区、具体的内扰设定