《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中窗墙面积比的确定

夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准 中窗墙面积比的确定中窗墙面积比的确定 论文名称 夏热冬冷地区居住 建筑节能设计标准 中窗墙面积 比的确定 作者 冯雅 杨红 摘要 本文根据夏热冬冷地区不同朝向太阳辐射的变化规律 分析了建筑开窗受太阳辐射 的热过程影响 并通过计算分析和对照节能建筑的试点工程的实测分析 提出了夏热冬冷 地区节能建筑的窗墙面积比的设计依据 关键字 窗墙面积比 太阳辐射 我国夏热冬冷地区气候夏季炎热 冬季湿冷 夏季室外空气温度大于 35 的天数约 1 0 40 一 最高温度达到 40 以上 冬季气候寒冷 日平均温度小于 5 的天数约 20 80 天 相对湿度大 而且日照率远远低于北方 北方冬季日照率大多超过 60 而夏热冬冷 地区由东到西 冬季日照率逐渐减少 东部最高 也不超过 50 只有 40 左右 中部 30 左右 西部 20 左右 重庆只有 13 加之空气湿度高达 80 以上 冬季阴雨绵绵 而造 成了该地区冬季的基本气候特点是阴冷潮湿 1 1 窗墙面积比的确定基本原则窗墙面积比的确定基本原则 关于窗墙面积比的确定基本原则是依据这一地区不同朝向墙面冬 夏日照情况 日照 时间长短 太阳总辐射强度 阳光入射角大小 冬 夏季季风影响 室外空气温度 室 内采光设计标准以及窗开窗面积与建筑能耗所占比率等因素综合来考虑确定的 一般普通 窗户 包括阳台门的透明部分 的保温隔热性能比外墙差的多 尤其是夏季白天通过窗户 进入室内的太阳辐射热也比外墙多的多 窗墙面积比越大 则采暖和空调的能耗也越大 因此 从节约建筑能耗的角度出发 必须限制窗墙面积比 在一般情况下 应以满足室内 采光要求作为窗墙面积比的确定原则 来规定窗墙面积比的数值是它能基本满足较大进深 房间的采光要求 2 2 太阳辐射的主要影响因素太阳辐射的主要影响因素 由于夏热冬冷地区范围大 东 西部气候条件也各不相同 从建筑能耗角度来看 室 外气象参数对窗墙面积的要求也应根据气象参数在不同地区 不同时间的变化规律进行确 定 从这一地区建筑能耗分析中 窗对建筑能耗的损失主要二个原因 一是窗的热工性能 太差所造成夏季空调 冬季采暖室内外温差的热量损失的增加 另外就是窗因受太阳辐射 影响而造成的建筑室内空调采暖能耗的增减 从冬季来看通过窗口进入室内的太阳辐射有 利于建筑的节能 因此 减少窗的温差传热是建筑节能中窗口热损失的主要因素 而夏季 由于这一地区窗对建筑能耗损失中 太阳辐射是其主要因素 夏季不同朝向墙面太阳辐射 温度日变化比冬季要复杂 不同朝向墙面日辐射和峰值出现的时间是不同的 因此 在确 定不同朝向的窗墙面积比时也应有差别 如表 1 表 2 所示为这一地区几个城市最近 10 年 1989 1998 年 气象参数累计 10 年的统计值 夏季各朝向墙面与水平面上的太阳总辐射照度 W m2 表 1 地方太阳时地 区 6789101112131415161718 N31771081311481581631601511351138442 W E 276898120137147162363562710778721441 SW SE 3775103124139159309405545579613579320 S131196157168261323347331276189145192160 南 京 H751905127118669691008982892745554335115 N49 9 106 4 134 6 152 4 176 1 190 5 195 3 190 5 176 1 152 4 134 6 106 4 49 9 W E 25 1 73 7 117 7 151 9 176 1 190 5 222 5 298 6 372 6 398 8 361 6 254 3 102 4 SW SE 25 1 73 7 117 7 151 9 176 1 192 5 259 2 324 5 354 9 34228117862 S25741221742332722862722331741227425 武 汉 H95292512698838927 956 8 92783869851229295 N28871131391571721761721571391138728 W E 14427093109119123303454551572496308 SW SE 1442709310912414561032631729415944 S14275113204251259251204113754213 成 都 H7227043361075084087684075060943324072 注 以上数据为 1989 1998 的累计 10 年统计值 部分城市室外气象参数近 10 年来统计值 表 2 室外计算平均 风速 m s 日照度 极端温度 城市 最冷月平均 温度 日平均温度 5 天数 天 最热月平均 温度 冬季夏季 冬季 夏季冬季夏季 南京 1 98328 42 62 64648 1440 武汉 4 14229 22 72 72646 9 838 9 成都 543 825 51 21 21921 1 036 2 注 南京为建筑气候区划标准中数据 根据表 1 中的数据 取某一天中所测的太阳辐射量为例进行分析 水平表面和垂直表 面单位面积上所得太阳直接辐射量分别表示为 1 2 式中 qH 为水平表面上单位面积所得太阳直接辐射量 为垂直表面上单位面积所得太阳直接辐射量 An 为垂直表面方位角 As 为太阳方位角 t 为时间 式中积分从日出到日没 我们采用 Gauss 二次型数值积分可计算出 1 和式 2 建筑不同朝向表面单位面积 上的太阳辐射 垂直表面以南向方位作为比较基准 那么可以得到不同的相对日辐射量的 无因次量 其变化规律如图 1 图 2 所示 可以看到 南向垂直表面冬季日辐射量最大 夏季反而偏小 东 西向垂直表面最大 这与实际情况相符合 表 3 是东 南 西 北垂 直表面以及水平表面冬季和夏季单位面积上的相对日辐射量比较 图 1 冬至日垂直表面各朝向单位面积上的相对日辐射量 图 2 夏至日垂直表面各朝向单位面积上的相对日辐射量 以上分析可看出 南向垂直表面冬季太阳辐射量最大 而夏季反而变小 东西向垂直 表面最大 这与在夏热冬冷地区纬度较低的实际情况相符合 也就是为什么这一地区尤其 注重夏季防止东西向日晒 冬季尽可能争取南向日照由 图 3 不同负荷变化曲线 在北方地区 民用建筑节能设计标准 采暖建筑部分 规定北向窗墙比大于 0 25 南向不大于 0 35 但在夏热冬冷地区人们无论是过渡季节还是冬 夏两季普遍有开窗 加强房间通风的习惯 一是自然通风改善了室内空气质量 二是自然通风冬季中午日照可 以通过窗口直接获得太阳辐射 夏季在两个连晴高温期间的阴雨降温过程或降雨后连晴高 温开始升温过程 夜间气候凉爽宜人 房间通风能带走室内余热蓄冷 因此 南向窗墙面 积比一般控制 0 35 以内 对于北向窗墙面积比 由于西部地区比东部地区上海 南京和 中部地区的武汉等地室外风速小 自然通风时 南北向窗墙比面积相差过大 夏季不宜穿 堂风的形成 另外窗口面积过小 容易造成室内采光不足 象西南这一地区冬季平均日照 率 25 全年阴雨天很多 在纬度低的这一地区增大南窗的冬季太阳辐射所提供的热量 对室内采暖的作用有限 而且经过 DOE 2 程序计算和工程实例 冬季北向季风对北向窗口 热损失不明显大于南窗 窗口面积太小 所增加的室内照明用电能耗 将超过节约的冷暖 能耗 这一地区在进行围护结节能设计时 不宜过分依靠减少窗墙比 应重点是提高窗的 热工性能 因此在制定标准中规定条件文为 4 0 5 窗户 包括阳台门的透明部分 的面积不应过大 不同朝向的窗墙面积比不应 超过表 4 0 5 规定的数值 若窗墙面积比超过表 4 0 5 的规定值 则必须减小窗户和围护 结构的传热系数 采用有效的遮阳措施 并通过计算建筑物的耗热量 耗冷量指标和建筑 物的采暖空调年耗量 使之不超过表 4 0 5 所列的限值 不同朝向窗墙面 积比的外窗传热系数 表 4 0 5 窗的传热系数 K W cm2 朝向 窗外环境 条件 窗墙面 积比 0 25 窗墙面 积比 0 25 且 0 25 窗墙面 积比 0 25 且 0 35 窗墙面 积比 0 35 且 0 45 窗墙面 积比 0 45 且 0 5 冬季最冷 月室外平 均气温 5 4 74 73 22 5 北 偏东 60 到偏西 60 范围 冬季最冷 月室外平 均气温 5 4 73 23 23 2 无遮阳措 施 4 73 2 东 西 东或 西偏北 30 到偏南 6 范 围 有外遮阳 太阳辐射 透过率 20 4 73 23 22 52 5 南 偏东 30 到偏西 30 范围 4 74 73 22 52 5 注 1 厨房 卫生间窗墙比不受此表限制 2 东 西向窗墙面积比大于 0 25 时 必须按有外遮阳方式考虑 近年来居住建筑的窗墙面积比有越来越大的趋势 这是因为商品住宅的购买者大部分 希望自己的住宅更加通透明亮 考虑到临街建筑立面美观的需要 窗墙面积比超过 4 0 5 条的规定值是允许的 但当窗墙面积比超过规定值时 应首先考虑减小窗户 含阳台透明 部分 的传热系数 如采用单框双玻璃或中空玻璃窗 并加强夏季活动遮阳 其次可考虑 减小外墙的传热系 数 大量的调查和测试表明 太阳辐射通过窗进入室内的热量是造成夏季室内过热的主要 原因 日本 美国 欧洲以及香港等国家和地区都把提高窗的热工性能和阳光控制作为夏 季防热 住宅节能的重点 而且建筑普遍在窗外安装有遮阳措施 而这一地区现有的窗户 普遍为合金窗 传热系数大 空气渗透严重 而且大多数建筑无遮阳措施 因此 应对窗 的热工性能和窗墙面积比作出明确的规定 以冬冷夏热地区六层砖混结构试验建筑为例 南向 4 层一房间大小为 5 1m 进深 3 3m 宽 2 8m 高 窗为 1 5m 1 8m 单框铝合金窗在夏季连续空调时 计算不 同负荷逐时变化曲线 可以看出通过墙体的传热量占总负荷的 30 通过窗的传热量最大 而且通过窗的传热中 主要是太阳辐射对负荷的影响 温差传热部分并不大 如图 3 图 4 所示 因此 应该把窗的遮阳作为夏季节能措施一个重点来考虑 条文中对西 东 向窗墙面积比限制较严 是因为夏季太阳辐射在西 东 和最大 如图 5 所示 为夏热冬 冷地区几个主要城市夏季不同朝向墙面日辐射强度的日变化规律 可以看出不同朝向墙面 日辐射强度的日变化规律 可以看出不同朝向墙面日辐射强度的峰值 以西 东 向墙面 为最高 西南 东南 向墙面次之 西北 东北 向又次之 南向墙更为次之 北向墙为 最小 因此 对西 东 向窗墙面积比严格控制是合理的 而对南向窗墙面积比定为 0 3 5 也符合这一地区起居室窗口面积大这一人们的生活习惯 当然对超过 标准 表 4 0 4 规定后 对窗的传热系数和窗户的遮阳太阳辐射透过率作严格的限制 一是真正做到住宅 的节能 二又给建筑师设计 开发商 这一地区人们的生活方式提供了更大的空间 图 4 窗的能耗指标变化曲线 图 5 夏季不同朝向墙面日辐射变化曲线 参考文献参考文献 1 中华人民共和国行业标准 JGJ 26 95 民用建筑节能设计标准 北京 1996 2 中华人民共和国行业标准 JGJ 134 2001 J 116 2001 夏热冬