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.doc

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1、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1040一，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2080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 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

2、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 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

3、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1

4、0年（19891998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地区地方太阳时6789101112131415161718南京N31771081311481581631601511351138442W(E)276898120137147162363562710778721441SW(SE)3775103124139159309405545579613579320S131196157168261323347331276189145192160H751905127118669691008982892745554335115武汉N49.9106.4134

5、.6152.4176.1190.5195.3190.5176.1152.4134.6106.449.9W(E)25.173.7117.7151.9176.1190.5222.5298.6372.6398.8361.6254.3102.4SW(SE)25.173.7117.7151.9176.1192.5259.2324.5354.934228117862S25741221742332722862722331741227425H95292512698838927956.892783869851229295成都N28871131391571721761721571391138728W(E)1442

6、7093109119123303454551572496308SW(SE)1442709310912414561032631729415944S14275113204251259251204113754213H7227043361075084087684075060943324072注：以上数据为19891998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 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（）室外计算平均风速（m/s）日照度（%）极端温度（）冬季夏季冬季夏季冬季夏季南京1.98328.42.62.64648-1440武汉4.14229.22.72.726

7、46-9.838.9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

8、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

9、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

10、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

11、热系数朝向窗外环境条件窗的传热系数K（W/cm2）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北（偏东60到偏西60范围）冬季最冷月室外平均气温54.74.73.22.5-冬季最冷月室外平均气温54.73.23.23.2-东、西（东或西偏北30到偏南6范围）无遮阳措施4.73.2-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

12、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

13、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1.5m1.8m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

14、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0.35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 北京远洋大厦暖通空调设计经验与教训工程概述远洋大厦座

15、落于北京西长安街南侧、复兴门立交桥东南、首都黄金地带。大厦建筑面积约11万m2，建筑高度67.3m。地上共17层：包括首层商务、服务、辅助性商用，216层为办公、17层为俱乐部；地下共3层：包括餐厅、厨房、会议、物业管理办公、各类机房、汽车库、自行车库、仓库及人防等功能。标准层高3.70m，办公室内净高2.65m，空调面积约7.9万m2。大厦四立面约75%的面积为透明白玻璃点式幕墙，是一幢整体性、高档次、多功能、智能化综合写字楼。设计始于1995年，2000年8月建成并投入使用。空调系统根据大厦高起点的定位，空调系统按照高标准、高效、经济节能的原则进行设计。室内设计参数如下：场所干球温度（）相

16、对湿度（%）最小新风量m3/h.p夏季冬季夏季冬季总裁办公室23242122554085贵宾室、个人办公室24252122554050办公室、休息室、会议室2526212260403035商场、展示厅25261820654020宴会厅、餐厅、多功能厅24252122654025咖啡厅、酒吧、舞厅23242223604030壁球、高尔夫、健身房23241920604030桑拿、浴室25262425707030门厅、大堂、走廊27281618计算机中心21232022654030电话机房、消防安全控制中心25262122554030目前大厦冷冻机装机冷量为13185kW（3750 RT），空调总冷

17、负荷为11866kW，冷负荷指标为108.6W/ m2。冷冻机房位于地下二、三层，采用4395kW/台（1250RT/台）离心式冷水机组三台，冷媒为R134a。冷冻水供回水温度7/12，冷却水进出水温度32/37。冷冻水系统为一次泵复式变流量系统。水泵三用一备，抽出式设置。分、集水器间设旁通管和压差调节阀以保证供回水管路压力平衡及过渡季出现冷冻回水温度过高时降低其温度，使冷水机组安全运行。为避免负荷偏载发生、平衡管网阻力，在水泵出口上设置动态平衡阀以保证水系统在出现流量变化等状况时能安全、平稳地工作。水系统由设在屋顶的膨胀水箱定压，冷冻水系统充水及补水均使用软化水。空调水系统主干管采用下供下回

18、双管异同程结合式系统，按空气、新风处理机组和风机盘管两个环路供水。空气、新风处理机组环路为四管制，为有利于冬季加热盘管防冻，提高传热效率，热水供回水温度为85/60，由热交换站提供。为解决管路水力失调和节能的问题，各末端机组均设静态平衡阀和电动调节阀。风机盘管环路为二管制，冬、夏季供水转换在冷冻机房进行，冬季供回水温度为60/50，各供水单元回水干管上均设静态平衡阀。四管制供水，使系统具备同时供应冷热水的可能性。尤其是在过渡季，当大厦南北两侧要求分别供冷、暖时，通过管路切换，可满足要求。根据房间的使用功能，设置了全空气空调系统和风机盘管加新风的空调系统。地下一层餐厅、多功能厅、厨房、地下二层变

19、配电间及首层大堂、顶层俱乐部采用全空气系统。根据各自的负荷特点，空调循环风量为3540m3/h.m2,新风比为3045%。综合考虑节能、降低投资、保证送风的清洁度和便于控制管理的要求，除厨房和变配电间之外，均采用一次回风系统。厨房和变配电间为直流式系统。一层大堂气流组织方式为双侧对喷多股平行射流方式，其余均为上送上回或侧送上回方式。为保证新风的清洁度，避免新、排风的交叉污染，各系统新风取风方式结合建筑特点采取由集中新风竖井从大厦上部引入和各层就地取风的两种方式，并使新风口远离各排风口。空气、新风处理机组均采用了初、中效过滤，以保证室内空气洁净度达到高标准。冬季加湿为液下浸透湿膜方式，餐厅、厨房

20、、变配电间冬季不设加湿。为避免由于冬、夏季冷热水温差过大造成盘管因热胀冷缩导致过度疲劳、缩短使用寿命，采用了冷热双盘管。各层办公室和人员流动性大，负荷变化频繁的首层商务、服务、展示厅、零售店、贵宾室及中小会议室等采用风机盘管加新风系统。针对销售和出租以及物业管理的需要，各层办公室大开间区域均按约100m2面积划分控制单元、设置供回水回路以便于检修和维护并避免干扰其它租户。为了减少室内风机盘管的负荷，减少凝结水量，有利于降低风机盘管的噪音，保证新风的清洁度，将新风处理到室内状态的机器露点温度并送至风机盘管出风口上。这一做法还避免了若将新风送至风机盘管回风口位置上，当风机盘管的风机停止时，新风从回

21、风口流入房间把沾附在回风过滤网上的灰尘吹入室内的缺点。为保证大厦24小时值守的机要部门、业务值班室及计算机中心等特殊部门的正常运行并不受集中空调系统运行的影响和干扰，节约能源，设置了局部空调系统。电话总机房、消防安全监控中心，楼宇自动化监控中心分别设置风冷柜式空调机组；计算机中心采用机房专用恒温恒湿机组；航运业务值班室及机要室采用VRV系统；弱电电缆引入小室和电梯机房采用分体空调。冬季热源及采暖系统设计采暖空调热负荷为12650kW，热指标为115.8W/m2。热源由城市热网供给，一次水供回水温度为95/70，经热交换后，高温二次水供回水温度为85/60，供采暖系统及空气、新风处理机组使用。各

22、类机房、自行车库等设58的值班采暖，人防掩蔽体采暖设计温度为18，厕所为16；低温二次水供回水温度为60/50，供风机盘管和汽车坡道化雪系统使用（化雪系统因故未上）。为保证一层室内良好的温度环境，抵挡大门的冷风侵入，在各大门入口处均设置了热空气幕。通风防排烟系统各类机房或库房的通风换气次数名称换气次数（次/h）名称换气次数（次/h）地下库房3变配电所20厕所10油库、油泵房10厨房40冷冻机房、8汽车库6水泵房3煤气表房10热交换站、锅炉房10柴油发电机房12电缆引入小室5为避免二次污染，结合大厦建筑结构的特点，地下各类用房分别采用窗井排、补风及屋顶高空排放两种通风排烟方式。地下各类机房、库房

23、和汽车库均通过不同窗井排风排烟和补风；垃圾间、厕所和厨房分别通过排风竖井将排风从屋顶排出。须设机械排烟的库房、汽车库及厨房等均设置采用双速风机的通风兼排烟两用系统及补风系统。部分系统根据需要同时设置了通风电动风阀和排烟防火阀。平时通风时，双速风机低速运转，开启电动风阀，关闭排烟防火阀；火灾时，双速风机高速运行，关闭电动风阀，按防烟分区开启各排烟防火阀及启动补风系统，以保证通风兼排烟的双重功能要求。中庭通风兼排烟风机位于屋顶设备层。平时根据中庭的空气温度开启部分风机，火灾时，所有风机全开，以保证顺利排烟。楼梯间及其前室，消防电梯间前室均分别设置机械加压送风系统。着火时，通过楼梯间常开风口及被开启

24、的前室着火层及其上下各一层的风口送风，使风压按楼梯间前室走道形成递减的压力梯度，以达到防烟的目的。须设机械排烟的空调房间及内走道均设置机械排烟系统或通风兼排烟系统。为保证排烟顺利，在无自然补风条件的空调房间，利用其空调系统进行补风：即按防烟分区分别设置排烟防火阀，着火时，开启机械排烟系统及该防烟分区的排烟防火阀，保持空调送风作为补风，达到空调系统按防烟分区及时补风，排烟系统顺利排烟的目的。空调系统控制作为大厦先进的BAS楼宇自控系统重要组成部分的空调系统控制，是保证空调系统达到高效节能的目的，实现现代化运行管理的重要手段。根据大厦的功能特点，为了便于管理和节省投资，空调系统控制采取了中央控制和

25、局部区域自控相结合的方式。冷冻机房设置双重控制即以机房就地控制为主，以中央控制室监控为辅的方式。自控包括开停机的自动动作程序，通过负荷流量计算来确定开机台数及调节运行负荷率、机组的轮时启动程序以及旁通环路的自动开启和关闭。空气、新风处理机采取以中央控制为主、就地控制为辅的方式。空气处理机组自控包括根据回风温、湿度控制其表冷（或加热）段及加湿器（冬季）的水阀开度、调节新风比、通过过滤器两侧的压差传感信号报告过滤器的堵塞情况、提供风机故障报警及设备停机时自动关闭新风阀。新风处理机组自控包括根据室外空气焓值控制其表冷（或加热）段及加湿器（冬季）水阀开度，通过过滤器两侧的压差信号报告过滤器的堵塞情况，

26、提供风机故障报警及设备停机时自动关闭新风阀，冬季当加热段后温度低于5及停机时提供防冻保护。门厅、厕所等公共场所的风机盘管采取中央控制方式，由中央控制室实行远程群控。其它专用场所风机盘管采取局部区域就地控制方式。通过温控三速开关控制风机盘管风机的启停和三速运转，根据室温自动调节盘管水阀的开关。经验及教训冷水机组的配置及外遮阳的应用远洋大厦冷水机组配置方案因业主的原因及建筑的变化经历了“部分冰蓄冷”、“二大一小主机”、及目前的“三大主机”的配置变动。大厦在建期间，由于加层（增加了二层）以及带形镀膜玻璃窗改为落地白色透明玻璃点式幕墙，使建筑面积增加了近1.5万m2，窗墙比由原来的1:4变为3:1，窗

27、玻璃的遮挡系数也变大，导致冷负荷大为增加。在冷冻机房和变配电所无法扩大增容的情况下，采取了三台1250RT/台的冷机配置，并在大厦东、西、南三受光面设置了大面积卷帘式智能化外遮阳。经过四个夏季的运行，冷水机组和外遮阳的联合使用满足了设计要求，但晚上须正常启用一台冷机才能负担夜间负荷。由于大厦24小时工作的部门均设置了独立的局部空调系统，当晚上加班人员离去后冷水机组就停止制冷，晚上加班期间负荷变化不显著，因此在本工程中，大冷机低负荷运行的不合理情况并不明显。卷帘式外遮阳的有效使用，大大减少了窗玻璃的辐射得热，达40%以上。削减了装机冷量和电量，缓解了过渡季东、南、西向房间过热的程度，是节能和节省

28、运行费用的途径之一。四管制供水及动、静态平衡阀的配合使用由于大厦大面积使用白色透明玻璃点式幕墙，在冬季和过渡季部分时段，大厦北侧和南、西侧热负荷不平衡，当卷帘式外遮阳无法使用时，出现北侧需要供暖、南侧需要供冷的情况。四管制的空调水系统为满足这一要求提供了可能性。虽然四管制增加了系统的投资，但与满足不了用户的舒适性要求，造成物业经营管理上的较大经济损失相比，还是合理的。在大厦57台空气、新风处理机组中，新风处理机组占86%，远远多于空气处理机组，新风处理机组负荷也远大于空气处理机组负荷。并且绝大部分新风处理机组风量一样，负荷相同，使用时间一致。要保证机组正常工作，供水系统主要矛盾是保证流量按比例

29、分配。工程中利用静态平衡阀调节性能基本上按线性变化的特性解决了这一问题。不仅在设计工况下，保证了流量的合理分配，即使当管路供水量因大厦负荷变化而改变时，各机组之间的流量分配比例仍大致不变。对于采用并联环路制冷系统而言，保证安全平稳运行的难题是避免多台冷水机组并联运行时发生出力不均的偏载现象和部分机组运行时，因流量减少管路水力特性发生变化，造成水泵电机电流过载的问题。利用动态平衡阀自动调节补偿管路阻力的特性可有效避免偏载和电机电流过载的发生。本工程中，由于动、静态平衡阀的配合使用，保证了水系统安全、有效及平稳的运行，避免了人为疏忽造成危害的可能，节省了管理维护工作量。冬季日照的充分利用及技术经济

30、的合理平衡因采用白色透明玻璃幕墙导致不同朝向得热不平衡的问题，同时也提供了冬季合理利用日照，减少供热量，节省能源的契机。由于时间和空间的限制，本工程不能做到将南、西受光面多余的日照得热提供给需热量大的地方。但合理利用日照得热对于平衡大楼的热负荷和节能来说，是很有意义的。在现代建筑中，由于建筑美观的需要，大量采用玻璃等通透性建筑材料，为建筑节能和节省设备投资带来了很大的困难，如果能够综合考虑技术经济诸方面的因素，协调好各专业的关系，应该能够找到一个合理的平衡点。结束语远洋大厦暖通空调系统自投入使用以来，经过三个冬季、四个夏季的运行，事实证明系统达到了设计的要求，为大厦各项功能的完美实现做出了贡献。参考文献