基于能耗与采光分析的夏热冬暖地区办公建筑窗墙比优化取值研究.pdf
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1、31Journalof BEEGreenBuildingsNo.7 in 2023(Total Vol.51,No.389)绿色建筑建筑节能(中英文2023年第7 期(总第51卷第38 9 期)doi:10.3969/j.issn.2096-9422.2023.07.005基于能耗与采光分析的夏热冬暖地区办公建筑窗墙比优化取值研究林伟建(福建省建筑科学研究院有限责任公司福建省绿色建筑技术重点实验室,福州350108)摘要:通过建筑能耗模拟分析得出典型办公建筑中窗墙面积比对建筑能耗的影响,再通过建筑采光模拟分析得出窗墙面积比对建筑采光的一般规律。在提高采光效果和采光质量的同时,随着建筑窗墙比的提
2、升,建筑围护结构能耗也会有所增加。因此在综合考虑建筑能耗和采光这两个因素的条件下,得出一个适宜的窗墙比取值区间。并通过定义光耗比来表征单位能耗提高对采光效果的影响,以提出办公建筑最优的窗墙面积比取值,使建筑能通过牺牲最小的能耗值,得到性价比最为优化的采光效果和质量。选取夏热冬暖典型城市的建筑能耗及室内平均采光系数进行模拟综合分析,并得出结论,为建筑节能设计提供参考。关键词:办公建筑;窗墙比;采光系数;俞能耗;光耗比中图分类号:TU243.2文献标志码:A文章编号:2096-9422(2023)07-0031-05Optimal Value of Window-to-wall Ratio of
3、Office Buildings in Hot Summer andWarm Winter Areas Based on Energy Consumption and Lighting AnalysisLINWeijian(Fujian Academy of Building Research Co.Ltd.,Fujian Key Laboratory ofGreen Building Technology,Fuzhou 350108,China)Abstract:Through the simulation analysis of building energy consumption,th
4、e influence of window-wall area ratio on building energy consumption in typical office buildings is obtained.While improving thelighting effect and lighting quality,with the improvement of the buildings window-to-wall ratio,the energyconsumption of the building envelope will also increase.Therefore,
5、under the condition of comprehensiveconsideration of building energy consumption and lighting,an appropriate window-wall ratio value intervalis obtained.And by defining the light consumption ratio to characterize the impact of the increase in unitenergy consumption on the lighting effect,to propose
6、the optimal value of the window-to-wall area ratio ofthe office building,so that the building can obtain the most cost-effective lighting effect by sacrificing theminimum energy consumption value and quality.The building energy consumption and indoor averagedaylighting coefficient of typical cities
7、with hot summer and warm winter are selected for comprehensivesimulation analysis,and conclusions are drawn to provide reference for building energy-saving design.Keywords:office building;window-to-wall ratio;daylighting coefficient;energy consumption;light consumption ratio0引言外窗是影响建筑物室内热环境质量的主要因素收稿
8、日期:2 0 2 2-0 3-2 4;修回日期:2 0 2 3-0 7-19*基金项目:福建省建设科技计划资助项目:福建省城镇建筑可再生能源替代率计算方法与实施路径研究(2 0 2 2-K-155)之一,是建筑节能的薄弱环节。从建筑节能的角度看,外窗是产生建筑能耗的大构件。此外,建筑外窗还具有丰富建筑物的立面、开阔视野、使室内获得有效采光等功能。故在追求建筑节能的同时,还应兼顾外窗其他功能的发挥。在窗墙比对建筑能耗影响32林伟建:基于能耗与采光分析的夏热冬暖地区办公建筑窗墙比优化取值研究方面,目前已有大量学者做了广泛研究,但是不同的窗墙比也同样对建筑室内采光系数产生了影响,在采光设计和围护结构
9、节能设计相关要求条件下,建筑的窗墙比的优化是建筑节能设计中值得考虑的现实问题。办公建筑作为中国经济高速发展情况下大规模建设的建筑类型,具有较大的研究价值。其中又以矩形小单间办公室最为常见,故本研究将选取此类办公建筑为例进行研究2 1研究方法根据相关研究,建筑的朝向对夏热冬暖地区建筑的能耗有着重要的影响,建筑朝向应以南北向为主3。PKPM节能与绿色建筑系列软件由众多可操作的模块组成,各模块均采用统一的建筑模型数据进行各类建筑性能分析,在我国的建筑设计中有较为广泛的使用4。本研究一方面运用PKPM建筑节能分析软件PBECA进行能耗模拟,得出办公建筑在南北朝向下不同窗墙比条件的全年空调能耗、采暖能耗
10、和总能耗,另一方面运用PKPM绿色建筑天然采光模拟分析软件PKPM-Daylight对不同窗墙比下的室内采光系数进行模拟计算,与建筑能耗进行综合对比分析。2研究对象为分析办公建筑不同窗墙比的变化对建筑物能耗及室内采光系数的影响,选取了夏热冬暖地区某典型办公建筑作为研究对象,该建筑共9 层,并满足公共建筑节能设计标准(GB501892015)中节能率的要求5,其标准层平面图见图1,该建筑在建模后的可视化模型见图2,其建筑节能设计参数概况见表1。办公办公办公办公办公办公办公办公道办公办公办公办公办公办公办公办公办公办公办公办公图1办公建筑标准层平面图3能耗分析与采光分析方法建筑的窗墙面积比,一般情
11、况下均不宜大于0.75,因此该窗墙比范围值可作为本研究关注的重点。另外,由于不同的气候条件下,建筑能耗和光环境存在显著差异,故本研究先以厦门为例,在上述建筑设计参数的条件下,分析窗墙比在0 0.7 这个区间内变化时,建筑能耗值与建筑采光系数的变化规律。数值模拟计算时建筑的朝向设定为正南。遵循整体控制变量法的原则,建筑东西向的窗墙比不作变化,并设定固定值为0.11。同时南北朝向的窗墙比变化时,锁定其窗体的形状、长高比及窗台高度始终保持一致。图2办公建筑模型表1办办公建筑节能设计参数概况项目参数设置体型体形系数为0.2 6,建筑层数为9 层建筑面积2554.81m朝向南北向房间尺寸3.2 m 6.
12、7 m东西向0.11固定值)窗墙比粉煤灰加气砌块(2 0 0 mm)(B0 5级),无机保温砂浆外墙(30 mm),太阳辐射吸收系数取0.7 0屋面挤塑聚苯板(2 8.0 mm),太阳辐射吸收系数取0.7 0断热铝合金(6 高透光双银LoW-E+9空气+6 透明外窗玻璃)传热系数2.41W/(m.K),玻璃太阳得热系数0.38,可见光透射比0.6 0室内环境冬季取2 0,夏季取2 6 内饰面光墙面0.8 4,顶棚0.9 1,地板0.6 0学反射比3.1围护结构能耗分析采用PKPM节能设计软件对建筑围护结构能耗进行分析,并考虑了分析软件模拟计算时预设的照明功率、电器设备功率、新风量等指标。因厦门
13、地区属于夏热冬暖南区,故可不考虑其冬季采暖能耗,仅分析其夏季的空调能耗,窗墙比取值0 0.7 时,能耗变化规律见图3。其中窗墙比为0 时,代表了建筑无外窗状态下的基础能耗。从图3可知随着建筑窗墙比的不断增大,建筑围护结构能耗随之变大,窗墙比在00.1时,能耗的提升较为明显;且窗墙比在0.4时,其右侧区间0.4 0.5与左侧区间0.3 0.4相比,能耗数值变化速率有一定的提升。3.2照明能耗分析建筑室内满足采光标准条件下,可以不再采用人工照明即可满足视觉功能要求,这部分建筑照明能耗可以认为是自然采光的节能量。依据建筑采光设计33LINWeijian.Optimall Value of Windo
14、w-to-wall Ratio of Ofice Buildings in Hot Summer and Warm Winter Areas Based on EnergyConsumptionandLightingAnalysis200.000一全年空调能耗180000160.0001400001200000.00.10.20.30.4 0.50.60.7窗墙比图3建筑能耗与窗墙比关系图标准(GB500332013)6,厦门市属于IV级光气候区,光气候系数K值为1.10,修正后办公室的采光系数标准值为3.3%。另外,根据建筑照明设计标准(GB500342013)7】,规定普通办公室照明功率密
15、度现行值为9 W/m,通常情况下,夏热冬暖地区处于8:0 0-18:0 0 这个时间段,自然光照条件较好,本研究按不利原则,取光照条件较好时段为8 h/d,即在该时段无需人工照明。因此,在该时段内,照明能耗与采光系数的关系如图4所示,可以看出,当采光系数 0.2 时,建筑照明能耗可认为是自然采光的节能量,建筑整体能耗扣除照明能耗后,图形显示为图6。由图6 可知,因照明能耗的扣除,使建筑在窗墙比等于0.2 时,其整体能耗最小,但此时的平均采光系数仅恰好满足3.3%的办公建筑的基本采光限值要求,正如本研究上文所述,作为一个采光低限值,并不具有较高的采光均匀度,为了改善室内采光质量需考虑窗墙比的提高
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