w《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中窗墻面積比的確定

《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中窗墻面積比的確定

摘要本文根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)不同朝向太陽輻射的變化規(guī)律，分析了建筑開窗受太陽輻射的熱過程影響，并通過計(jì)算分析和對照節(jié)能建筑的試點(diǎn)工程的實(shí)測分析，提出了夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能建筑的窗墻面積比的設(shè)計(jì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞窗墻面積比太陽輻射設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

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我國夏熱冬冷地區(qū)氣候夏季炎熱，冬季濕冷。夏季室外空氣溫度大于35℃的天數(shù)約10～40一，最高溫度達(dá)到40℃以上；冬季氣候寒冷，日平均溫度小于5℃的天數(shù)約20～80天，相對濕度大，而且日照率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于北方。北方冬季日照率大多超過60%。而夏熱冬冷地區(qū)由東到西，冬季日照率逐漸減少。東部最高，也不超過50%，只有40%左右；中部30%左右；西部20%左右。重慶只有13%，加之空氣濕度高達(dá)80%以上，冬季陰雨綿綿，而造成了該地區(qū)冬季的基本氣候特點(diǎn)是陰冷潮濕。

1窗墻面積比的確定基本原則

關(guān)于窗墻面積比的確定基本原則是依據(jù)這一地區(qū)不同朝向墻面冬、夏日照情況（日照時間長短、太陽總輻射強(qiáng)度、陽光入射角大?。?，冬、夏季季風(fēng)影響、室外空氣溫度、室內(nèi)采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及窗開窗面積與建筑能耗所占比率等因素綜合來考慮確定的。一般普通窗戶（包括陽臺門的透明部分）的保溫隔熱性能比外墻差的多，尤其是夏季白天通過窗戶進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射熱也比外墻多的多，窗墻面積比越大，則采暖和空調(diào)的能耗也越大。因此，從節(jié)約建筑能耗的角度出發(fā)，必須限制窗墻面積比。在一般情況下，應(yīng)以滿足室內(nèi)采光要求作為窗墻面積比的確定原則，來規(guī)定窗墻面積比的數(shù)值是它能基本滿足較大進(jìn)深房間的采光要求。

2太陽輻射的主要影響因素

由于夏熱冬冷地區(qū)范圍大，東、西部氣候條件也各不相同，從建筑能耗角度來看，室外氣象參數(shù)對窗墻面積的要求也應(yīng)根據(jù)氣象參數(shù)在不同地區(qū)，不同時間的變化規(guī)律進(jìn)行確定。從這一地區(qū)建筑能耗分析中，窗對建筑能耗的損失主要二個原因，一是窗的熱工性能太差所造成夏季空調(diào)、冬季采暖室內(nèi)外溫差的熱量損失的增加；另外就是窗因受太陽輻射影響而造成的建筑室內(nèi)空調(diào)采暖能耗的增減。從冬季來看通過窗口進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射有利于建筑的節(jié)能，因此，減少窗的溫差傳熱是建筑節(jié)能中窗口熱損失的主要因素，而夏季由于這一地區(qū)窗對建筑能耗損失中，太陽輻射是其主要因素，夏季不同朝向墻面太陽輻射溫度日變化比冬季要復(fù)雜，不同朝向墻面日輻射和峰值出現(xiàn)的時間是不同的，因此，在確定不同朝向的窗墻面積比時也應(yīng)有差別。如表1、表2所示為這一地區(qū)幾個城市最近10年（1989～1998年）氣象參數(shù)累計(jì)10年的統(tǒng)計(jì)值。

夏季各朝向墻面與水平面上的太陽總輻射照度（W/m2）表1

地區(qū)

地方太陽時

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

南京

N

31

77

108

131

148

158

163

160

151

135

113

84

42

W(E)

27

68

98

120

137

147

162

363

562

710

778

721

441

SW(SE)

37

75

103

124

139

159

309

405

545

579

613

579

320

S

131

196

157

168

261

323

347

331

276

189

145

192

160

H

75

190

512

711

866

969

1008

982

892

745

554

335

115

武漢

N

49.9

106.4

134.6

152.4

176.1

190.5

195.3

1

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

342

281

178

62

S

25

74

122

174

233

272

286

272

233

174

122

74

25

H

95

292

512

698

838

927

956.8

927

838

698

512

292

95

成都

N

28

87

113

139

157

172

176

172

157

139

113

87

28

W(E)

14

42

70

93

109

119

123

303

454

551

572

496

308

SW(SE)

14

42

70

93

109

124

145

610

326

317

294

159

44

S

1

42

75

113

204

251

259

251

204

113

75

42

13

H

72

270

433

610

750

840

876

840

750

609

433

240

72

注：以上數(shù)據(jù)為1989～1998的累計(jì)10年統(tǒng)計(jì)值

部分城市室外氣象參數(shù)近10年來統(tǒng)計(jì)值表2

冬季

夏季

冬季

夏季

冬季

夏季

南京

1.9

83

28.4

2.6

2.6

46

48

-14

40

武漢

4.1

42

29.2

2.7

2.7

26

46

-9.8

38.9

成都

54

3.8

25.5

1.2

1.2

19

21

-1.0

36.2

注：南京為建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，取某一天中所測的太陽輻射量為例進(jìn)行分析，水平表面和垂直表面單位面積上所得太陽直接輻射量分別表示為：

（1）

（2）

式中：qH為水平表面上單位面積所得太陽直接輻射量；

為垂直表面上單位面積所得太陽直接輻射量；

An為垂直表面方位角；

As為太陽方位角；

t為時間，式中積分從日出到日沒。

我們采用Gauss二次型數(shù)值積分可計(jì)算出（1）和式（2）建筑不同朝向表面單位面積上的太陽輻射，垂直表面以南向方位作為比較基準(zhǔn)，那么可以得到不同的相對日輻射量的無因次量，其變化規(guī)律如圖1、圖2所示?？梢钥吹剑舷虼怪北砻娑救蛰椛淞孔畲?，夏季反而偏小，東、西向垂直表面最大。這與實(shí)際情況相符合。表3是東、南、西、北垂直表面以及水平表面冬季和夏季單位面積上的相對日輻射量比較。

圖1冬至日垂直表面各朝向單位面積上的相對日輻射量

圖2夏至日垂直表面各朝向單位面積上的相對日輻射量

以上分析可看出，南向垂直表面冬季太陽輻射量最大，而夏季反而變小，東西向垂直表面最大，這與在夏熱冬冷地區(qū)緯度較低的實(shí)際情況相符合，也就是為什么這一地區(qū)尤其注重夏季防止東西向日曬，冬季盡可能爭取南向日照由。

圖3不同負(fù)荷變化曲線

在北方地區(qū)《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（采暖建筑部分）規(guī)定北向窗墻比大于0.25，南向不大于0.35。但在夏熱冬冷地區(qū)人們無論是過渡季節(jié)還是冬、夏兩季普遍有開窗加強(qiáng)房間通風(fēng)的習(xí)慣。一是自然通風(fēng)改善了室內(nèi)空氣質(zhì)量，二是自然通風(fēng)冬季中午日照可以通過窗口直接獲得太陽輻射；夏季在兩個連晴高溫期間的陰雨降溫過程或降雨后連晴高溫開始升溫過程，夜間氣候涼爽宜人，房間通風(fēng)能帶走室內(nèi)余熱蓄冷，因此，南向窗墻面積比一般控制0.35以內(nèi)。對于北向窗墻面積比，由于西部地區(qū)比東部地區(qū)上海，南京和中部地區(qū)的武漢等地室外風(fēng)速小，自然通風(fēng)時，南北向窗墻比面積相差過大，夏季不宜穿堂風(fēng)的形成。另外窗口面積過小，容易造成室內(nèi)采光不足，象西南這一地區(qū)冬季平均日照率≤25%，全年陰雨天很多，在緯度低的這一地區(qū)增大南窗的冬季太陽輻射所提供的熱量對室內(nèi)采暖的作用有限，而且經(jīng)過DOE-2程序計(jì)算和工程實(shí)例，冬季北向季風(fēng)對北向窗口熱損失不明顯大于南窗，窗口面積太小，所增加的室內(nèi)照明用電能耗，將超過節(jié)約的冷暖能耗，這一地區(qū)在進(jìn)行圍護(hù)結(jié)節(jié)能設(shè)計(jì)時，不宜過分依靠減少窗墻比，應(yīng)重點(diǎn)是提高窗的熱工性能。因此在制定標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定條件文為：

4.0.5窗戶（包括陽臺門的透明部分）的面積不應(yīng)過大，不同朝向的窗墻面積比不應(yīng)超過表4.0.5規(guī)定的數(shù)值。若窗墻面積比超過表4.0.5的規(guī)定值，則必須減小窗戶和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，采用有效的遮陽措施，并通過計(jì)算建筑物的耗熱量，耗冷量指標(biāo)和建筑物的采暖空調(diào)年耗量，使之不超過表4.0.5所列的限值。

不同朝向窗墻面積比的外窗傳熱系數(shù)表4.0.5

窗墻面積比

≤0.25

窗墻面積比

>0.25且≤0.25

窗墻面積比

>0.25且≤0.35

窗墻面積比

>0.35且≤0.45

窗墻面積比

>0.45且≤0.5

冬季最冷月室外平均氣溫>5℃

4.7

4.7

3.2

2.5

-

冬季最冷月室外平均氣溫≤5℃

4.7

3.2

3.2

3.2

-

無遮陽措施

4.7

3.2

-

-

-

有外遮陽太陽輻射透過率≤20%

4.7

3.2

3.2

2.5

2.5

南（偏東30°到偏西30°范圍）

4.7

4.7

3.2

2.5

2.5

注：1.廚房、衛(wèi)生間窗墻比不受此表限制。

2.東、西向窗墻面積比大于0.25時，必須按有外遮陽方式考慮。

近年來居住建筑的窗墻面積比有越來越大的趨勢，這是因?yàn)樯唐纷≌馁徺I者大部分希望自己的住宅更加通透明亮?？紤]到臨街建筑立面美觀的需要，窗墻面積比超過4.0.5條的規(guī)定值是允許的，但當(dāng)窗墻面積比超過規(guī)定值時，應(yīng)首先考慮減小窗戶（含陽臺透明部分）的傳熱系數(shù)，如采用單框雙玻璃或中空玻璃窗，并加強(qiáng)夏季活動遮陽，其次可考慮減小外墻的傳熱系

數(shù)。

大量的調(diào)查和測試表明，太陽輻射通過窗進(jìn)入室內(nèi)的熱量是造成夏季室內(nèi)過熱的主要原因，日本、美國、歐洲以及香港等國家和地區(qū)都把提高窗的熱工性能和陽光控制作為夏季防熱，住宅節(jié)能的重點(diǎn)，而且建筑普遍在窗外安裝有遮陽措施。而這一地區(qū)現(xiàn)有的窗戶普遍為合金窗，傳熱系數(shù)大，空氣滲透嚴(yán)重，而且大多數(shù)建筑無遮陽措施。因此，應(yīng)對窗的熱工性能和窗墻面積比作出明確的規(guī)定。

以冬冷夏熱地區(qū)六層磚混結(jié)構(gòu)試驗(yàn)建筑為例，南向4層一房間大小為5.1m（進(jìn)深）×3.3m（寬）×2.8m（高），窗為1.5m×1.8m單框鋁合金窗在夏季連續(xù)空調(diào)時，計(jì)算不同負(fù)荷逐時變化曲線，可以看出通過墻體的傳熱量占總負(fù)荷的30%，通過窗的傳熱量最大，而且通過窗的傳熱中，主要是太陽輻射對負(fù)荷的影響，溫差傳熱部分并不大，如圖3、圖4所示。因此，應(yīng)該把窗的遮陽作為夏季節(jié)能措施一個重點(diǎn)來考慮。條文中對西（東）向窗墻面積比限制較嚴(yán)，是因?yàn)橄募咎栞椛湓谖鳎|）和最大，如圖5所示，為夏熱冬冷地區(qū)幾個主要城市夏季不同朝向墻面日輻射強(qiáng)度的日變化規(guī)律，可以看出不同朝向墻面日輻射強(qiáng)度的日變化規(guī)律，可以看出不同朝向墻面日輻射強(qiáng)度的峰值，以西（東）向墻面為最高，西南（東南）向墻面次之，西北（東北）向又次之，南向墻更為次之，北向墻為最小。因此，對西（東）向窗墻面積比嚴(yán)格控制是合理的，而對南向窗墻面積比定為0.35也符合這一地區(qū)起居室窗口面積大這一人們的生活習(xí)慣。當(dāng)然對超過《標(biāo)準(zhǔn)》表4.0.4規(guī)定后，對窗的傳熱系數(shù)和窗戶的遮陽太陽輻射透過率作嚴(yán)格的限制，一是真正做到住宅的節(jié)能，二又給建筑師設(shè)計(jì)、開發(fā)商、這一地區(qū)人們的生活方式提供了更大的空間。

圖4窗的能耗指標(biāo)變化曲線

圖5夏季不同朝向墻面日輻射變化曲線