引言建筑领域进一步节能与低碳逐渐成为近些年的研究热点，超低能耗建筑、近零能耗建筑、零能耗建筑甚至产能建筑等一系列新概念也不断进入大家的视野。德国的被动房标准在全球得到较为广泛的应用，要求建筑年采暖能耗不超过15 kWh/m2，建筑全年总能耗不超过120 kWh/m2[1]。我国颁布的《近零能耗建筑技术标准》（GB/T 51350—2019）也明确规定，夏热冬冷地区超低能耗公共建筑在现行节能标准基础上进一步实现建筑综合节能率≥50%、建筑本体节能率≥20%[2]。建筑能耗主要源于保证室内热湿环境、光环境及其他功能性需求，特别是保证热湿环境和光环境的暖通空调能耗、照明能耗占建筑总能耗的50%~85%[3]。外窗作为连接室内外环境的重要组成构件，对暖通空调能耗和照明能耗均有显著影响。闫成文[4]等研究发现，外窗能耗占到住宅外围护结构能耗35%左右，成为住宅建筑围护结构节能的重要节点[4]。但窗墙比也并非越小越好，外墙面积过小会影响建筑的自然采光和自然通风，增加照明、新风能耗，间接影响室内空气质量。因此，在进行超低能耗建筑的方案设计时应综合考虑供暖空调能耗、照明能耗以及光舒适性、热舒适性的平衡，选取合适的窗墙比。以武汉某办公建筑为研究对象，应用eQuest能耗模拟软件和绿建斯维尔采光分析软件Dali2020分别进行建筑全年能耗和采光效果动态模拟分析研究，探索在超低能耗目标下兼顾采光需求的合适窗墙比，为武汉地区类似办公建筑窗墙比优化设计提供参考和借鉴。1研究方法采用计算机数值模拟的方法以武汉某办公建筑为模型，进行建筑能耗和自然采光分析。窗墙比的优化设计以超低能耗建筑能耗达到极低值为主要目标，兼顾办公空间对自然采光的需求。具体方法及步骤如下：（1）应用eQuest能耗模拟软件，建立能耗数值计算模型，不同窗墙比条件下建筑全年能耗动态模拟分析，得出建筑综合能耗（包括供暖空调和照明能耗）最低时的窗墙比；（2）应用绿建斯维尔采光分析软件Dali2020建立采光数值计算模型，不同窗墙比条件下建筑全年采光效果动态模拟分析，得出满足全年动态采光标准要求的最小窗墙比；（3）结合月平均采光达标小时数和窗墙比，增加对建筑能耗影响的幅度，探讨兼顾节能和采光质量的合理窗墙比范围。1.1模型建立选取武汉地区1栋11层办公楼为模型进行建筑能耗和自然采光模拟分析。办公楼地上建筑共11层，层高3.6 m，总建筑面积9 290 m2，主要为办公室、会议室和其他辅助功能区。建筑基本信息如表1所示，运用eQuest建立模型如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.003.T001表1办公楼基本信息建筑层数/层建筑面积/m2体型系数层高/m进深/m119 2900.123.65~810.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.003.F001图1办公楼模型图1.2参数设置本研究采用模拟软件中内置的武汉市标准气象数据作为室外边界条件。建筑围护结构的热工参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.003.T002表2围护结构热工参数构件名称传热系数/［W/（m2·K）］太阳得热系数屋面0.5—外墙0.8—外挑或架空楼板0.7—外窗（包括透明幕墙）东向2.20.35南向2.20.35西向2.20.35北向2.20.35室内表面反射比按《民用建筑绿色性能计算标准》（JGJ/T 449—2018）设置，地面反射比0.3，墙面反射比0.6，顶棚反射比0.75。玻璃可见光透射比0.6。建筑各功能区室内设计参数如表3所示，建筑运行时间表按照我国《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）设置。建筑供暖空调冷热源采用“冷水机组+燃气热水锅炉”，冷水机组COP为6.1，热水锅炉效率按90%取值。空调水泵变频控制，空调风系统采用“风机盘管+独立新风”，水泵耗电输冷（热）比、风机单位风量耗功率按满足我国《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2015）设置。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.003.T003表3室内设计参数房间类型夏季温度/℃冬季温度/℃人员密度/（m2/人）照明功率密度/（W/m2）设备功率密度/（W/m2）新风量/［m3/（h·人）］大堂2619109—15办公室2520882036会议室252038—30走道2620502——卫生间2620—2——设备间———2——选用eQuest能耗模拟软件中Continuous控制方法对自然采光对照明能耗影响的设置。绿建斯维尔采光分析软件Dali2020中采用CIE天空模型，对采光系数及照度进行逐时动态计算，主要功能房间年平均采光达标小时数满足我国《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378—2014）中不少于4 h/d的要求为最低标准，以主要功能房间月平均采光达标小时数不少于4 h/d的要求为改善性标准。为便于分析研究，文中模拟工况仅改变窗墙比，窗墙比取值在0.1~0.7之间。2研究结果与分析2.1能耗最低时的窗墙比按照窗墙比取值在0.1~0.7之间进行建筑全年能耗模拟计算，夏季供冷、冬季供暖、照明及水泵、风机等能耗变化情况如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.003.F002图2建筑分项能耗模拟结果由图2可知，随着窗墙比增加，供暖空调能耗均逐渐增加，照明能耗逐渐降低。当窗墙比小于0.2时，照明能耗高于夏季供冷能耗。窗墙比的变化对夏季供冷能耗的影响最为明显，窗墙比每提高0.05，夏季供冷能耗增加3.41%，冬季供暖能耗增加1.67%。当窗墙比≤0.3时，建筑照明能耗呈现平稳的下降趋势，但窗墙比超过0.35时，照明能耗趋向稳定的“饱和状态”。建筑综合能耗随窗墙比变化趋势如图3所示。建筑综合能耗随着窗墙比的增加呈现先下降后上升的趋势，当窗墙比为0.2时，建筑综合能耗达到极低值，为37.08 kWh/m2。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.003.F003图3建筑综合能耗随窗墙比变化趋势2.2满足采光标准的最小窗墙比按照窗墙比取值在0.1~0.7之间进行建筑全年自然采光动态模拟计算，相应的全年平均采光达标小时数如图4所示。由图4可知，随着窗墙比增加，全年平均采光达标小时数由0.5 h/d增加至8 h/d。当窗墙比≥0.25时，建筑主要功能房间的年平均采光达标小时数均不少于4 h/d。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.003.F004图4年平均采光达标小时数2.3合理窗墙比范围当窗墙比为0.25时月平均采光小时数如图5所示。主要功能房间年平均采光小时数达到4 h/d的最低标准要求，但结合各月份的采光效果来看，全年仅4月、6月、8月和9月满足采光小时数达到4 h/d的要求，其余大多月份采光小时数不足4 h/d。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.003.F005图5窗墙比0.25时月平均采光小时数当窗墙比为0.35时月平均采光小时数如图6所示。主要功能房间各月平均采光小时数除11月为3.7 h/d略低于4 h/d外，其他月份均达到4 h/d。当窗墙比为0.4时月平均采光小时数如图7所示。主要功能房间各月平均采光小时数皆可达到4 h/d的要求，各主要功能房间的采光效果得以明显改善。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.003.F006图6窗墙比0.35时月平均采光小时数10.3969/j.issn.1004-7948.2021.08.003.F007图7窗墙比0.4时月平均采光小时数根据图3可知，当窗墙比由0.25分别增加至0.35和0.4时，建筑综合能耗分别增加4.13%和5.83%，能耗增加幅度相对较低。但当窗墙比增加至0.7，建筑综合能耗会明显增加，增加比例达到20%。因此，在不影响超低能耗建筑总体目标的前提下，可考虑窗墙比的建议取值增加至0.35~0.4，以较小的能耗影响下实现建筑自然采光和通风效果的显著提升。3结语武汉地区夏季太阳辐射强烈且存在明显的夏季时间长、冬季时间较短的气候特征，窗墙比对夏季供冷能耗的影响明显高于冬季供暖能耗。武汉属光气候Ⅳ区，自然采光条件较为有利，当窗墙比增加到0.35以上时，自然采光效果改善，但带来的照明能耗降低效果非常有限。窗墙比和外窗面积同时影响供暖空调能耗、照明能耗、自然采光和自然通风效果。兼顾采光效果的情况下，武汉地区办公建筑实现超低能耗建筑目标的最佳窗墙比为0.25。如想进一步提升采光质量和采光效果，窗墙比可适当提高至0.35或0.4。