PHPP软件在被动式超低能耗建筑外窗设计优化中的应用

沈阳建筑大学

康智强，杨宜儒，夏晓东，冯国会

被动式超低能耗建筑的设计理念是尽量不采用主动式采暖设施，加强建筑外围护体系的保温性能，并使用高效的新风热回收系统，以尽量减少建筑热损失。被动式超低能耗建筑的核心能耗指标为年供暖需求小于15kW·h/（m2  ·年）或供暖负荷小于10W/m2 。围护结构保温性能的高低，是建筑能否达到被动式超低能耗建筑标准的重中之重。建筑外窗是围护结构传热的薄弱环节，能耗损失占围护结构总能耗损失的近 50%，为保证建筑能耗达到被动式超低能耗建筑的要求，以及拥有良好的热舒适性能，建筑外窗的设计安装都应着重考虑。

PHPP（PassiveHousePlanningPackage）作为被动式超低能耗建筑能量平衡计算软件及规划和验证的国际性工具，在被动式超低能耗建筑的设计咨询中起到了不可忽视的作用。外窗的得热与失热对于被动式超低能耗建筑的能量平衡计算十分重要，PHPP外窗性能参数表中涉及外窗面积、外窗传热系数U值、透过玻璃的太阳辐射以及相应的折减系数4方面。其中PHPP遮阳工况参数表定义遮阳折减系数可对窗玻璃的遮挡进行计算，也可使用独立的遮阳计算软件加载计算。

1 PHPP 初期设计优化方案

被动式超低能耗建筑最好建设在太阳辐射丰富、周边高层建筑或者树木等遮挡物较少的区域，有利于冬季太阳辐射得热。在窗墙比的设计上，南向外窗窗墙比要综合考虑到冬季日射得热和夏季隔热，应避免过大，根据资料查询应在0.7~0.8为最佳。东、西、北向外窗面积应尽量减小，但是为了满足采光以及通风要求，可根据GB50033—2013《建筑采光设计标准》中的窗墙比最小值进行设定。热桥是指由于室内外温差，建筑围护结构中某些部位的导热系数不同于主体结构的导热系数，导致大量热损失，成为热量损失的主要桥梁。外窗的金属框架、墙体与外窗的连接处都易产生热桥。在设计初期想要减少热桥现象需考虑外窗材质、窗框构造、窗墙连接方式等方面，尽量选用能大幅度阻断热桥效应的窗框材料如断桥铝窗框，根据情况选用被动房推荐的外窗安装方式如图1~图3所示。

2   PHPP 外窗性能参数表

PHPP外窗性能参数表中需输入详细的窗口尺寸数据和外窗热工参数并在软件内部根据式（1）计算整窗的传热系数U值及太阳能得热系数G值。

外窗朝向在性能参数表中不用单独输入，在计算时直接选取外窗所在的外墙即可识别，PHPP会根据当地的气候数据自动得到太阳辐射值。由于外窗位置不同导致周边建筑物对其的遮挡不同，有必要对每个外窗进行编号后单独输入其数据，当外窗数量过多或工程量较大时，同样类型的窗户可一并输入。获得德国PHI（PassiveHouseInstitute）认证的玻璃和窗框的热工性能参数都可以在PHPP外窗性能参数表中进行选择。建筑外窗玻璃边缘处的传热效果直接影响到窗框部分和玻璃边缘部分的温度分布，是玻璃密封边缘产生热桥的主要原因。间隔条热桥损失系数ΨGE主要与是否安装暖边间隔条及使用何种材料有关。安装热桥损失系数ΨI的值可参考PHI认证书中的被动式超低能耗建筑外窗安装示例，选取近似的热桥损失系数值，也可以采用软件进行模拟获得更加准确的数值。考虑到窗框附近的热损失较严重，连接对象不同时的整窗U值的差距很大，PHPP中引用了安装系数来区别窗框直接与围护结构相连和两扇窗相连的差异。若窗框直接与围护结构相连则安装系数为 1，若两扇窗相连则安装系数为0（图4）。

3 PHPP遮阳工况参数表

由于PHPP是一个不能进行逐时模拟的稳态计算软件，故引用了遮阳折减系数这一参数辅助计算，遮阳折减系数考虑到经纬度、外窗形状、遮阳构件、朝向、以及冬季和夏季的太阳高度角。冬季和夏季的遮阳折减系数不同，考虑到夏季临时遮阳的系数弹性较大不便于估算，如果未分别输入冬季与夏季的遮阳折减系数，PHPP可使用输入值75%的遮阳折减系数进行计算。

3.1总遮阳折减系数

总遮阳折减系数RS表示各种遮阳因素经消减后 达到玻璃表面的太阳辐射百分比，系数越大，表示窗 户的遮挡越少，系数为100%时表示窗户被完全暴露在外，系数为0%时表示窗户被完全遮盖。总遮阳系数RS采用式（2）进行计算：

3.2    临时遮阳

不同类型临时遮阳的遮阳折减系数见表 1，适用于任何外窗。如未安装自动控制装置，建议以表1折减系数的70%作为实际值。

4    工程概况

沈阳建筑大学中德节能示范中心附楼地处沈阳市浑南新区，该示范楼建筑面积350m2 ，外墙保温 设计采用330mm厚石墨聚苯板外保温，传热系数0.1W/（m2 ·K）；屋面保温为280mm厚挤塑板，传热系数0.1W/（m2 ·K）；楼板保温为240mm厚挤塑板， 传热系数0.12W/（m2 ·K），玻璃为三玻Low-E充氦 气，窗玻璃U值为0.49W/（m2 ·K），太阳能总透射 比G不小于0.49，窗框为断桥铝材质，窗框U值为0.6W（/m2 ·K），整窗传热系数为设计值0.8W（/m2 ·K），外窗气密性为8级，采用铝制间隔条，窗内设有白色遮阳卷帘。中德节能示范中心附楼立面示意如图5所示，被动式超低能耗建筑外窗编号不是对整窗进行编号，而是对构成外窗的每一个窗扇进行编号，相同类型的窗扇可采取相同的编号。

在初步计算中可暂时忽略一部分不重要或者不确定的参数，例如周边建筑物或不同品种树木对窗的遮挡、窗洞口对窗玻璃的遮挡等。最后根据模拟结果，分析问题，与各方面协调后再进行验证。

5    结果分析及优化设计

按照设计指标进行初步计算后，该项目的计算结果如图6所示，年度供暖需求为23kW·h/（m2 年），供暖负荷为18W/m2 并未达到被动式超低能耗建筑要求，考虑到该建筑位于严寒地区的辽宁省沈阳市，根据《被动式超低能耗绿色建筑技术导则（试行）》年供暖需求指标可采用不大于18kW·h/（m2 ·年）进行设计。

根据年度热平衡图可知，热损失最大的部件为建筑外窗，占总热损失的35.3%，外墙热损失占22.1%，屋顶热损失占16.0%，通风热损失占11.8%，地面热损失占10.8%，外门热损失占4.0%。建筑得热主要为透过玻璃窗的日射得热，其得热量占总得热量71.1%，室内人员与电器得热量只占总得热量28.9%。由此可见，外窗与被动式超低能耗建筑的得失热量关联最大，对被动式超低能耗建筑外窗进行优化设计十分有必要。外窗经过计算的整窗U值见表4，东、西、北向外窗整窗U值均高于设计值0.8W/（m2 ·K），可进行以下调整以满足被动式超低能耗建筑设计要求。

（1）初始设计的中空玻璃采用铝制间隔条使玻璃边缘有不良的热传递条件，使用隔热性能优秀，耐久性良好的暖边间隔条，可提高玻璃边缘部分的室内侧表面温度，同时降低结露的可能性。（2）外窗可采用内平开窗，在满足国家标准要求的前提下，窗分隔应尽量减少。（3）Low-E玻璃的U值和G值随着镀膜层数的增加而越小，本项目中可优化为南北向可采用不同种类的玻璃，透过玻璃窗的总得热中，95%以上都是透过南向外窗的日射得热，故南向外窗须使用G值较高的窗玻璃。北向外窗日射得热最低，热损失较大，节能效率为负，可采用U值更小的玻璃及窗框。仅对外窗进行优化后，此建筑年度供暖需求为11kW·h/（m2 ·年），供暖负荷为18W/m2 ，满足被动式超低能耗建筑标准，综合经济因素考虑后进行施工图深化设计。

6    总结

使用PHPP对被动式超低能耗建筑外窗进行优化设计，能找到满足此类建筑各项技术要求及适用于当地气候条件的外窗玻璃及窗框参数。从初始设计阶段到设计完善，需要使用PHPP进行多次优化模拟从而达到准确的计算结果。PHPP对外窗的设计优化只是实现被动式超低能耗建筑设计优化其中的一部分，需协调外墙优化、设备选型等方面及实际施工条件，对建筑整体负荷及能耗进行把控。本文以实际工程为例，对PHPP外窗及遮阳部分进行了详细说明并提出了优化设计方案，旨在为被动式超低能耗建筑外窗优化设计提供参考，使被动式超低能耗建筑在我国能有更好的发展。

本文来源：《建筑技术》第51卷