建筑外窗對(duì)建筑節(jié)能影響及分析

1、我國(guó)炎熱地區(qū)外窗性能對(duì)建筑節(jié)能影響的分析黃夏東 （福建省建筑科學(xué)研究院 350025） 提要 本文通過(guò)計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)分析了我國(guó)炎熱地區(qū)建筑外窗對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，提出炎熱地區(qū)節(jié)能窗選擇的建議。關(guān)鍵詞 外窗，室內(nèi)熱環(huán)境，建筑節(jié)能。The influence of building outer doors and windows and their glasson energy efficiency in buidingsHuang xiadong （Fujian academy of building research 350025）Abstract This paper analyzed

2、the external windows effect on indoor thermal environment of residential buildings in china hou summer zone by dynamic simulation technology of computer, put formard the proposal for option of saving wndows.Key words external window,indoor thermal environment,energy efficicecy of residential buildin

3、gs.普通窗戶的保溫隔熱性能比外墻差得多，夏季白天通過(guò)窗戶進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射熱隨窗面積增大而增大。在炎熱地區(qū)（即夏熱冬暖地區(qū)）居住建筑總能耗中，空調(diào)能耗占了主要部分，因此，我們尤要注意外窗性能對(duì)建筑能耗和節(jié)能的影響。本文通過(guò)計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)，計(jì)算分析了炎熱地區(qū)典型城市建筑外窗對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，表明該地區(qū)通過(guò)外窗進(jìn)入室內(nèi)的熱量（包括溫差得熱和輻射得熱）占室內(nèi)總得熱量的相當(dāng)大部分，成為影響夏季空調(diào)負(fù)荷的主要因素，是建筑節(jié)能的關(guān)鍵；建筑使用各種不同類型的節(jié)能窗產(chǎn)品，如斷熱鋁合金窗、PVC塑料窗、熱反射鍍膜玻璃窗、透明中空玻璃窗和LOW-E中空玻璃窗等，使得夏季通過(guò)窗戶進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射得熱和溫差

4、得熱不同程度地降低，起到了節(jié)能作用。本文同時(shí)提出炎熱地區(qū)選擇外窗的看法和建議。1 計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬分析對(duì)象和計(jì)算條件1.1計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬軟件和計(jì)算條件選取1.1.1本文利用熱反應(yīng)系數(shù)法建立了模擬單間建筑動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并編制成計(jì)算機(jī)模擬程序STCP。編制程序時(shí)考慮了窗的遮陽(yáng)系數(shù)和通過(guò)窗戶進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射得熱。使用該程序主要研究夏季外窗對(duì)房間能耗和節(jié)能的影響。圖1 房間平面圖為使問(wèn)題具有普遍性，本文選擇炎熱地區(qū)常規(guī)的住宅房間(位于頂層的最西邊)為研究對(duì)象，如圖1所示。該房間屋頂為砼板加隔熱層結(jié)構(gòu)，傳熱系數(shù)K1.82w/m2k；東、西、南、北墻為190mm粘土空心磚墻，其中：外墻K1.82 w/m2

5、k，內(nèi)隔墻K1.60 w/m2k；地板為砼板結(jié)構(gòu)，K3.10 w/m2k。室溫設(shè)定tn260.5。假設(shè)房間無(wú)人居住、不使用電器和無(wú)空調(diào)新風(fēng)，換氣次數(shù)n1.0次/h。氣象數(shù)據(jù)選取炎熱地區(qū)福州市1983年8月1日5日逐時(shí)的氣溫、相對(duì)濕度、水平太陽(yáng)輻射值(直射和散射)、風(fēng)速和地表溫度。8月5日這一天，最高氣溫ta=36，水平太陽(yáng)輻射日總量Ih=2.39kJ/cm2,平均風(fēng)速V=2.4m/s,具有代表性。在選擇不同節(jié)能窗型和不同窗墻面積比條件下，模擬計(jì)算分析房間得熱和空調(diào)冷負(fù)荷變化。本文設(shè)定普通5mm厚透明玻璃鋁合金窗（傳熱系數(shù)K6.0 w/（m2k），遮陽(yáng)系數(shù)SC0.9，詳見(jiàn)表3）作為基準(zhǔn)窗型，窗戶

6、基本尺寸變化列于表1。 表1 窗戶基本尺寸變化 （單位m） 窗尺寸高寬 寸(高x寬)m窗墻面積比Cz0.3270.4550.60.7881.01.1.2本文用美國(guó)老倫斯伯克力國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的DOE2軟件，對(duì)炎熱地區(qū)一座六層建筑物進(jìn)行了計(jì)算分析，主要研究外窗對(duì)整幢建筑物的能耗和節(jié)能影響。本文假設(shè)把該建筑物是否采取節(jié)能措施分別定義為基礎(chǔ)建筑物和節(jié)能建筑物，條件見(jiàn)表2。1.2 取9種窗型作為計(jì)算對(duì)象，窗型編號(hào)為1，2，3，4，5，6，7，8，9，其性能見(jiàn)表3。1為基準(zhǔn)窗，29為節(jié)能窗。表2 基礎(chǔ)建筑與節(jié)能建筑指標(biāo)基礎(chǔ)建筑物節(jié)能建筑物屋頂傳熱系數(shù)K1.8傳熱系數(shù)K1.0外墻傳熱系數(shù)K2.47（180m

7、m粘土實(shí)心磚）K2.0和1.5分別為240mm粘土實(shí)心磚和加保溫層240mm粘土空心磚采暖設(shè)備EER=1.0EER=2.2空調(diào)設(shè)備EER=1.5EER=2.7室內(nèi)溫度夏季26，冬季16夏季26，冬季16外窗傳熱系數(shù)普通鋁合金窗K6.0（w/m2k）SC=0.9各種節(jié)能窗型注：本表中傳熱系數(shù)K單位為（w/m2k）1.3 在用DOE-2軟件分析中我們定義了居住建筑綜合窗墻比CZ參數(shù)，即居住建筑各朝向外窗總面積與外墻總面積（含窗面積）的比值，CZ與通常說(shuō)的各朝向窗墻面積比概念有所不同，如本文選取的基礎(chǔ)住宅，南墻窗墻面積比為0.42，北墻為0.3，東、西墻為0.15，通過(guò)計(jì)算，它的綜合窗墻面積比CZ為

8、0.3。表3 各種窗型性能表窗型編號(hào)名 稱傳熱系數(shù)Kw/m2k遮陽(yáng)系數(shù)SC.1普通鋁合金窗（5mm白玻）6.00.9.2PVC塑料窗（5mm白玻）4.70.9.3熱反射鍍膜玻璃鋁窗6.00.5.4熱反射鍍膜玻璃PVC塑料窗4.70.5.5透明中空玻璃鋁窗4.00.8.6透明中空玻璃鋁窗（斷熱型材）3.00.8.7透明中空玻璃PVC窗2.70.8.8LOW-E中空玻璃鋁窗3.50.3.9LOW-E中空玻璃鋁窗（斷熱型材）2.40.32 模擬計(jì)算分析結(jié)果 2.1 夏季外窗對(duì)單間房間的能耗和節(jié)能影響 2.1.1通過(guò)窗戶進(jìn)入室內(nèi)的熱量（包括溫差得熱和輻射得熱），占室內(nèi)總得熱量的相當(dāng)大部分，成為影響夏季

9、空調(diào)負(fù)荷的主要因素。如南向窗墻面積比CZ=0.327時(shí)，通過(guò)普通鋁合金窗室內(nèi)得熱占房間總得熱42.9%，PVC塑料窗占41.6%，透明中空玻璃鋁窗占38.2%。當(dāng)CZ=0.6時(shí)，以上三種窗型得熱占房間總得熱分別提高到60.1%、58.8%和54.6%。2.1.2隨著窗面積(窗墻面積比)增大，通過(guò)窗得熱急劇增加，空調(diào)冷負(fù)荷也隨之急劇增加。如南向窗墻面積比Cz從0.327增加到0.6，鋁合金窗房間冷負(fù)荷增加32.4%，PVC塑料窗房間冷負(fù)荷增加30.1%，熱反射鍍膜玻璃鋁窗房間冷負(fù)荷增加24%。Cz增加到1.0，上述窗型房間冷負(fù)荷分別增加74.8%、71%和60.1%. 2.1.3通過(guò)窗戶進(jìn)入室內(nèi)

10、的熱量，包括室內(nèi)外溫差得熱和太陽(yáng)輻射得熱兩部分，而太陽(yáng)輻射得熱是窗的總得熱的主要部份，如南向窗墻面積比Cz0.327時(shí)，普通鋁合金窗太陽(yáng)輻射得熱是溫差傳熱得熱的3.1倍，PVC塑料窗太陽(yáng)輻射得熱是溫差傳熱得熱4.3倍，熱反射鍍膜玻璃鋁窗太陽(yáng)輻射得熱是溫差傳熱得熱1.9 倍。 2.1.4使用節(jié)能窗能不同程度降低室內(nèi)冷負(fù)荷，尤其使用熱反射鍍膜玻璃窗和LowE中空玻璃窗，與使用普通鋁合金窗相比，冷負(fù)荷降低較多。如3窗（熱反射鍍玻璃鋁窗）降低了12.4%，8窗（Low-E中空玻璃鋁窗）降低了21.9%。2.1.5 LowE中空玻璃鋁窗，由于它具有很低的遮陽(yáng)系數(shù)和傳熱系數(shù)，是高性能節(jié)能窗；其次是熱反射鍍

11、膜玻璃窗，盡管它傳熱系數(shù)同普通鋁窗相同，但它的遮陽(yáng)系數(shù)較低，節(jié)能效果僅次于LowE玻璃窗；透明中空玻璃鋁窗性能居中；PVC塑料窗抵御太陽(yáng)輻射得熱能力同鋁窗一樣，但它傳熱系數(shù)低一些，因此節(jié)能效果稍勝鋁窗，但比前三種節(jié)能窗型均差。2.1.6表4給出了在不同南向窗墻面積比時(shí)，采用不同窗型房間的冷負(fù)荷變化、房間冷負(fù)荷q0與南向窗墻面積比CZ關(guān)系式。經(jīng)分析，q0與CZ有很好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均在0.9896以上。表4 q0與CZ關(guān)系表 窗型房間冷負(fù)荷q0 W/m2q0與CZ關(guān)系CZ=0.327CZ=0.455CZ=0.6CZ=0.788CZ=1.0關(guān)系式相關(guān)系數(shù)R146.152.660.770.080

12、.6q0=29.42951.374* CZ0.9998244.550.657.966.776.1q0=29.28147.128* CZ0.9997340.445.250.156.664.7q0=28.7235.773* CZ0.9997542.648.654.962.270.9q0=29.41441.681* CZ0.9995641.648.354.660.767.9q0=30.32538.321* CZ0.9951836.038.141.346.449.7q0=28.82521.253* CZ0.9957935.137.339.544.646.7q0=29.15418.116* C20.98

13、962.2 外窗對(duì)整幢建筑物的能耗和節(jié)能影響用STCP軟件對(duì)單間房間模擬計(jì)算和DOE-2軟件對(duì)整幢建筑物模擬計(jì)算得出的結(jié)果，基本上是一致的，但DOE-2軟件用全年氣象數(shù)據(jù)模擬計(jì)算，因此它反映出的建筑物能耗節(jié)能規(guī)律更深入全面。2.2.1通過(guò)DOE-2軟件計(jì)算分析表明，當(dāng)一建筑物屋頂與外墻熱工性能、采暖空調(diào)設(shè)備能效比、換氣次數(shù)及朝向均保持不變，且采用同一窗型時(shí)，建筑物采暖空調(diào)能耗P與綜合窗墻面積比CZ有很好的線性關(guān)系，節(jié)能率與CZ也有很好的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)R值很高，當(dāng)觀察次數(shù)為7時(shí)，R均大于0.97，大部分在0.99以上。圖2、圖3分別表示福州和廣州的CZ關(guān)系曲線。基礎(chǔ)建筑年能耗節(jié)能建筑年能耗

14、基礎(chǔ)建筑年能耗建筑物節(jié)能率 （建筑年能耗即全年采暖和空調(diào)能耗）2.2.2 圖2表明福州建筑物外墻傳熱系數(shù)K 1.5時(shí)，節(jié)能率和綜合窗墻比CZ的關(guān)系。從圖中可以看出，在保證一定節(jié)能率的前提下，外墻的窗墻面積比變化時(shí)，建筑物對(duì)外窗的要求也不同。如：外墻K1.5w/m2k的建筑物，當(dāng)窗墻面積比CZ=0.25時(shí)，窗型選擇范圍可從49。當(dāng)窗墻面積比CZ=0.45時(shí)，窗型選擇范圍可從8和9。由此可見(jiàn)，外窗窗型的選擇受到窗墻面積比的影響，控制窗墻面積比，能增加外窗窗型品種的選擇范圍。2.2.3炎熱地區(qū)隨著緯度的變化，其外窗對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響也不同，從圖2、圖3可以看出，福州與廣州的CZ關(guān)系曲線圖明顯不同

15、，圖3中SC相同的直線非常靠攏，圖2中沒(méi)有這個(gè)現(xiàn)象，說(shuō)明：（1）緯度較高地區(qū)，如福州，外窗的傳熱系數(shù)K值和遮陽(yáng)系數(shù)SC值同時(shí)影響建筑物的能耗和節(jié)能率。（2）緯度較低地區(qū)，如廣州，年平均氣溫比福州高，夏熱冬暖特征更明顯，外窗K值對(duì)耗能和節(jié)能率影響逐漸減少，而遮陽(yáng)系數(shù)SC起了主要作用。3 炎熱地區(qū)外窗選擇的看法和建議3.1建筑窗墻面積比，應(yīng)有所限定。3.2緯度較高地區(qū)如福州，在選擇外窗產(chǎn)品時(shí)，要綜合考慮傳熱系數(shù)K值和遮陽(yáng)系數(shù)SC值。3.3緯度較低地區(qū)，如廣州，在選擇外窗產(chǎn)品時(shí)，主要以外窗遮陽(yáng)系數(shù)SC作為選擇的依據(jù)。3.4應(yīng)積極推廣使用節(jié)能窗，尤其要注意使用遮陽(yáng)系數(shù)SC低的節(jié)能窗。在經(jīng)濟(jì)條件許可時(shí)，應(yīng)有針對(duì)性地選擇使用熱反射鍍膜玻璃窗，透明中空玻璃窗，Low-E中空玻璃窗等節(jié)能窗。3.5在炎熱地區(qū)窗型材料選擇同窗玻璃選擇相比，窗玻璃選擇更重要。窗型材料選擇時(shí)應(yīng)注意性能價(jià)格比較。3.6提倡在窗戶外采用各種固定式或活動(dòng)式遮陽(yáng)措施，進(jìn)一步提高窗戶的遮陽(yáng)效果。在建筑外形允許的情況下，東西朝向窗，盡量選用建筑外遮