窗戶(hù)太陽(yáng)得熱對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)采暖能耗影響的研究

1、窗戶(hù)太陽(yáng)得熱對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)采暖能耗影響的研究摘要本文通過(guò)對(duì)窗戶(hù)能耗的模擬講話(huà)，分析了窗戶(hù)的太陽(yáng)得熱對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)采暖能耗的顯著影響，提出把太陽(yáng)得熱系數(shù)作為評(píng)價(jià)窗戶(hù)熱工性能的一個(gè)重要指標(biāo)，與窗戶(hù)的傳熱系數(shù)相結(jié)合，指導(dǎo)窗戶(hù)的節(jié)能設(shè)計(jì)。研究同時(shí)說(shuō)明，充分利用南向窗戶(hù)的太陽(yáng)輻射，對(duì)于降低采暖能耗上有重要意義。關(guān)鍵詞太陽(yáng)得熱系數(shù)SHG，窗戶(hù)能耗，節(jié)能百分比HR一、前言窗戶(hù)是建筑必不可少的組成局部，也是建筑外圍護(hù)構(gòu)造保溫性能最薄弱的部位，因此，窗戶(hù)作為建筑節(jié)能的打破口，在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中占有重要地位。近十年來(lái)新技術(shù)、新工藝的出現(xiàn)，使窗戶(hù)構(gòu)造擺脫了單一的鋼木和傳統(tǒng)的平板玻璃，涌現(xiàn)出鋁合金斷熱框，塑鋼框，低輻射鍍膜L-

2、e玻璃和中空窗等各種新型材料和構(gòu)造。這為降低窗戶(hù)能耗提供了根底，同時(shí)也使窗戶(hù)熱工參數(shù)的變化范圍更加廣泛，性能等級(jí)更加豐富，從而，不能再簡(jiǎn)單的憑窗戶(hù)的傳熱系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)窗戶(hù)熱工性能的優(yōu)劣。隨著各種節(jié)能窗戶(hù)的出現(xiàn)，窗戶(hù)的太陽(yáng)得熱系數(shù)出現(xiàn)很大差異，并顯著影響窗戶(hù)的熱工性能。我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)冬季氣溫低，時(shí)間長(zhǎng)，采暖度日數(shù)較大，但冬季日照時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)，日照百分率比擬高，故在建筑中應(yīng)充分利用太陽(yáng)能量，特別是南向窗戶(hù)的太陽(yáng)輻射。這對(duì)于節(jié)約采暖能耗，進(jìn)步熱舒適程度，增進(jìn)人民安康具有重大意義。二、窗戶(hù)的傳熱形式及太陽(yáng)得熱系數(shù)的定義窗戶(hù)的得熱和失熱形式包括：太陽(yáng)得熱、熱交換和空氣浸透，相對(duì)于這些形式各有對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)參數(shù)，

3、即太陽(yáng)得熱系數(shù)SHG、整窗傳熱系數(shù)U和空氣浸透率L。太陽(yáng)得熱系數(shù)SHG定義為透過(guò)窗戶(hù)進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)能量與入射到窗戶(hù)外外表的太陽(yáng)能量的比值。透過(guò)窗戶(hù)的太陽(yáng)能量包括：直接透過(guò)窗戶(hù)進(jìn)入室內(nèi)的熱量，和各層玻璃吸收太陽(yáng)能量后，作為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的小熱源，向室內(nèi)的熱量。SHG的理論值為0到1，實(shí)際值約在0.15到0.80之間，該值越小，一樣條件下，窗戶(hù)的太陽(yáng)輻射得熱就越少。三、窗戶(hù)熱工參數(shù)計(jì)算選取有代表性的9種窗戶(hù)，利用IND4.12專(zhuān)業(yè)窗戶(hù)計(jì)算軟件分別計(jì)算出它們的整窗傳熱系數(shù)U和太陽(yáng)得熱系數(shù)SHG。U值的計(jì)算條件：室外氣溫-18，室內(nèi)溫度21；風(fēng)速6.7/s；無(wú)陽(yáng)光。SHG的計(jì)算條件：室外氣溫-32，室內(nèi)溫

4、度24；風(fēng)速3.4/s；太陽(yáng)直射783/2。玻璃厚度為6毫米.。中空窗構(gòu)造：6玻璃+12枯燥空氣層+6玻璃。低輻射鍍膜玻璃的膜層位于兩層玻璃之間朝外的玻璃上。窗戶(hù)一律為平開(kāi)式。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥吹?，窗戶(hù)編號(hào)從0至8，窗戶(hù)傳熱系數(shù)U依次降低。四、嚴(yán)寒地區(qū)供暖季窗戶(hù)能耗計(jì)算1選擇有代表性的嚴(yán)寒城市哈爾濱、長(zhǎng)春、烏魯木齊、呼和浩特和銀川5個(gè)城市不僅冬天氣溫較低，而且冷季時(shí)間很長(zhǎng)，全年日平均溫度5的日數(shù)都在140天以上，是典型的供暖為主的城市。表1窗戶(hù)類(lèi)型及其熱工參數(shù)窗戶(hù)編號(hào)玻璃類(lèi)型窗框U/2kSHG白色單玻鋁合金7.490.791白色單玻塑鋼4.840.622白色中空玻璃鋁合金斷熱3.700.6

5、43白色中空玻璃塑鋼2.780.554雙層白玻璃木框2.770.565中空茶色玻璃塑鋼2.590.426三層白玻璃塑鋼2.010.517中空低輻射膜，e=0.2塑鋼1.870.528中空低輻射膜，e=0.08塑鋼1.700.42注：e表示低輻射鍍膜玻璃的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率。2設(shè)計(jì)典型房間普通一層民宅，建筑面積93平方米1000平方英尺，窗戶(hù)平均分布在東西南北四面墻上，窗戶(hù)總面積占房間建筑面積的15%。3計(jì)算過(guò)程對(duì)于上述房間，在不改變其它設(shè)置的情況下，利用RESFEN3.13軟件分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)于不同城市氣象參數(shù)和不同窗戶(hù)熱工參數(shù)的供暖季窗戶(hù)能耗。在每次計(jì)算中更改窗戶(hù)的太陽(yáng)得熱系數(shù)、傳熱系數(shù)和逐時(shí)的氣象

6、參數(shù)，而其它參數(shù)保持不變。由模擬計(jì)算可以得到供暖季各朝向每平方米窗戶(hù)的窗戶(hù)能耗。4計(jì)算數(shù)據(jù)窗戶(hù)能耗為正，表示窗戶(hù)是散熱的；窗戶(hù)能耗為負(fù)，表示窗戶(hù)是得熱的。以白色單玻鋁合金窗戶(hù)即表1中編號(hào)為0的窗戶(hù)的能耗為基準(zhǔn)，記為H，其它窗戶(hù)能耗為Hn，定義HR為其他空戶(hù)相對(duì)于基準(zhǔn)窗的節(jié)能百分比；HR=H-Hn/H100%HR代表了節(jié)能效果，HR越大，節(jié)能效果越好，節(jié)能效果最好的窗戶(hù)定義為1級(jí)僅限于所選的窗戶(hù)范圍內(nèi)。五、計(jì)算結(jié)果及分析1窗記太陽(yáng)得熱系數(shù)顯著影響窗戶(hù)能耗穩(wěn)態(tài)的窗戶(hù)能量平衡方程可以表達(dá)為：窗戶(hù)傳熱量ER=太陽(yáng)得熱*窗戶(hù)傳熱損失-空氣浸透熱損失=HtFiSHG-Ti-TU-Ti-TLP/A其中：Ht

7、：供暖季平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度/2；Fi：入射角修正系數(shù)；SHG：窗戶(hù)的太陽(yáng)得熱系數(shù)垂直入射條件下；U：窗戶(hù)傳熱系數(shù)/2/KTi：室內(nèi)溫度T：室外平均溫度L：空氣浸透率3/SA：窗戶(hù)面積P：空氣熱容1200J/3/K。ER大于0表示窗戶(hù)得熱；反之，ER小于0表示窗戶(hù)散熱。從式2看出，假如HtFi大于Ti-T，那么太陽(yáng)得熱系數(shù)的權(quán)系數(shù)就大于窗戶(hù)傳熱系數(shù)的權(quán)系數(shù)，實(shí)際情況也往往是這樣故太陽(yáng)得熱系數(shù)可以顯著影響窗戶(hù)能耗。哈爾濱窗戶(hù)節(jié)能效果和傳熱系數(shù)對(duì)照表表2窗戶(hù)編號(hào)12345678U/2K4.843.702.782.772.592.011.871.70HR(%)3151636460788179節(jié)能等級(jí)87

8、546312以哈爾濱為例，從表2我們可以看到，在這8類(lèi)窗戶(hù)中基準(zhǔn)窗不計(jì)傳熱系數(shù)U最小的并非節(jié)能效果最好，窗戶(hù)的節(jié)能效果并非隨著傳熱系數(shù)U的降低而進(jìn)步。從圖1可以看出，其它城市了有類(lèi)似的情況。因此，在窗戶(hù)密閉等級(jí)一致的情況下，綜合考慮太陽(yáng)得熱系數(shù)和窗戶(hù)傳熱系數(shù)是設(shè)計(jì)與選擇窗戶(hù)的關(guān)鍵。圖1各類(lèi)型窗戶(hù)對(duì)應(yīng)的節(jié)能百分比2、南向窗戶(hù)的太陽(yáng)輻射得熱相當(dāng)可觀圖2給出了采暖季南向窗戶(hù)使用各種不同類(lèi)型窗戶(hù)供熱量，從中看出編號(hào)為7的窗戶(hù)在不同城市使用勻能到達(dá)最正確的效果，這是因?yàn)樗粌H具有低傳熱系數(shù)U=1.87/2K，還具有較高的太陽(yáng)得熱系數(shù)SHG=0.52。與此同時(shí)，編號(hào)為8的窗戶(hù)雖然具有更低的傳熱系數(shù)U=1.

9、70/2K，但由于其太陽(yáng)得熱系數(shù)較低SHG=0.42，用于南向窗戶(hù)時(shí)，反而不比編號(hào)為7的窗戶(hù)節(jié)能。對(duì)于銀川和呼和浩特，由于緯度位置較低見(jiàn)表3，冬季太陽(yáng)入射角較低，南向窗戶(hù)接收到的太陽(yáng)輻射較多，因此在朝南窗戶(hù)中使用太陽(yáng)得熱系數(shù)較大而傳熱系數(shù)也較小的白色中空玻璃窗戶(hù)3和4或三層白色玻璃窗窗戶(hù)5就能到達(dá)較好的節(jié)能效果，窗戶(hù)總的來(lái)說(shuō)不但不失熱，甚至可以得熱。而哈爾濱、烏魯木齊和長(zhǎng)春3個(gè)城市由于緯度位置較高，太陽(yáng)輻射得熱的優(yōu)勢(shì)不如前兩個(gè)城市，這時(shí)，對(duì)窗戶(hù)傳熱系數(shù)的要求就會(huì)高一些，在這些城市的南向窗戶(hù)中使用低傳熱系數(shù)的低輻射鍍膜玻璃窗7，節(jié)能效果就比擬明顯。另外，高反射率低太陽(yáng)透射率的彩色鍍膜玻璃不適用于

10、嚴(yán)寒地區(qū)。如圖2所示，中空茶色玻璃窗窗戶(hù)5的失熱量?jī)H次于白色單玻塑鋼窗，效果很不好，但其傳熱系數(shù)比單玻璃窗低很，造價(jià)也更貴。城市緯度位置表表3城市銀川呼和浩特烏魯木齊長(zhǎng)春哈爾濱緯度30294049434743544541圖2采暖季南向窗戶(hù)能耗而對(duì)于呼和浩特的北向窗戶(hù)，由圖3可以看出，使用低輻射鍍膜玻璃窗窗戶(hù)7與使用三層玻璃窗窗戶(hù)6的窗戶(hù)能耗根本相當(dāng)，可以根據(jù)實(shí)際情況合理選用。圖3呼和浩特南北窗傳熱量比照六、總結(jié)1應(yīng)該引入太陽(yáng)得熱系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)窗戶(hù)熱工通過(guò)以上計(jì)算分析可以看出，太陽(yáng)得熱系數(shù)了是影響窗戶(hù)能耗的重要因素。這點(diǎn)，應(yīng)該引起門(mén)窗消費(fèi)廠家和研究設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。目前我國(guó)窗戶(hù)行業(yè)對(duì)窗戶(hù)的太陽(yáng)得熱性能

11、還不是很重視，門(mén)窗檢測(cè)對(duì)窗戶(hù)熱工性能的標(biāo)定也只限于窗戶(hù)的傳熱系數(shù)。2低傳熱系數(shù)的窗戶(hù)并不一定最節(jié)能對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)，盲目選用低傳熱系數(shù)同時(shí)也是低太陽(yáng)得熱系數(shù)的窗戶(hù)，將造成資金和能源的浪費(fèi)。反之，把窗戶(hù)的傳熱系數(shù)和太陽(yáng)得熱系數(shù)綜合起來(lái)考慮，才能選擇一個(gè)真正合適該地區(qū)的具有優(yōu)越熱工性能的窗戶(hù)。3合理利用太陽(yáng)能特別是南向窗戶(hù)的太陽(yáng)輻射有利于節(jié)約能源窗戶(hù)的太陽(yáng)得熱對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)窗戶(hù)能耗有顯著影響，合理利用窗戶(hù)的太陽(yáng)得熱，特別是南向窗戶(hù)的太陽(yáng)輻射，有利于節(jié)約采暖能耗，節(jié)省開(kāi)支?？傊?，窗戶(hù)的熱工設(shè)計(jì)不應(yīng)該只是被動(dòng)設(shè)防，而要參加主動(dòng)利用能源的設(shè)計(jì)思想。為了減少?lài)?yán)寒地區(qū)采暖供熱的熱損失和能源消耗，應(yīng)充分利用太陽(yáng)能，在進(jìn)展窗戶(hù)節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)不但要重視其傳熱系數(shù)，