住宅窗戶的節(jié)能研究

住宅窗戶的節(jié)能研究

狄洪發(fā)陳亞芹王蘇穎

摘要：窗戶系統(tǒng)的選擇不僅很大程度地影響著建筑能耗，同時顯著影響室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性。制定科學(xué)可行的窗戶能耗等級評價體系，從而合理選擇窗戶材料和設(shè)計窗戶結(jié)構(gòu)，對降低建筑耗能、節(jié)約費用和設(shè)計開發(fā)節(jié)能新產(chǎn)品都具有十分重要的意義。本文通過研究窗戶熱工參數(shù)的模擬計算方法，開創(chuàng)性地定義了表征窗戶節(jié)能效果的兩個參數(shù)：ER和ERC，并根據(jù)典型的建筑平面圖，計算分析了多種因素對建筑節(jié)能的影響，得出了北京和哈爾濱兩個城市的判斷住宅窗戶節(jié)能效果的經(jīng)驗回歸公式，為設(shè)計人員和普通用戶因地制宜地選擇節(jié)能窗戶提供了便捷有效的計算方法。

關(guān)鍵詞：窗戶節(jié)能傳熱系數(shù)太陽得熱系數(shù)

1引言

窗戶是建筑必不可少的組成部分，其長期使用能耗約占整個建筑長期使用能耗的50％，十分可觀，因此窗戶的節(jié)能是建筑節(jié)能的重要突破口。近年來我國窗戶節(jié)能領(lǐng)域出現(xiàn)了很多的新技術(shù)，使得過去品種單一的窗戶不僅變得形式多樣，熱工性能也更為復(fù)雜。此時單憑窗戶的玻璃層數(shù)，或是窗戶的傳熱系數(shù)甚至已知窗戶的所有熱工參數(shù)，也無法衡量不同窗戶在具體使用條件下各自的節(jié)能效果。如何根據(jù)不同地區(qū)的氣象條件，合理選擇窗戶材料、形式以達到最佳節(jié)能，則需要深入研究窗戶的熱工特性從而科學(xué)合理地制定出窗戶節(jié)能效果優(yōu)劣的標準。

住宅窗戶的主要評價參數(shù)有：太陽得熱系數(shù)G、整窗傳熱系數(shù)U和空氣滲透率AL，為綜合考慮這些參數(shù)的影響，建立一套合適標準來評價、區(qū)分各種窗戶產(chǎn)品，本文提出了兩個新的參數(shù)：ER和ERC，并選取19種典型窗戶，分別計算它們應(yīng)用在北京和哈爾濱的不同朝向時的能耗值，線性回歸得到ER和ERC關(guān)于U和G的公式，直觀反映了具體朝向和具體氣象參數(shù)下窗戶的節(jié)能情況。ER和ERC越大，該窗戶的節(jié)能效果越好。

2窗戶的熱工參數(shù)研究

窗戶主要熱性能指標

窗戶的得熱和失熱形式包括：太陽得熱、熱傳導(dǎo)和空氣滲透，相對于這些形式各有對應(yīng)的評價參數(shù)，即太陽得熱系數(shù)G、傳熱系數(shù)U和空氣滲透率AL。

太陽得熱系數(shù)G是指透過窗戶進入室內(nèi)的太陽能量與入射到窗戶外表面的太陽能量的比值。該值越小，窗戶的太陽輻射得熱量就越少。傳熱系數(shù)U定義為：在單位溫差下通過單位面積窗戶所傳遞的熱量。在相同的室內(nèi)外溫差下，U值越低則通過對流傳導(dǎo)傳遞的熱能越少。本文討論的窗戶傳熱系數(shù)，是指整窗的綜合傳熱系數(shù)。

空氣滲透率AL是與窗戶密閉性能有關(guān)的量，以目前國內(nèi)門窗的生產(chǎn)水平，要達到設(shè)計標準要求的密閉等級并不難。根據(jù)國外的研究成果，當窗戶密閉等級符合設(shè)計標準的要求時，它對于窗戶能耗的影響很微弱，所以本文不將其列入研究，默認窗戶的密閉性能達到了設(shè)計規(guī)范的要求。

窗戶熱工參數(shù)的模擬計算

由于不可能對所研究窗戶的熱工參數(shù)一一測試，所以，在本文研究中提出了模擬計算的方法。模擬計算方法是基于玻璃窗的傳熱物理模型，通過計算求得窗戶的熱工性能參數(shù)。

在模擬計算中，一般把窗戶分為三個部分：中心玻璃，邊緣玻璃和窗框。對于窗戶的中心玻璃部分，一維傳熱模型與實際情況已很接近，而窗戶的玻璃邊緣，尤其是雙層窗兩層玻璃邊緣之間的墊片材料的導(dǎo)熱能力比玻璃間氣體層的導(dǎo)熱能力要大很多，產(chǎn)生“熱橋”效應(yīng)，必須采用二維傳熱模型，窗框的傳熱也可近似為一維傳熱。在求得各個部分的傳熱系數(shù)和已知各部分面積的基礎(chǔ)上，對這三個部分的傳熱系數(shù)進行面積的加權(quán)平均，就得到窗戶整體的傳熱系數(shù)。本文應(yīng)用了軟件來計算窗戶玻璃的U值和G值。

窗戶能耗評價體系

目前我國常用的窗戶玻璃的選型依據(jù)是遮陽系數(shù)Sc，Sc的定義是：透過該玻璃的太陽能與相同條件下透過3mm普通透明玻璃的太陽能量的比值。反映了窗戶對陽光的遮蔽效果，Sc越高則透過窗戶的太陽能越多，反之則越少。但這種評價方法有著明顯的不足之處。首先，遮陽系數(shù)Sc只能反映窗戶夏季遮陽節(jié)能，沒有考慮冬季透光節(jié)能，因此很不全面。其次，它不能從長期角度如整個空調(diào)期或供暖期來分析窗戶節(jié)能效果。

文獻(1)中介紹了美國和加拿大的窗戶能耗等級評價體系。雖然這兩個國家的評價體系的計算方法和結(jié)果表現(xiàn)形式都不相同，美國的HR和CR體系是通過動態(tài)模擬計算窗戶的能耗，而加拿大的ER體系則是穩(wěn)態(tài)計算窗戶的傳熱量。但兩者的評價要素都是太陽得熱系數(shù)、窗戶的傳熱系數(shù)和空氣滲透系數(shù)。由此我們可以得到啟發(fā)：綜合考慮太陽得熱系數(shù)、窗戶得熱系數(shù)及滲透系數(shù)是設(shè)計和選擇窗戶得關(guān)鍵。

3建筑能耗計算

計算軟件簡介

為了準確的得到與窗戶有關(guān)的建筑能耗，本文選用了動態(tài)能耗模擬計算軟件DestHousing，對建筑物進行逐時的模擬計算。

DeST是Designer‘sSimulationToolkit的縮寫，中文名為建筑熱環(huán)境設(shè)計模擬工具包。是清華大學(xué)空調(diào)實驗室在十余年的科研成果的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)的面向暖通空調(diào)設(shè)計者的集成于AutoCADR14上的輔助設(shè)計計算軟件。DeST能夠模擬計算建筑在逐時外溫、太陽輻射、室內(nèi)熱擾、長波輻射、鄰室影響等綜合作用下的逐時自然室溫和耗冷耗熱量。

窗戶計算原理

在DeSTHousing中，窗戶在建筑整體的計算中是作為圍護結(jié)構(gòu)的一部分嵌入的，由于DeST是運用狀態(tài)空間法進行傳熱計算，因此窗戶跟墻一樣，要分層并給定溫度節(jié)點，已有的算法認為每片玻璃的中心為一個溫度節(jié)點，根據(jù)這一原則進行分層，列出整個窗戶的熱平衡方程組，在此基礎(chǔ)上將其與整個建筑的熱平衡方程組聯(lián)立，就能進行各種計算。

窗戶的特殊之處在于它不僅是類似于墻的一種傳熱構(gòu)件，還是一種透光構(gòu)件，這一特殊之處表現(xiàn)在整個算法當中就是將窗戶的計算分為兩個獨立的部分：傳熱和導(dǎo)光，兩者的交叉之處在于消光得熱的計算。傳熱部分由窗戶的熱平衡方程組解決，導(dǎo)光部分單獨計算，并把窗戶吸收的熱量放到熱擾矩陣中去。

計算過程

定義表示窗戶節(jié)能效果的參數(shù)：ER/ERC

DeSTHousing雖然可以計算出房間的采暖能耗和空調(diào)能耗，但是房間能耗并不能直觀地反映窗戶的節(jié)能效果。在本文中，定義一種單層透明玻璃窗為基準窗，這個基準窗的具體熱工參數(shù)為：U＝W/m2.℃，G＝。假設(shè)使用這個窗戶時，房間的采暖季全年累計能耗為，而使用某一種窗戶n的房間采暖季全年累計能耗為，房間面積為，窗戶面積，則采暖季累計每平方米窗戶節(jié)省的能耗為：，定義

(1)

由于房間能耗從變化到，除了窗戶改變以外，其它條件均保持不變，故ER反映了該窗戶相對于基準窗的采暖季節(jié)能量。而任意兩個窗戶的ER的差，則反映了它們之間節(jié)能量的差異。ER越大，該窗戶的采暖季節(jié)能效果就越好。

同樣假設(shè)使用基準窗時，房間的空調(diào)季全年累計能耗為，而使用某一種窗戶n的空調(diào)季全年累計能耗為，則空調(diào)季累計每平方米窗戶節(jié)省的能耗為，定義ERC如式(2)，則ERC就是一個可以表征窗戶空調(diào)季節(jié)能效果的數(shù)了。

(2)

在本文以后的計算分析中，就以ER/ERC來計量某一窗戶的節(jié)能效果。

計算條件設(shè)定

本文在接近實際情況的基礎(chǔ)上，取了一個實際塔樓建筑的平面圖，該建筑有四個分別朝向東、西、南、北的房間，每個房間有一扇外窗，且這四個房間除了外窗朝向不同外，其它條件基本一致。圍護結(jié)構(gòu)的材料和參數(shù)取常用值。

通過改變窗戶玻璃的參數(shù)及其玻璃組合，設(shè)定了19種玻璃窗并模擬計算的其傳熱系數(shù)U和太陽得熱系數(shù)G，如表1所示,其中玻璃g4為有色玻璃，g5為低輻射鍍膜玻璃。空氣層厚度是指兩片玻璃之間的空氣層厚度，單層玻璃窗不存在空氣夾層。表1典型玻璃窗結(jié)構(gòu)及其熱工參數(shù)

窗戶編號

玻璃組合①

空氣層厚度

U(W/m2.℃)

G

W0

g1

——

W1

g4

——

W2

g3

——

W3

g7+g7

6

W4

g2+g2

6

W5

g1+g3

6

W6

g3+g3

6

W7

g6+g6

6

W8

g7+g7

12

W9

g2+g2

12

W10

g1+g1

12

W11

g4+g4

12

W12

g1+g3

12

W13

g3+g4

12

W14

g3+g3

12

W15

g6+g6

12

W16

g2+g5

12

W17

g7+g7+g7

12

W18

g2+g2+g2

12

注①:玻璃組合從左到右依次為從室外側(cè)到室內(nèi)側(cè)的玻璃。如g1+g3，表示該玻璃窗g1玻璃朝向室外，g3玻璃朝向室內(nèi)。

4影響窗戶節(jié)能效果的因素分析

以ER和ERC為主要度量參數(shù)，以北京和哈爾濱兩地為例，利用DeSTHousing對建筑樓層、外墻性能、窗墻比、房間大小、內(nèi)部發(fā)熱量和窗戶朝向等可能影響窗戶節(jié)能效果的因素分別做了計算分析。這些影響因素的變化范圍的選取，充分考慮了實際住宅可能達到的變化范圍的上、下限，因此，所得的結(jié)論適用于普通住宅。計算分析結(jié)果表明

對于多層建筑，窗戶在建筑中所處的樓層位置對窗戶ER和ERC的影響不大，一層以上的房間，窗戶ER基本相等。除了底層和頂層房間，中間樓層的ERC也基本相等；

ER和ERC受外墻保溫和蓄熱性能的影響很小，在討論的外墻變化范圍內(nèi)，ER的浮動最大不超過5%，ERC的浮動最大不超過10%，一般情況下浮動在2%左右，所以認為，ER和ERC受外墻保溫和蓄熱性能的影響小到可以忽略，即不管和什么外墻配合使用，每平米窗戶節(jié)省的能耗基本不變；

當窗墻比從15%變化到30%時，絕大部分窗戶在各個朝向的ER值基本保持不變，個別變化幅度大的，變化的絕對值也?。淮皯鬍RC的變化幅度比ER的變化大一些，但基本能保持在5%到10%之間。因此認為窗戶的節(jié)能效果受窗墻比的影響很小，特別是采暖季；

房間大小對窗戶冬季節(jié)能效果的影響很小，可以忽略不計，但是對窗戶空調(diào)季節(jié)能效果的影響比較大，可不可以忽略要視具體情況而定；

房間的內(nèi)部發(fā)熱量大小在住宅可能的范圍內(nèi)變化時，對每單位面積窗戶采暖季或空調(diào)季平均節(jié)能效果的影響并不顯著；

根據(jù)普通居民的開窗習慣，房間通風量對窗戶冬季節(jié)能效果的影響很小，可以忽略不計；而房間通風量對窗戶空調(diào)季節(jié)能效果的影響比較大，能不能忽略要視具體情況而定；

窗戶朝向?qū)Υ皯艄?jié)能效果的影響無論采暖季還是空調(diào)季都比較顯著，對窗戶的節(jié)能研究進行分朝向探討是必要的。

5對北京和哈爾濱的采暖季建立窗戶ER的經(jīng)驗回歸公式

通過上面的分析發(fā)現(xiàn)，表征窗戶采暖季和空調(diào)季節(jié)能效果的量ER和ERC受住宅樓層、外墻保溫性能、窗墻比、以及房間內(nèi)部發(fā)熱量等因素的影響不大，在誤差范圍內(nèi)可以忽略。特別是采暖季，房間大小和通風換氣氣數(shù)對窗戶節(jié)能效果的影響也都小到可以忽略。同時，采暖季不存在遮陽問題，用戶的使用習慣對窗戶節(jié)能效果的影響也很少。因此，窗戶采暖季的節(jié)能效果可以認為只和窗戶朝向、窗戶所在地理位置和窗戶本身的性能有關(guān)。

在窗戶的熱工性能里，影響采暖能耗的主要是保溫隔熱性能、太陽得熱性能和密閉性能。其中，密閉性能對窗戶能耗的影響較保溫性能和太陽得熱性能相比，又小了很多，特別是以目前的技術(shù)水平，要使得窗戶達到優(yōu)良的密閉性能并不難。所以，在本文里暫不考慮窗戶密閉性能對采暖能耗的影響，假設(shè)窗戶的密閉性能都很相近，并達到了較好的水平。由此，在相同氣象參數(shù)下，窗戶采暖季的節(jié)能效果就只和窗戶朝向以及窗戶的保溫性能和太陽得熱性能有關(guān)，即在相同氣象參數(shù)、相同朝向下，窗戶的ER可以表示為窗戶的傳熱系數(shù)U和太陽得熱系數(shù)G的函數(shù)。如果通過動態(tài)模擬計算得到多組窗戶的ER和U與G的關(guān)系，就可以回歸成一個經(jīng)驗公式，用它來預(yù)測某種已知U和G的窗戶的采暖季節(jié)能效果。該回歸公式可以表示為：，其中和是通過量綱歸一得到的無量綱的量，,，G是太陽得熱系數(shù)，原本無量綱。

因為某一窗戶的ER代表了使用該窗戶和基準窗相比，平均每平米窗戶節(jié)省的采暖季累計能耗。如果建立了窗戶的經(jīng)驗回歸公式，就能夠很快地由窗戶的傳熱系數(shù)U和太陽得熱系數(shù)G計算出，從而也就大概知道了該窗戶在整個采暖季平均每單位面積節(jié)省的能耗。當兩個窗戶需要比較節(jié)能效果時，就可以通過它們的U和G方便快捷地計算出各自的，大的窗戶節(jié)能效果好，從而解決了已知窗戶的熱工參數(shù)，但如果不做具體的能耗模擬計算，就無法評價該窗戶節(jié)能效果的問題。也避免了單憑傳熱系數(shù)U來選擇窗戶可能出現(xiàn)的失誤。當然，由于前面所討論的各個影響因素的存在，利用經(jīng)驗回歸公式計算得到的值可能和實際值有一定的差異，但是，上面的討論結(jié)果和以下的檢驗結(jié)果都證明這個誤差不會太大。更重要的是，窗戶按照經(jīng)驗公式計算的值的大小進行節(jié)能等級排序的結(jié)果，和按照實際模擬計算得到的值的大小進行節(jié)能等級排序的結(jié)果是一致的。

從物理意義上講，一定和和G的一次項相關(guān)，因此可據(jù)此選定回歸公式的模型，再通過多元線性回歸統(tǒng)計檢驗方程和模型參數(shù)估計值的可靠性。從而分別得到北京地區(qū)采暖季窗戶的節(jié)能效果的回歸公式

北：

西：

東：

南：

以上四個回歸公式中，表征了哈爾濱采暖季窗戶的節(jié)能效果越大，該窗戶采暖季的節(jié)能量越大。四個回歸公式中，的系數(shù)都為負，的系數(shù)都為正，這符合北京冬季窗戶的節(jié)能量隨著的增大而減小，隨著的增大而增大的物理意義。

同理，對哈爾濱地區(qū)采暖季窗戶的節(jié)能效果有回歸公式

北：()

西：()

東：()

南：()

以上四個回歸公式中，表征了哈爾濱采暖季窗戶的節(jié)能效果,越大,該窗戶每單位面積節(jié)省的累計采暖能耗就越多，節(jié)能效果越好。四