建筑外窗对建筑节能影响的分析

1我国炎热地区外窗性能对建筑节能影响的分析黄夏东（福建省建筑科学研究院350025）[提要]本文通过计算机动态模拟技术分析了我国炎热地区建筑外窗对室内热环境的影响，提出炎热地区节能窗选择的建议。[关键词]外窗，室内热环境，建筑节能。TheinfluenceofbuildingouterdoorsandwindowsandtheirglassonenergyefficiencyinbuidingsHuangxiadong（Fujianacademyofbuildingresearch350025）AbstractThispaperanalyzedtheexternalwindow’seffectonindoorthermalenvironmentofresidentialbuildingsinchinahousummerzonebydynamicsimulationtechnologyofcomputer,putformardtheproposalforoptionofsavingwndows.Keywordsexternalwindow,indoorthermalenvironment,energyefficicecyofresidentialbuildings.普通窗户的保温隔热性能比外墙差得多，夏季白天通过窗户进入室内的太阳辐射热随窗面积增大而增大。在炎热地区（即夏热冬暖地区）居住建筑总能耗中，空调能耗占了主要部分，因此，我们尤要注意外窗性能对建筑能耗和节能的影响。本文通过计算机动态模拟技术，计算分析了炎热地区典型城市建筑外窗对室内热环境的影响，表明该地区通过外窗进入室内的热量（包括温差得热和辐射得热）占室内总得热量的相当大部分，成为影响夏季空调负荷的主要因素，是建筑节能的关键；建筑使用各种不同类型的节能窗产品，如断热铝合金窗、PVC塑料窗、热反射镀膜玻璃窗、透明中空玻璃窗和LOW-E中空玻璃窗等，使得夏季通过窗户进入室内的太阳辐射得热和温差得热不同程度地降低，起到了节能作用。本文同时提出炎热地区选择外窗的看法和建议。1计算机动态模拟分析对象和计算条件1.1计算机动态模拟软件和计算条件选取1.1.1本文利用热反应系数法建立了模拟单间建筑动态数学模型，并编制成计算机模拟程序－STCP。编制程序时考虑了窗的遮阳系数和通过窗户进入室内的太阳辐射得热。使用该程序主要研究夏季外窗对房间能耗和节能的影响。为使问题具有普遍性，本文选择炎热地区常规的住宅房间(位于顶层的最西边)为研究对象，如图1所示。该房间屋顶为砼板加隔热层结构，传热系数K＝1.82w/m2·k；东、西、南、北墙为190mm粘土空心砖墙，其中：外墙K＝1.82w/m2·k，内隔墙K＝1.60w/m2·k；地板为砼板结构，K＝3.10w/m2·k。室温设定tn＝26±0.5℃。假设房间无人居住、不使用电器和无空调新风，换气次数n＝1.0次/h。气象数据选取炎热地区福州市1983年8月1日～5日逐时的气温、相对湿度、水平太阳辐射值(直射和散射)、风速和地表温度。8月5日这空调机备注：层高3.0m南窗图1房间平面图2一天，最高气温ta=36℃，水平太阳辐射日总量Ih=2.39kJ/cm2,平均风速V=2.4m/s,具有代表性。在选择不同节能窗型和不同窗墙面积比条件下，模拟计算分析房间得热和空调冷负荷变化。本文设定普通5mm厚透明玻璃铝合金窗（传热系数K＝6.0w/（m2·k），遮阳系数SC＝0.9，详见表3）作为基准窗型，窗户基本尺寸变化列于表1。表1窗户基本尺寸变化（单位m）1.1.2本文用美国老伦斯伯克力国家实验室开发的DOE－2软件，对炎热地区一座六层建筑物进行了计算分析，主要研究外窗对整幢建筑物的能耗和节能影响。本文假设把该建筑物是否采取节能措施分别定义为基础建筑物和节能建筑物，条件见表2。1.2取9种窗型作为计算对象，窗型编号为№1，№2，№3，№4，№5，№6，№7，№8，№9，其性能见表3。№1为基准窗，№2～№9为节能窗。表2基础建筑与节能建筑指标1.3在用DOE-2软件分析中我们定义了居住建筑综合窗墙比CZ参数，即居住建筑各朝向外窗总面积与外墙总面积（含窗面积）的比值，CZ与通常说的各朝向窗墙面积比概念有所不同，如本文选取的基础住宅，南墙窗墙面积比为0.42，北墙为0.3，东、西墙为0.15，通过计算，它的综合窗墙面积比CZ为0.3。表3各种窗型性能表2模拟计算分析结果2.1夏季外窗对单间房间的能耗和节能影响2.1.1通过窗户进入室内的热量（包括温差得热和辐射得热），占室内总得热量的相当大部分，成为影响夏季空调负荷的主要因素。如南向窗墙面积比CZ=0.327时，通过普通铝合金窗室内得热占房间总得热42.9%，PVC塑料窗占41.6%，透明中空玻璃铝窗占38.2%。当CZ=0.6时，以上三种窗型得热占房间总得热分别提高到60.1%、58.8%和54.6%。2.1.2随着窗面积(窗墙面积比)增大，通过窗得热急剧增加，空调冷负荷也随之急剧增加。如南向窗墙面积比Cz从0.327增加到0.6，铝合金窗房间冷负荷增加32.4%，PVC塑料窗房间冷负荷增加30.1%，热反射镀膜玻璃铝窗房间冷负荷增加24%。Cz增加到1.0，上述窗型房间冷负荷分别增加74.8%、71%和60.1%.2.1.3通过窗户进入室内的热量，包括室内外温差得热和太阳辐射得热两部分，而太阳辐射得热是窗的总得热的主要部份，如南向窗墙面积比Cz＝0.327时，普通铝合金窗太阳辐射得热是温差传热得热的3.1倍，PVC塑料窗太阳辐射得窗尺寸高×宽寸(高x宽)m1.8x1.81.8x2.51.8x3.33.0x2.63.0x3.3窗墙面积比Cz0.3270.4550.60.7881.0基础建筑物节能建筑物屋顶传热系数K＝1.8传热系数K＝1.0外墙传热系数K＝2.47（180mm粘土实心砖）K＝2.0和1.5分别为240mm粘土实心砖和加保温层240mm粘土空心砖采暖设备EER=1.0EER=2.2空调设备EER=1.5EER=2.7室内温度夏季26℃，冬季16℃夏季26℃，冬季16℃外窗传热系数普通铝合金窗K＝6.0（w/m2•k）SC=0.9各种节能窗型注：本表中传热系数K单位为（w/m2•k）窗型编号名称传热系数Kw/m2·k遮阳系数SC№.1普通铝合金窗（5mm白玻）6.00.9№.2PVC塑料窗（5mm白玻）4.70.9№.3热反射镀膜玻璃铝窗6.00.5№.4热反射镀膜玻璃PVC塑料窗4.70.5№.5透明中空玻璃铝窗4.00.8№.6透明中空玻璃铝窗（断热型材）3.00.8№.7透明中空玻璃PVC窗2.70.8№.8LOW-E中空玻璃铝窗3.50.3№.9LOW-E中空玻璃铝窗（断热型材）2.40.33热是温差传热得热4.3倍，热反射镀膜玻璃铝窗太阳辐射得热是温差传热得热1.9倍。2.1.4使用节能窗能不同程度降低室内冷负荷，尤其使用热反射镀膜玻璃窗和Low—E中空玻璃窗，与使用普通铝合金窗相比，冷负荷降低较多。如№3窗（热反射镀玻璃铝窗）降低了12.4%，№8窗（Low-E中空玻璃铝窗）降低了21.9%。2.1.5Low—E中空玻璃铝窗，由于它具有很低的遮阳系数和传热系数，是高性能节能窗；其次是热反射镀膜玻璃窗，尽管它传热系数同普通铝窗相同，但它的遮阳系数较低，节能效果仅次于Low—E玻璃窗；透明中空玻璃铝窗性能居中；PVC塑料窗抵御太阳辐射得热能力同铝窗一样，但它传热系数低一些，因此节能效果稍胜铝窗，但比前三种节能窗型均差。2.1.6表4给出了在不同南向窗墙面积比时，采用不同窗型房间的冷负荷变化、房间冷负荷q0与南向窗墙面积比CZ关系式。经分析，q0与CZ有很好的线性关系，相关系数均在0.9896以上。表4q0与CZ关系表窗型房间冷负荷q0W/m2q0与CZ关系CZ=0.327CZ=0.455CZ=0.6CZ=0.788CZ=1.0关系式相关系数R№146.152.660.770.080.6q0=29.429＋51.374*CZ0.9998№244.550.657.966.776.1q0=29.281＋47.128*CZ0.9997№340.445.250.156.664.7q0=28.72＋35.773*CZ0.9997№542.648.654.962.270.9q0=29.414＋41.681*CZ0.9995№641.648.354.660.767.9q0=30.325＋38.321*CZ0.9951№836.038.141.346.449.7q0=28.825＋21.253*CZ0.9957№935.137.339.544.646.7q0=29.154＋18.116*C20.98962.2外窗对整幢建筑物的能耗和节能影响用STCP软件对单间房间模拟计算和DOE-2软件对整幢建筑物模拟计算得出的结果，基本上是一致的，但DOE-2软件用全年气象数据模拟计算，因此它反映出的建筑物能耗节能规律更深入全面。2.2.1通过DOE-2软件计算分析表明，当一建筑物屋顶与外墙热工性能、采暖空调设备能效比、换气次数及朝向均保持不变，且采用同一窗型时，建筑物采暖空调能耗P与综合窗墙面积比CZ有很好的线性关系，节能率η与CZ也有很好的线性关系，其相关系数R值很高，当观察次数为7时，R均大于0.97，大部分在0.99以上。图2、图3分别表示福州和广州的η－CZ关系曲线。建筑物节能率η＝（建筑年能耗即全年采暖和空调能耗）2.2.2图2表明福州建筑物外墙传热系数K1.5时，节能率η和综合窗墙比CZ的关系。从图中可以看出，在保证一定节能率的前提下，外墙的窗墙面积比变化时，建筑物对外窗的要求也不同。如：外墙K＝1.5w/m2•k的建筑物，当窗墙面积比CZ=0.25时，窗型选择范围可从№4～№9。当窗墙面积比CZ=0.45时，窗型选择范围可从№8和№9。由此可见，外窗窗型的选择受到窗墙面积比的影响，控制窗墙面积比，能增加外窗窗型品种的选择范围。基础建筑年能耗－节能建筑年能耗基础建筑年能耗42.2.3炎热地区随着纬度的变化，其外窗对建筑室内热环境的影响也不同，从图2、图3可以看出，福州与广州的η－CZ关系曲线图明显不同，图3中SC相同的直线非常靠拢，图2中没有这个现象，说明：（1）纬度较高地区，如福州，外窗的传热系数K值和遮阳系数SC值同时影响建筑物的能耗和节能率。（2）纬度较低地区，如广州，年平均气温比福州高，夏热冬暖特征更明显，外窗K值对耗能和节能率影响逐渐减少，而遮阳系数SC起了主要作用。3炎热地区外窗选择的看法和建议3.1建筑窗墙面积比，应有所限定。3.2纬度较高地区如福州，在选择外窗产品时，要综合考虑传热系数K值和遮阳系数SC值。3.3纬度较低地区，如广州，在选择外窗产品时，主要以外窗遮阳系数SC作为选择的依据。3.4应积极推广使用节能窗，尤其要注意使用遮阳系数SC低的节能窗。在经济条件许可时，应有针对性地选择使用热反射镀膜玻璃窗，透明中空玻璃窗，Low-E中空玻璃窗等节能窗。3.5在炎热地区窗型材料选择同窗玻璃选择相比，窗玻璃选择更重要。窗型材料选择时应注意性能价格比较。3.6提倡在窗户外采用各种固定式或活动式遮阳措施，进一步提高窗户的遮阳效果。在建筑外形允许的情况下，东西朝向窗，尽量选用建筑外遮阳措施。总之在炎热地区选择外窗，不能只注重外窗的传热系数，还应看到外窗的遮阳系数SC对该地区建筑节能起到了至关重要的作用。生产企业在生产外窗时，要更多地注意其遮阳的性能，使之适合于炎热地区使用。0102030405060708000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Czη（％）№1№2№3№4№5№6№7№8№9图2福州地区η－CZ关系曲线（重质墙体K=1.5D≥3.0）0102030405060708000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Czη（％）№1№2№3№4№5№6№7№8№9图3广州地区η－CZ关系曲线（重质墙体K=1.5D≥3.0）参考文献[1]赵