（材料学专业论文）重庆地区居住建筑外窗的节能设计研究.pdf

中文摘要 摘要 建筑节能是建筑可持续发展的重要内容，也是当今世界的潮流和需要。随着 经济迅速发展和人们生活水平不断提高，居住舒适性空调建筑迅速得到普及，空 调能耗大幅度增加。我国是个缺能大国，空调高能耗势必制约地区的经济发展和 人民生活水平的提高。如何通过改善建筑围护结构热工性能，降低建筑能耗成为 急需研究的谋题。 外窗、墙体、屋面、地面是建筑围护结构的四大部件，其中外窗的保温、隔 热性能最差，通过外窗损失的热量最大。因此，外窗是影响建筑能耗的主要因素 之一，对外窗采取节能措施是建筑节能的重要手段。 本文的研究思路为：调查重庆地区的建筑外窗使用现状一分析窗户的结构组 成材料一理论分析窗户相关性能与建筑能耗的关系一计算机模拟分析窗户性能与 建筑能耗关系对重庆地区的外窗节能设计提出有效的措施和建议。 首先，作者对重庆地区住宅建筑外窗使用现状进行了实际调研，调研发现， 该地区既有建筑的外窗设计对建筑节能非常不利，能耗巨大。新建项目虽然有所 改善，但由于市场的驱动等原因，开窗面积大、使用不节能窗材料的现象依然普 遍存在。 本着对窗户的组成材料与窗户结构进行全面分析了鼹的基础上，分析了建筑 外窗热工性能与构造对建筑空调能耗的影响，提出了居住建筑节能窗的选择方法。 接着，论文找出了外窗对建筑能耗影响的相关因素，并阐述了建筑遮阳技术在该 地区的应用。 接着，论文运用能耗模拟软件d o e 2 1 n ，模拟计算并分析了外窗的主要性能( 包 括窗墙面积比、窗户的传热系数k 值、窗户的遮阳系数以及外窗的朝向) 与建筑 空调能耗之间的关系，并借助正交试验的方法确定了几种因素对能耗影响的主次 顺序：窑户传热系数k 值 窗墙面积比 朝向 遮阳系数。同时，论文用理论计算的 方法找出了时下非常流行的凸窗与相应的建筑能耗之间的关系。 最后，论文针对重庆地区的气候特征，对重庆地区的外窗节能设计提出有效 的措施和建议，为建筑设计师提供简单、直观的外窗节能设计方法。并选取一实 际工程进行外窗的节能优化设计。 本文研究成果对于窗户的节能材料及产品的理论是一种补充，也在一定程度 上为建筑外窗设计科学化和准确性提供了依据。 关键词：外窗节能，窗户结构，影响因素，模拟计算，节能设计 英文摘要 a b s t r a c t b u i l d i n ge n e r g ye f f i c i e n c yi sn o to n l yt h ei m p o r t a n tc o n t e n to f b u i l d i n gs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t ，b u ta l s ot h et r e n da n dn e e do fw o r l d w i t hr a p i dd e v e l o p i n go f e c o n o m i e sa n du p g r a d i n go fq u a l i t yo fl i f e c o m f o r t a b l ea i rc o n d i t i o n i n gb u i l d i n g sa 豫 q u i c k l yp o p u t a r i z e d ，w h i c hl e a d st ow i d e - r a n g ei n c r e a s eo fa i rc o n d i t i o n i n ge n e r g y c o n s u m p t i o n a s 趾e n e r g y - h u n g r yd e v e l o p i n gc o u n t r y , h i g ha i rc o n d i t i o n i n ge n e r g y c o n s u m p t i o nw i l lc e r t a i n l yc o n f i n et h er e g i o n a le c o n o m i c a ld e v e l o p m e n ta n dr e s ( r i e t i n c r e a s eo fp e o p l e sl i v e ss t a n d a r d t h u si m p r o v i n gt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so fb u i l d i n g e n v e l o p ec o n s t r u c t i o nb e c o m e sh o ts u b j e c t sw h i e l an e e dt ob es e t t l e da sq u i c k l y 勰 p o s s i b l e t h ew i n d o w ，w a l l ，r o o fa n df l o o ra r et h ef o u ri m p o r t a n tp a r t so f b u i l d i n ge n v e l o p e c o n s t r u c t i o n - a n dt h ew i n d o wh a st h ew o r s tc a p a c i t yo fk e e p i n gw a l 3 3 1a n di n s u l a t i n g a g a i n s th e a t f i 叼r aw h i c h t h e r ea r em o s tl l e a tl o s i n g t h u st h ew i n d o wi so n eo f t l a em o s t i m p o r t a n tf a c t o r so f b u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n i t st h em o s ti m p o r t a n ti n s l a u m e n tt o b u i l d i n ge n e r g ye f f i c i e n c y , t a k i n gs o m em e t h o d so f e n e r g ye f f i c i e n c yt ow i n d o w s t h ed u eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni s ：i n v e s t i g a t i n gt h eu s eo fb u i l d i n g sw i n d o wi n c h o n g q i n g ；a n a l y z i n gt h ee f f e c tw h i c ht h es t r u c t u r a lm a t e r i a l so fw i n d o wg i v e st ot h e b u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n ；a n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i po f p e r f o r m a n c co f w i n d o wa n d t h eb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n ；a n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i po f l 】e r f o r m a n e eo f w i n d o w a n dt h eb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nw i mc o m p u t e rs i m u l a t i o nm e t h o d ；g i v i n gs o m e e f f e c t i v em e a s w ea n da d v i c et ot h ee n e r g ye f f i c i e n c yw i n d o wd e s i g ni nc h o n g q i n g f i r s t l y ，t h ea u t h o ri n v e s t i g a t e dt h eu s e ：s t a t u so fb u i l d i n g sw i n d o wi nc h o n g q i n g n o wa n df o u n dt h a ts om u c hw i n d o wd e s i g nt o o ks o m ed i s a d v a n t a g e st ot h eb u i m d i n g e n e r g ye f f i c i e n c y ，a n dt h e r ew e r el a r g ee n e r g yc o n s u l n p t i o l l a l t h o u g hs o m en e w b u i l d i n g sw e r eb e t t e r ，5 0 m ep h e n o m e n aw i t hb i gw i n d o wa n du s i n gm a t e r i a l sw h i c hi s n oe n e r g ye t t i e i e n e ye x i s ta tl a r g ef o rt h em a r k e t a b l ed r i v i n g b a s e do nt h ec o m p l e t ea n a y 血go ft h es t r u c t u r ea n dm a t e r i a l so fw i n d o w , a n a l y z e dt h ee f f e c to fw i n d o w st h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds l l u e t u r ew i t ht h eb u i l d i n g e n e r g yc o n s u m p t i o n , a n dt o o ks o m ea d v i c et oe l a o o s et h ee n e r g ye f f i c i e n c yw i n d o w t h e n ，t h ea u t h o rl o c a t e ds o m er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw i n d o w sa n db u i l d i n ge n e r g y c o n s u m p t i o n , t h o u g he x p o u n d e dt h ea p p l i c a t i o no f s u m h a d et e e l m o l o g yi nt h i sa r e a i r 重庆大学硕士学位论文 m o r e o v e r ，t h ea u t h o ra n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew i n d o w sp r i m a r y p e r f o r m a n c e ( a r e ar a t i oo fw i n d o wt ow a l l ，w i n d o wh e a tt r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n t , s u n s h a d ec o e f f i c i e n ta n do r i e n t a t i o no f w i n d o w s ) a n dt h eb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n w i t hc o m p u t e rs i m u l a t i o ns o r w a r ed o e 2 i n a n dm a d e ：田舭t h ei m p o r t a n c eo ft h e m t h a ti s ：w i n d o wh e a tt r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n t a r 龃r a t i oo fw i n d o wt ow a l l o r i e n t a t i o no f w i n d o w s s u n s h a d ec o e f f i c i e n t a n dt h ea u t h o ra n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nb a yw i n d o wa n dt h eb u i l d i n ge n e r g yc o i i s u l n p t i o l lw i t ha c a d e m i cm e t h o d a tl a s t , a c c o r d i n gt ot h el o c a lc l i m a t i cf e a t u r e s ，g a v es o m ee f f e c t i v ei n o a s u r ea n d a d v i c et ot h ef f l l e l g ye f f i c i e n c yw i n d o wd e s i g ni nc h o n g q m g , b r o u g h tt h eb u i l d i n g d e s i g n e r s s o m es i m p l ea n di n t u i t i o n i s t i cl i i e a s u r ef o rw i n d o w d e s i g n t h ec o n s e q u e n c e so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ek i n do fr e p l e n i s h m e n to fw i n d o w s e n e r g ye f f i c i e n c ym a t e r i a lt h e o r i e sa n dc o n t r i b u t ep r o o f sf o rs c i e n t i f i ca n da c c u r a t e d e s i g no f b u i l d i n g sw i n d o w k e y w o r d s ：w i n d o we n e r g ye f f i c i e n c y , w i r l d o w $ s t r u c t l l r e , i n f l u e n c ef a c t o r s , s i m u l a t i o nc o m p u t i n g , d e s i g no f w i n d o we n e r g ye f f i c i e n c y i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：前诱 签字日期： 矽7 年，月刀日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：习诱 导师签 签字日期：川年厂月罐日 签字日期：刀年r 月多轴 i 绪论 i 绪论 1 1 课题的研究背景 1 。1 1 建筑节能 2 0 世纪7 0 年代初石油危机出现以后，能源问题引起世界各国重视，纷纷进行 研究，采取对策，但至今尚未根本解决。同时，世界能源总消耗量随着经济的发 展，消费的飞速增长而有增无减，常规能源的资源已经面临枯竭。加之资源分布 的不均衡( i l ，严竣的形势促使人们意识到能源问题的严重性和长期住。 节约能源与开发新能源成为解决能源问题的有效途径，但由于种种原因，新 能源的开发在短期内难于缓解当前的能源问题。于是，许多国家把注意力集中在 常规能源的节约上，也取得了明显的效果。“节能”已经被称为除煤炭、石油、天 然气、核能之外的第五大能源【2 】。 在全世界日益增长的能源消耗中，无论是工业发达国家还是发展中国家，建 筑能耗均是国家总能耗中比较重大的一项。发达国家的建筑能耗一般占其全国总 能耗的三分之一左右【3 1 。 建筑能耗包括建材生产、建筑施工、建筑日常运转及建筑拆除等项目的能耗。 而狭义的建筑能耗，即本课题中研究的建筑能耗主要是指其中比重最大( 约占8 0 以上) 的建筑日常运转能耗：主要为采暖、空调、热水、照明、电器等用能。 在能源危机出现之前，包括发达国家在内的许多国家，由于对能源问题的严 重性认识不足，在建筑上都存在不同程度的能源浪费。并且，随着各国工业化和 人民生活水平的提高，民用建筑的发展，尤其是居住建筑的发展，建筑能耗的比 重会越来越大。因此许多国家都把建筑节能尤其是降低建筑日常运转耗能作为节 能工作的重点【4 】。 由此可见，建筑节能是全社会节约能源的重要组成部分，而居住建筑的节能在 建筑节能中又占有较大比重。目前我国住宅使用能耗占全国总能耗的2 0 左右， 从能源消耗看，住宅使用能耗为相同气候条件下发达国家的2 3 倍【5 l 。 1 1 2 建筑外窗节能 在建筑围护结构的外窗、墙体、屋面以及地面四大围护构件中，外窗的绝热 性能最差；加之具有开关构造，密封性较低；透明的窗户玻璃，能够直接透射太 阳辐射热，这就使建筑夕 窗成为建筑能耗的主要部位。尽管外窗面积一般只占建 筑外围护结构表面积的i 4 i 5 左右，但在多数建筑中，通过窗户损失的能耗往 往占到建筑围护结构的5 0 以上嘲。因此，窗户的保温隔热性能以及气密性能等对 建筑能耗有重大的影响。从建筑本身或建筑节能来说，窗户节能的发展对建筑发 重庆大学硕士学位论文 展以及能源的有效利用有着举足轻重的作用。 另一方面，建筑外窗作为建筑的“眼睛”，必须兼顾采光、通风以及日照的要 求。并且随着人们生活质量和观念的改变，对室内空间质量与室外景观的要求日 益增高，同时还有对建筑立面设计的考虑，追求大面积的建筑开窗成为一种时尚。 当然，这种通透、宽敞、明亮的效果也对窗户自身的节能性能提出了更高的要求。 1 1 3 国外建筑节能与外窗节能的发展概况 国外对于建筑节能方面的研究比我国开始得早，尤其是美国、英国、日本等 发达国家对于建筑节能方面的研究和应用都远远地走在前面。从2 0 世纪7 0 8 0 年代起，“能源危机”的冲击就迫使欧美等发达国家开始注重建筑能耗系统方面 的研究，政府也开始注重制定能源方面的法律规范，由此产生了能源审计服务i “。 随着人们对环境问题的日益重视，以及可持续发展理念在现代建筑设计中的体现， 绿色建筑、可持续建筑、高性能建筑逐步产生。在美国有“节能之星”标准( e n e r g y s t a r ) ，这个标准的实施已经有l o 年了。它比美国“标准能源法案”( m o d e le n e r g y c o d e ) 要求节能3 0 。通过这套标准的实施，在不增加初期投资的前提下可以节 省3 0 5 0 能源消耗，可以节省5 0 的建造时间。这些标准或评估体系极大地 刺激了建筑能源服务市场。因为它们不仅仅提供了一个权威的规范，有政府的政 策扶持，而且因为有了这些标准，便创造出一种好的氛围，从而激励了具有创新 意义节能技术的发明和新型节能建材的开发p 】。 建筑节能包括提高建筑围护结构的热工性能和采暖空调设备的能源利用效 率，而重点是前者，改善建筑物的保温隔热性能。国外一致认为在建筑节能的各 项措施中，改善隔热、保温性能，是最主要的措施。它主要是以隔热材料( 导热 系数0 2 ) 作为建筑外围护材料，从而可起到一定的节能效果，因此各国都对隔 热材料的生产与研制十分重视。 国外发达国家积极推进节能窗的生产和使用。以德国、法国、意大利等为代 表的西欧国家大量使用塑料p v c 材料作为窗框材料【9 】。其门窗市场上，虽然木窗、 铝合金窗、塑料窗仍将长期共存，但塑料门窗的占有率达4 0 。作为塑料窗发源 地的德国，塑料窗的市场占有率已达5 4 。美国节能窗种类很多，其中以p v c 加 木芯组合成高级节能门窗为最多，并兼顾发展铝合金型材的节能窗，其次还有新 发明的木纤维复合材料f i b r e x 高级节能窗等【l o 】。日本与中国台湾地区主要采用以 铝合金断桥为主的节能窗，也兼顾使用p v c 材料复合而成节能窗。上述节能窗几 乎1 0 0 使用高级中空玻璃，并实现了中空玻璃多功能化。还可在中空玻璃内侧 喷涂防爆材料，起到防盗效果。内侧喷涂热反射高热阻透明材料，使中空玻璃热 传导指数达到k _ 2 2 2 5 w m 2 k f ”j 。 2 1 绪论 北美国家如美国、加拿大等，居住建筑中别墅所占比例较大，比较突出个性 化，但其窗洞口形式却很单一，以狭长为特征，适合上下提拉窗型，1 个窗洞口装 1 个提拉窗，1 个房间常设计2 个窗洞口，很少采用组合提拉窗。提拉窗开启面积 虽然也只有1 2 ，与左右推拉窗相同，但有完全不同的通风效果。美式建筑普遍采 用的另一种窗型为手摇平开窗。它具有高密封性，并可使用简便的固定纱窗。北 美的建筑特征造就了这两种窗型的大量发展，形成了美式窗的独特体系【1 2 1 。 由于国外发达国家的建筑节能工作开展得早，节能窗的研究和应用已经取得 了十分有效的成就。人们对节能窗的要求也越来越高，使节能窗呈现出多功能、 高技术化的发展趋势。其次，鉴于建材工业生产的耗能巨大，这方面的节能问题 也普遍引起了人们的关注。在材料生产中，大量采用工业废料，是降低建材生产 能耗的有效措施【”】。 1 。1 4 国内建筑节能与外窗节能的发展概况 我国建筑节能工作与发达国家 相比起步较晚，建筑能耗十分严重， 图1 1 直观的显示了我国建筑能耗 与社会总能耗的关系变化图。与发 达国家相比，我国目前的节能水平 仍有一定的差距：我国门窗的保温 性能总体水平与国外有较大差距， 欧美国家窗户传热系数k 值多数 心0w m 2 k ，有的达到1 1 1 2 w m 2 k 。如德国柏林为1 5 麓倦i 瑟嚣嘉j 嫠“辅h “朋“”柏 图1 1 中国建筑能耗与总能耗关系变化图1 q f i g 1 1r e l a t i o n s h i p o f t o t a l e c a n d a e c w r n 2 k ，瑞典南部为2 5w l r t 2 k ，气候与北京相近的美国地区为2 0 4w m 2 k ， 中国北京为3 5 w m 2 k 。我国门窗单位能耗为发达国家的1 5 2 2 倍，门窗空气 渗透为3 6 倍。而标准上的差距是建筑节能实际水平差距的根本原因【1 5 】。 根据符向桃等人2 0 0 3 年8 月对湖南省长沙市的调查，结果更让人堪忧。调查 统计结果表明：建筑中使用推拉窗7 3 ，平开窗4 8 ，固定窗占1 9 2 ，左右推 拉窗是设计使用的主要窗型；使用铝合金材料的占8 8 2 ，塑钢材料8 2 ，木材 2 6 ，其它材料占l ，铝合金是窗框的主要用材；使用镀膜玻璃1 4 6 ，普通白 玻6 3 5 ，普通茶、绿或蓝玻1 8 8 ，中空玻璃0 8 ，普通白玻成为窗玻主要用 材；使用5 m m 、6 m m 单层玻璃占9 6 。在所调查范围内，带真正节能意义的建筑 玻璃窗的比例不到1 【1 6 】。 2 0 0 5 年建设部组织的全国建筑节能实施情况调查，重点对2 0 0 0 年以来建筑节 能设计标准颁布后的居住建筑节能设计标准的实施情况。通过对部分省市调查结 3 重庆大学硕士学位论文 果的初步分析，2 0 0 0 年2 0 0 4 年，总体来说全国各气候区，按节能标准建造的项 目为2 3 2 5 ，在寒冷和严寒地区为3 0 6 1 ，夏热冬冷地区为1 4 ，3 6 ，夏热冬暖 地区为1 1 2 0 。调查结果表明，达到节能设计标准要求的建筑比例较低，形势不 容乐观。我国城乡建筑房屋每年以2 0 以上的速度发展，年竣工面积为2 0 亿平方 米，其中9 0 以上为高能耗建筑；全国既有建筑为4 0 0 亿平方米，9 5 以上为高能 耗建筑j 。 在我国，建筑节能工作于2 0 世纪8 0 年代始于北方，1 9 8 7 年9 月2 5 日原城乡 建设环境保护部、国家计委、国家经委、国家建材局以( 8 7 ) 城设字第5 1 4 号文，下 达了“关于实施民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) 的通知”，正式提出 了要在1 9 9 5 年以前达到，采暖居住建筑在1 9 8 0 - - - 1 9 8 1 年当地通用设计能耗水平 的基础上节能3 0 ，这就是“八五”期间已经全面实现的建筑节能第一步的工作目 标。1 9 9 5 年，发布修订后的民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) ，规 定“三北”地区节能5 0 目标；1 9 9 6 年9 月，建设部召开全国建筑节能工作会 议，发布建筑节能“九五”计划和2 0 1 0 年规划和建筑节能技术政策，开 始全面推动建筑节能工作；1 9 9 8 年1 月，中华人民共和国节约能源法颁布： 1 9 9 9 年1 2 月全国建筑节能工作座谈会，全面部署“十五”建筑节能工作，把夏 热冬冷地区列为建筑节能工作重点；2 0 0 1 年，发布j g j l 3 4 2 0 0 1 夏热冬冷地区 居住建筑节能设计标准；2 0 0 2 年重庆市发布重庆市建筑节能设计标准 ( 5 0 2 4 - 2 0 0 2 ) 1 引。 也就是说，直到9 0 年代末建筑节能工作才在夏热冬冷地区以及夏热冬暖地区 真正开始。但由于在气候条件、文化风俗和生话习惯上的差异，不能将北方地区 的建筑节能研究成果与实践经验照搬到其他地区，并且应根据不同的气候条件， 选择不同的侧重点，例如夏热冬冷地区由于夏季炎热且时间长，应侧重在夏季防 热，并应兼顾冬季保温。 我国由于地理及气候环境的影响、城乡经济两极化较明显，东西部经济发展 状况差别大，形成了多样化的建筑设计，且建筑水平参差不齐。建筑门窗也随之 多样化既有欧式窗，也有美式窗，又有非欧、非美的中国特色窗。窗洞口尺寸普 遍大于欧美建筑，小则1 5 r e x1 5 1 1 1 ，大则2 4 m x 2 4 m ，为增加立面变化，圆弧窗、 柱面窗、凸形窗层出不穷，形成了窗型多、组合窗多的特点，致使门窗组装、安 装难度增大，门窗性能要求区别也比较大，但对窗套装饰不甚重视。 对于节能窗框材料的选用方面，我国目前的门窗市场，大部分采用的是塑料 窗和铝合金窗。塑料门窗由于在价格方面具有优势，在近几年来普及推广的速度 明显加快。但有关专家指出，在目前的产品情况和生产单位的技术条件下，高风 压地区的高层建筑应慎用塑料窗。此外，从环保的角度考虑，塑料门窗存在回收 4 1 绪论 较困难的情况。塑料门窗既不能焚烧，又不宜掩埋，并且塑料窗在锯切时会放出 有毒烟雾，燃烧时放出有毒气体“二恶英”，属于不环保产品。目前，德国和丹麦 等国家已规定，在公共建筑和医院不得使用塑料门窗。因此，我国推广使用塑料 门窗时，还应该全面考虑，慎重应对。除塑料门窗外，在我国节能门窗市场上， 另一主流门窗即铝合金门窗。这种门窗通过隔热断桥克服了铝导热快等弱点，并 能够为广大的消费者接受。据相关调查，铝合金隔热断桥式门窗的实用性能好于 塑料门窗。由于其外装饰效果好，在建筑物选用窗中，铝合金节能门窗也经常被 使用在中、高档建筑上，只是在价格上也要稍高一些。 根据玻璃的使用不同，将我国窗户的发展分为四个阶段：单层窗时期，最 初的玻璃门和玻璃窗都是单层玻璃的，尽管透明且防风，但保温性能与金属一样 差，散热率很高。在寒冷的天气时，室内外的温差不大。双层玻璃窗阶段，双 层玻璃窗也叫保温玻璃窗，这是利用两块玻璃之间的空气，有效增加了窗的热阻， 达到保温隔热的效果。镀膜玻璃阶段，这种窗采用低散射镀膜，镀于密闭的与 空气接触的内层玻璃表面上。这种镀膜可使向外散射的热量反射回屋里，从而达 到保温的目的，同时如果将这种窗的玻璃内表面镀上膜，并用其它气体代替窗间 空气，可使熟阻提高，进一步节约能源。目前，最先进的节能门窗是在低散射 窗的基础上发展起来的，即在低散射窗的两层玻璃间抽真空，或者用透明绝热材 料充填，这可以使门窗的热阻大大提高，这种超级节能门窗还可以成为一种热源， 在白天只要有一点阳光，就足以使这种节能门窗成为提供能源的供热装置。换句 话说，保温墙体只能被动地防止散热，而这种节能门窗可以从阳光中获得热型1 9 1 。 国内在窗节能方面做了大量的研究，与国外虽还有一定的差距，但近年来也 取得了一定的成效。如：华中科技大学的卢晓刚等人从地区气候着手，采用试验 的方法，设计出适合夏热冬冷地区的窗户形式及相应的遮阳方式唧】。天津大学的 张伟博士等结合天然采光能耗以及建筑空调使用能耗，研究确定了适合于天津地 区的合理的窗墙面积比【”】。深圳大学张道真等人针对建筑玻璃引进光效系数的概 念，光效系数= 可见光透过率越阳系数。即遮阳系数越低，太阳热进入室内越少， 空调用电越少；透光率越高，自然采光越好，照明用电越少。综合考虑两者用电， 要求光效系数越高越好。综合以上分析，深圳大学建筑系研究院b 楼玻璃门窗采 用高效太阳控制窗膜，在不改变原有透明玻璃外观，保持高采光情况下，大幅降 低遮阳系数的节能改造工程使该建筑用电明显下降【2 2 】。解勇、刘月莉等人采用由 中国建筑科学研究院开发的建筑能耗动态模拟分析计算软件d o e 2 i n 模拟使用遮 阳卷帘房间的夏季能耗。结果表明，在气候分区不同的北京、上海和广州三个地 区的居住建筑，合理设置遮阳卷帘可以大大降低居住建筑的能耗。并且，居住者 可根据个性化的需要，夏季通过遮阳卷帘调节太阳光的入射量，减小房间冷负荷； 重庆大学硕士学位论文 冬季白天可将遮阳卷帘全部开启，保证最大限度地光照进入，提高室内空气温度， 夜晚将遮阳卷帘全部关闭又可以节约采暖能耗田】。 我国正处于工业化和城镇化快速发展阶段，要在未来1 5 年保持g d p 年均增 长7 以上，将面临巨大的资源约束瓶颈和环境恶化压力。建设领域统筹经济社会 发展、人与自然和谐发展的重要举措之一就是发展建筑节能。国外在这一方面起 步较早，对其已有的很多实例和经验，我们应该借鉴、吸收、消化，为国内建设 所用。 1 1 5 节能标准对建筑外门窗节能设计的规定 国家从s o 年代开始展开建筑节能工作到现在，已经根据国家发展的实际需要 一共颁布了夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准、夏热冬暖地区居住建筑节 能设计标准、旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准、居住建筑节能设 计标准( 寒冷地区) 等国家一级的节能设计标准。许多省市自治区也根据各地的实 际，参照国家相关法律、标准和政府规章等制定了相应的地方标准。重庆作为过 渡地区的典型城市，也制定了重庆市居住建筑节能设计标准( 以下简称标准) ， 该标准对重庆地区居住建筑的围护结构作了许多具体的规定。 表1 1 不同朝向窗墙面积比的外窗传热系数 t a b l e l 1 h e a t t r a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n t o f e x t e r i o r w i n d o w t o d i f f e r e n t b u i l d i n g o r i e n t a t i o na n da l - f ar a t i oo f w i n d o wt ow a l l 外门窗传热系数k w ( m 2 k ) 】 窗墙面 窗墙面积 窗墙面积窗墙面积窗墙面积 朝向窗外环境条件比比比比 积比 o 2 5 且 o 3 0 且 o 3 5 且 o ，4 5 且 0 。2 5 0 3 00 3 5o 4 5o 5 0 北( 偏东 冬季最冷月室外 4 74 7 3 22 5 6 0 0 到偏西 平均气温 5 冬季最冷月室外 6 0 0 范围) 4 73 2 3 22 5 平均气温5 东，西( 东或无遮阳措施 4 7 3 2 西偏北3 0 。有外遮阳( 其太阳 到偏南6 0 0辐射透过率 4 73 2 3 22 52 ，5 范围)2 钳 南f 偏东3 0 0 到偏西3 0 0 4 74 7 3 2 2 5 2 5 范围1 注：厨房、卫生问窗墙比不受此表限制；东、西向窗墙面积比大于0 2 5 时，必须按 有外遮阳方式考虑 6 1 绪论 其中，标准对门窗的规定为：外门窗( 包括阳台门的透明部分) 的面积不应 过大。不同朝向、不同窗墙面积比的外门窗，其传热系数应符合表1 1 的规定。 多层住宅外窗宜采用平开窗，外窗宜设置便于操作和维护的活动外遮阳装置， 除有效地遮挡太阳辐射外，还应避免遮阳装置受热后长波辐射进入室内以及对窗 口风特性产生的不利影响。宜采用以下遮阳装置：活动外遮阳措施，如外置活动 百叶窗、遮阳帘等。与玻璃结合的遮阳措施，如玻璃窗贴热反射膜等。 屋顶、外墙、分户墙和楼板、户门的传热系数以及热惰性指标应满足表1 2 中 的规定值。 表1 2 围护结构各部分的传热系数围阿v 恤2 k ) 1 和热惰性指标( d ) t a b l e l 2 h e a t l z a n s m i s s i o n c o e f f i c i e n ta n d i n d e x o f t h e r m a l i a e r t i a o f e a c he n v e l o p e p a r t 外门窗( 含阳台门分户墙和底部自然通风的 屋顶外墙 透明部分)楼板架空楼板 户门 k s _ 1 0k s l 5 d 皂3 0d 兰3 0 按表1 1 的规定k 1 2 0k s l 5k g 0 k 兰抑8 k 茎i o 逆三2 5d 1 2 5 注：当屋顶和外墙的k 值满足要求，但d 值不满足要求时，应按照g b 5 0 1 7 6 9 3 民用建 筑热工设计规范第5 1 1 条来验算隔热设计要求。 1 1 6 重庆地区居住建筑外窗的使用现状 笔者通过对重庆地区的外窗使用现状 进行实地调查，得出以下结论： 对于既有建筑，由于过去对建筑节能 的忽视，重庆地区许多建筑的围护结构( 特 别是窗户) 的热工性能普遍很差，随着人 们生活水平的提高，冬季利用电采暖，夏 季利用空调降温越来越普遍，这样势必会 增大该地区的空调能耗，增大社会综合能 耗。 尽管重庆市早在2 0 0 2 年就颁发了强 票嚣嚣翥雾筹纛薹萎嚣虬z 一楼标准，在许多新建项目中，虽然建筑设计 已经开始注意对外窗节能的重视，但由于 f i 9 1 2 a n 唧b i l i l 她i n c h o n g q i n g 市场的驱动等因素，设计中过分追求室内装饰、外观造型和室内采光，随意加大 7 重庆大学硕士学位论文 窗户开口面积。调查显示，部分居住建筑的窗墙面积比甚至超过5 0 ，而且仍有 增大的趋势。加之近年来由于购房者趋向于追求通透明亮的视觉效果，许多房地 产项目也把“超大采光”、“外飘窗”等不节能的设计作为卖点，这更增加了本地 区的建筑能耗，图1 2 为重庆地区某新建住宅楼。 门窗材料的使用方面，据调查，占到9 0 的既有建筑采用普通铝合金窗，少 数采用塑料窗、塑钢等节能窗，增大了外窗的能耗量。普通平板玻璃虽然具有造 价低廉、采光性能好、施工安装方便、技术成熟等特点，但其传热系数大、能耗 高，从长期使用的结果分析，其性能价格比极低。表1 3 中列出了重庆地区常用窗 户的热工性能。 表1 3 重庆地区常用窗户的热工性能瞄1 种类窗型玻璃品种传热系数6 v m 2 k ) 平开单玻 4 6 塑料窗 单玻 4 7 推拉 双玻 3 o 单玻 6 4 平开 双玻4 8 铝合金窗单玻 6 4 推拉双玻4 7 窗框断热中空玻璃 3 2 单玻 5 7 空腹钢窗 双玻 4 0 单玻 5 ，o 木窗 双玻 2 9 大部分新建住宅已经遵照该地区现行的建筑节能标准，有了很大的改善，节 能窗得以大量的推广。在笔者调查的5 0 个新建住宅项目中，使用断热铝合金中空 玻璃窗的项目有1 6 个，使用塑料中空玻璃窗的有2 7 个，还有部分使用普通铝合 金中空玻璃窗的情况。 其次，建筑朝向的不合理设置也会影响整个建筑的空调能耗。由于受地形限 制等因素的影响，大量居住建筑的朝向不合理，这不仅影响到建筑的保温、隔热 性能，对室内采光、通风和居住的环境质量等都不利。 窗户气密性差是个普通问题。钢窗、铝合金窗扭曲变形，关闭不严；木窗的 木材断面小，抗变形能力差，且干燥不良，缝隙大，冷空气渗透严重；窗框与四 周的墙体连接不严，导致渗漏；推拉窗滑槽构造不合理，空气渗漏严重。有的窗 8 1 绪论 缝隙贴用密封条，有效提高了气密性，但采用密封条的窗户为数不多。 对重庆地区居住建筑遮阳现状的调查结果显示，该地区的住宅主要采用水平 遮阳板做外遮阳，内遮阳用窗帘装饰二者相结合的遮阳方式。但由于早期的建筑 设计对外遮阳考虑较少，现有住宅的外遮阳大部分是由住户自发安装的临时性遮 阳，如图1 3 1 4 所示，虽然为避免西晒取得了一定隔热效果，但由于遮阳方式各 异，影响了建筑的外立面形象，有待改进。在没有外遮阳的住宅中，仅有的内遮 阳隔热效果不够显著。 图1 3 住户自制遮阳篷 f i 9 1 3t h ea w n i n gm a d eb yp e o p l et h e m s e l v e s 图1 4 住户自制遮阳篷 f i g i a t h e a w n i n g m a d e b y p e o p l e t h e m s e l v e s 1 2 课题的提出及其意义 1 2 1 课题的提出 门窗、墙体、屋面、地面是建筑围护结构的四大部件，其中门窗的保温、隔 热性能是最差的，通过门窗损失的热量最大。因此，门窗是影响建筑能耗的主要 因素之一。在建筑中门窗既要具有采光、通风、装饰等功能，又要具有较好的保 温隔热性能，这样才是理想的建筑部件。就我国住宅主要的围护部件来说，门窗 的能耗约为墙体的4 倍、屋面的5 倍、地面的2 0 多倍，约占建筑围护部件总能耗的 4 0 5 0 n 。从建筑节能的角度看，建筑外门窗一方面是热量流失大的部件，另 一方面也成为得热的构件，也就是太阳能通过门窗传入室内。因此，应根据不同 地区的建筑气候条件、功能要求以及其它环境、经济等因素来选择适当的# b f - 窗 材料、窗型和相应的节能技术，因地制宜地选择节能措施，发挥节能的效果。 本课题就是基于此，为了更好的推进夏热冬冷地区建筑外窗的节能工作，为 使该地区的建筑外窗节能技术取得更为良好的节能效益，作一个基础性的研究探 9 重庆大学硕士学位论文 讨。重庆作为该地区的典型城市之一，因此，笔者以重庆地区居住建筑为研究对 象，结合重庆的气候特征，运用权威的建筑能耗模拟软件d o e 2 1 n 展开课题的研究。 1 2 2 课题研究的意义 本课题以重庆地区为例，建立一个基础建筑模型，运用通用的能耗分析软件 d o e 2 1 n ，对夏热冬冷地区的建筑外窗适用技术展开大量的模拟研究。其理论意义 在于：找出了建筑外窗主要性能因素对建筑物能耗的影响规律；对计算机的 模拟技术的应用性进行了检验，为优化建筑节能技术提供了方法；为体系化的 提出建筑外窗节能技术提供了依据。 本课题的实际应用价值在于：配合相关的政策与技术，提出了与夏热冬冷 地区气候特征相适应的建筑外窗节能技术，促进该地区的建筑节能工作；对指 导夏热冬冷地区的居住建筑外窗节能设计起到一定的辅助作用；同时还将对建 筑节能窗材料与产品的应用起到指导作用。 1 3 本文的研究思路与内容 本课题从调查分析重庆地区的建筑外窗现实使用情况入手，针对重庆地区外 窗节能所出现的问题，分析窗户的结构组成材料以及性能，找出影响外窗节能的 相关因素，用计算机模拟的方法计算分析窗户与建筑能耗的具体关系，从而提出 适合夏热冬冷地区特别是重庆地区建筑外窗节能技术的措施和建议。 本课题的研究思路为：调查重庆地区的建筑外窗使用现状分析窗户的结构 组成材料对建筑能耗的影响一理论分析窗户性能与建筑能耗关系一计算机模拟分 析窗户性能与建筑能耗关系一对重庆地区的外窗节能设计提出有效的措施和建 议。 本课题研究的主要内容包括： 研究窗户的组成材料与结构，分析对建筑能耗的影响； 分析、阐述外窗对建筑能耗的影响因素； 模拟计算窗户的窗墙面积比、窗户的传热系数k 值、窗户的遮阳系数以及 窗户的朝向对建筑能耗的影响规律；借助正交试验的方法确定出几种主要因素对 能耗影响的主次顺序：窗户传热系数k 值 窗墙面积比 朝向 遮阳系数。 用理论计算的方法分析了凸窗对建筑能耗的影响。论文提出，建筑设计师 在进行建筑设计时，一定要精用凸窗，不可滥用，造成社会巨大的能源消耗。 提出适合该地区的建筑外窗节能设计的方法和建议。选取一实际工程进行 外窗的节能优化设计 1