夏热冬冷地区外窗保温隔热性能对居住建筑采暖空调能耗和节能影响的分析

夏热冬冷地区外窗保温隔热性能对居住建筑采暖空调能耗和节能影响的分析摘 要：夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准（JGJ134-2001）“建筑和建筑热工节能设计”章节中，对外窗保温性能（传热系数K）作了具体规定，并建议外窗设置活动外遮阳，但对外窗隔热性能（遮阳系数SC或太阳得热因子SHGC）没有作出具体规定。本文确定了夏热冬冷地区基准性住宅和节能方案，并选取上海、南京、武汉和重庆4个代表性城市作为分析对象，使用美国劳伦斯伯克力国家实验室开发的DOE-2软件对节能方案进行计算分析，得出外窗的保温性能和隔热性能对夏热冬冷地区居住建筑节能的影响结果。关键字：外窗传热系数 遮阳系数 建筑能耗 建筑节能我国行业标准夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准(JGJ 134-2001)第四章”建筑和建筑热工节能设计”中，对外窗热工性能作了如下规定：4.0.4 ：外窗(包括阳台门的透明部份)的面积不应过大。不同朝向、不同窗墙面积比的外窗其传热系数应符合表4.0.4的规定。(表4.0.4略)4.0.6 外窗宜设置活动外遮阳。该标准对外窗保温性能(传热系数K)作了具体规定,并建议外窗设置活动外遮阳,但标准对外窗隔热性能(遮阳系数SC或太阳传热因子SHGC)没有作出具体规定,不能不说是该标准的一个不足。实际上，我国夏热冬冷地区居住建筑的节能不仅与外窗的保温性能，而且与外窗的隔热性能紧密相关的。本文首先确定了夏热冬冷地区基准性住宅和住宅节能方案,并选取上海、南京、武汉和重庆4个代表性城市作为分析对象,使用美国劳伦斯.伯克力国家实验室开发的DOE-2软件,对基准性住宅和3000多个节能方案进行摸拟计算,分析外窗传热系数(K)和遮阳系数(SC)对居住建筑能耗影响,并提出相应的看法和建议.一、基准住宅的确定（一）基准住宅模型是一座六层楼住宅，建筑平面如图1所示。基准住宅热工参数和计算条件如下：1、室内温度设定：冬季16，夏季26；2、外墙：24cm粘土实心砖 K=1.833W/（m2K）；3、屋顶：砼板+保温板 K=1.872W/（m2K）;4、外墙面太阳辐射吸收系数0.7；5、外窗：普通单玻铝合金窗，K=6.0W/（m2K），SC0.9；6、建筑平均窗墙面积比：CM0.3009；7、换气次数：n1.5；8、设备能效比：冬季EER=1.0，夏季EER=2.2；9、内热源：照明0.5875W/m2，其它251W（其中显热180W，潜热71W）。（二）4个城市基准住宅全年能耗值计算结果从表1可看出,4个地区住宅夏季空调能耗均占全年采暖与空调总能耗20%或以上，而夏季空调能耗中外窗太阳辐射传热占了相当大的比例,因此夏热冬冷地区居住建筑节能中，外窗隔热性能是不可忽视的重要因素。表1 城 市上 海南 京武 汉重 庆年采暖空调总能耗P总 （kWh/m2）146.67164.27157.60116.67年采暖能耗 P暖 （kWh/m2）116.98131.88117.6079.38年空调能耗 P空 （kWh/m2）29.6932.4040.0037.29空调能耗占总能耗比例 20.2419.7225.3831.96二、节能方案的选择1.室内温度设定：冬季16，夏季26；2.外墙：24cm粘土实心砖保温 K=1.0W/（m2K）和K=1.5W/（m2K）;3.外墙面太阳辐射吸收系数0.7；4.屋顶：砼板保温板K=1.0W/（m2K）；5.换气次数：n1.0；6.设备能效比：冬季EER=1.9，夏季EER=2.3；7.内热源：照明0.5875W/m2，其它251W（其中显热180W，潜热71W）；8.建筑窗墙面积比CM变化范围：0.2498，0.3009、0.3535，0.3895,0.4256，0.4718；9.外窗K和SC变化范围：K6.0，5.5，5.0，4.5，4.0，3.5，3.0，2.5，2.0；SC0.9，0.8，0.7，0.6，0.5，0.4，0.3。三、外窗保温隔热性能(K、SC)对住宅能耗的影响本文通过3000多个节能方案的摸拟计算，选取代表性数据，绘制了外窗K值分别为3.0、4.5、6.0时的P-SC曲线图。图中,P总为全年采暖与空调总能耗, P空为夏季空调能耗，建筑平均窗墙面积比CM=0.3009。1、上海2、南京3、武汉4、重庆从以上各地的PSC曲线图可看出：1.当建筑平均窗墙比CM不变,外窗K值增大(保温性能减弱),住宅年总能耗也随之增大;当外窗K值从0.3增大到0.6时,全地区各地住宅年总能耗平均增大15%左右.但K值变化对住宅夏季空调能耗影响不大。2.当建筑平均窗墙比CM不变,外窗SC值增大(隔热性能减弱),住宅年总能耗也随之增大;当外窗SC值从0.3增大到0.9时,全地区各地住宅年总能耗平均增大9%左右,但东部上海、南京等地增大值小于中西部武汉、重庆等地增大值；SC值变化对住宅夏季空调能耗影响甚大,如在重庆,SC从0.3值增大到0.9时,空调能耗增大约20%。总之,SC值的变化,不仅对住宅夏季空调能耗,而且对全年总能耗均有影响,因此夏热冬冷地区居住建筑节能应考虑外窗遮阳隔热性能的影响。表2列出了外窗K、SC值变化对住宅全年采暖与空调总能耗影响的部分数据。四、夏热冬冷地区外窗热工性能节能设计通过分析，在保证住宅节能50%的目标下,本文提出夏热冬冷地区外窗传热系数K和遮阳系数SC(太阳得热因子SHGC)的限值表3，供设计人员和今后对该标准修改时参考。夏热冬冷地区居住建筑外窗的传热系数和遮阳系数限值表3 外墙外窗遮阳系数SC（SHGC）外窗的传热系数KW/（m2K）平均窗墙面积比CM0.25平均窗墙面积比0.25CM0.30平均窗墙面积比0.30CM0.35平均窗墙面积比0.35CM0.40平均窗墙面积比0.40CM0.45K1.0D2.50.70.9（0.80）6.06.05.04.03.00.8（0.71）6.06.05.54.53.00.7（0.62）6.06.05.55.04.00.6（0.53）6.06.06.05.04.00.5（0.44）6.06.06.05.04.00.4（0.36）6.06.06.05.54.50.3（0.27）6.06.06.05.54.5K1.5D3.00.70.9（0.80）5.54.03.52.5-0.8（0.71）5.54.04.03.02.00.7（0.62）5.54.54.03.02.50.6（0.53）6.05.04.53