室第窗户的节能

住宅窗户的节能研究摘要：窗户系统的选择不仅很大程度地影响着建筑能耗，同时显著影响室内环境的热舒适性。制定科学可行的窗户能耗等级评价体系，从而合理选择窗户材料和设计窗户结构，对降低建筑耗能、节约费用和设计开发节能新产品都具有十分重要的意义。本文通过研究窗户热工参数的模拟计算方法，开创性地定义了表征窗户节能效果的两个参数：ER和ERC，并根据典型的建筑平面图，计算分析了多种因素对建筑节能的影响，得出了北京和哈尔滨两个城市的判断住宅窗户节能效果的经验回归公式，为设计人员和普通用户因地制宜地选择节能窗户提供了便捷有效的计算方法。关键字：窗户节能传热系数太阳得热系数1引言窗户是建筑必不可少的组成部分，其长期使用能耗约占整个建筑长期使用能耗的50％，十分可观，因此窗户的节能是建筑节能的重要突破口。近年来我国窗户节能领域出现了很多的新技术，使得过去品种单一的窗户不仅变得形式多样，热工性能也更为复杂。此时单凭窗户的玻璃层数，或是窗户的传热系数甚至已知窗户的所有热工参数，也无法衡量不同窗户在具体使用条件下各自的节能效果。如何根据不同地区的气象条件，合理选择窗户材料、形式以达到最佳节能，则需要深入研究窗户的热工特性从而科学合理地制定出窗户节能效果优劣的标准。住宅窗户的主要评价参数有：太阳得热系数G、整窗传热系数U和空气渗透率AL，为综合考虑这些参数的影响，建立一套合适标准来评价、区分各种窗户产品，本文提出了两个新的参数：ER和ERC，并选取19种典型窗户，分别计算它们应用在北京和哈尔滨的不同朝向时的能耗值，线性回归得到ER和ERC关于U和G的公式（当窗户密闭等级符合设计标准的要求时，空气渗透率AL对于窗户能耗的影响很微小，故本文不将其列入研究），直观反映了具体朝向和具体气象参数下窗户的节能情况。ER和ERC越大，该窗户的节能效果越好。2窗户的热工参数研究2.1窗户主要热性能指标窗户的得热和失热形式包括：太阳得热、热传导和空气渗透，相对于这些形式各有对应的评价参数，即太阳得热系数G、传热系数U和空气渗透率AL。太阳得热系数G是指透过窗户进入室内的太阳能量与入射到窗户外表面的太阳能量的比值。该值越小，窗户的太阳辐射得热量就越少。传热系数U定义为：在单位温差下通过单位面积窗户所传递的热量。在相同的室内外温差下，U值越低则通过对流传导传递的热能越少。本文讨论的窗户传热系数，是指整窗的综合传热系数。空气渗透率AL是与窗户密闭性能有关的量，以目前国内门窗的生产水平，要达到设计标准要求的密闭等级并不难。根据国外的研究成果，当窗户密闭等级符合设计标准的要求时，它对于窗户能耗的影响很微弱，所以本文不将其列入研究，默认窗户的密闭性能达到了设计规范的要求。2.2窗户热工参数的模拟计算由于不可能对所研究窗户的热工参数一一测试，所以，在本文研究中提出了模拟计算的方法。模拟计算方法是基于玻璃窗的传热物理模型，通过计算求得窗户的热工性能参数。在模拟计算中，一般把窗户分为三个部分：中心玻璃，边缘玻璃和窗框。对于窗户的中心玻璃部分，一维传热模型与实际情况已很接近，而窗户的玻璃边缘，尤其是双层窗两层玻璃边缘之间的垫片材料的导热能力比玻璃间气体层的导热能力要大很多，产生“热桥”效应，必须采用二维传热模型，窗框的传热也可近似为一维传热。在求得各个部分的传热系数和已知各部分面积的基础上，对这三个部分的传热系数进行面积的加权平均，就得到窗户整体的传热系数。本文应用了WINDOW4.1软件来计算窗户玻璃的U值和G值。2.3窗户能耗评价体系目前我国常用的窗户玻璃的选型依据是遮阳系数Sc，Sc的定义是：透过该玻璃的太阳能与相同条件下透过3mm普通透明玻璃的太阳能量的比值。反映了窗户对阳光的遮蔽效果，Sc越高则透过窗户的太阳能越多，反之则越少。但这种评价方法有着明显的不足之处。首先，遮阳系数Sc只能反映窗户夏季遮阳节能，没有考虑冬季透光节能，因此很不全面。其次，它不能从长期角度如整个空调期或供暖期来分析窗户节能效果。文献(1)中介绍了美国和加拿大的窗户能耗等级评价体系。虽然这两个国家的评价体系的计算方法和结果表现形式都不相同，美国的HR和CR体系是通过动态模拟计算窗户的能耗，而加拿大的ER体系则是稳态计算窗户的传热量。但两者的评价要素都是太阳得热系数、窗户的传热系数和空气渗透系数。由此我们可以得到启发：综合考虑太阳得热系数、窗户得热系数及渗透系数是设计和选择窗户得关键。3建筑能耗计算3.1计算软件简介为了准确的得到与窗户有关的建筑能耗，本文选用了动态能耗模拟计算软件DestHousing，对建筑物进行逐时的模拟计算。某DeS失T处是丘Des奶ign乱er'芝sS词imu葱lat散ion炸To街olk毁i渔t举的缩写贴，中文块名为建煌筑热环关境设计断模拟工陆具包。奏是清华益大学空椒调实验叶室在十弯余年的溪科研成捏果的基详础上，残研制开慌发的面望向暖通孕空调设稿计者的耳集成优于爱Aut把oCA际DR蔑1奥4帖上的辅项助设计尸计算软份件伟。屡DeS弓T绩能够模料拟计算序建筑在崭逐时外炭温、太顺阳辐射底、室内哲热扰、足长波辐彩射、邻玩室影响宝等综合肌作用下撑的逐时家自然室孝温和耗悲冷耗热菌量。暖3.2淘斧窗户计奏算原理兰在朽DeS等TH浑ous叹in咏g扔中，窗点户在建踩筑整体失的计算距中是作阁为围护欠结构的否一部分期嵌入的沿，由刚于淋DeS盈T狸是运用齿状态空伯间法进注行传热扎计算，挂因此窗固户跟墙碗一样，霞要分层绑并给定掏温度节翼点，已炊有的算拳法认为拾每片玻执璃的中接心为一允个温度远节点，初根据这平一原则所进行分倒层，列贞出整个干窗户的沫热平衡馆方程组旧，在此队基础上大将其与牧整个建欣筑的热卡平衡方取程组联皮立，就宇能进行却各种计答算。坡窗户的苏特殊之苹处在于今它不仅随是类似眠于墙的柏一种传悄热构件胳，还是伙一种透钱光构件休，这一序特殊之技处表现溜在整个犹算法当食中就是遭将窗户仗的计算象分为两慎个独立检的部分托：传热京和导光愁，两者嘉的交叉涉之处在引于消光除得热的度计算。惜传热部坐分由窗锡户的热础平衡方所程组解灾决，导悠光部分论单独计女算，并智把窗户萍吸收的兄热量放箩到热扰皆矩阵中渐去。坦3.3戏卡计算过便程艘3.3充.1杆欧定义表非示窗户抓节能效折果的参任数蚁：派ER/裤ERC画DeS乓TH月ous产in堂g浑虽然可帜以计算懂出房间给的采暖于能耗和翠空调能穿耗，但册是房间略能耗并酬不能直妻观地反即映窗户坑的节能运效果。六在本文庆中，定贵义一种段单层透危明玻璃讨窗为基定准钥窗，这趋个基准炎窗的具森体热工足参数为幼：懂U跃＝王6.1俘7W曾/m驴2握.楚故℃沃，往G玉＝训0.8置6唐。假设瞎使用这痒个窗户宣时，房肾间的采州暖季全伍年累计愉能耗为筹（呢KWh悟/m罩2种），而贵使用某放一种窗集户秀n寨的房间示采暖季匀全年累隶计能耗旋为请（晒KWh傻/m涉2沾），房物间面积腾为玉（愧m先2文），窗眠户面积痰（催m校2家），则盘采暖季纵累计每兆平方米狗窗户节挣省的能教耗为：务，定义偶：膛（列KWh赶/m滴2什）雾(1冰)蓄由于房害间能耗终从巾变化到揭，除了鄙窗户改盯变以外滤，其它运条件均猜保持不忘变，众故羊E干R列反映了述该窗户圾相对于舞基准窗甜的采暖樱季节能炉量。而经任意两坑个窗户吨的多E陕R牺的差，驴则反映浆了它们炭之间节亡能量的险差异涉。郑E讯R滚越大，盏该窗户旗的采暖搂季节能声效果就轻越好。颗同样假岩设使用彩基准窗述时，房胆间的空径调季全辱年累计陈能耗为粘（绍KWh记/m傲2结），而蛋使用某耕一种窗扑户赵n都的空调络季全年筑累计能会耗为浸（族KWh术/m庸2迎），则判空调季肚累计每哈平方米扮窗户节必省的能斑耗为，严定稀义絮ER独C弯如绘式雀(2轮)萄，酬则括ER蚕C犬就是一施个可以耗表征窗会户空调帆季节能稠效果的箱数了。置（券KWh渠/m惯2韵）纤(2导)代在本文撑以后的挪计算分式析中，芝就逼以嗓ER/救ER逼C善来计量踏某一窗厨户的节怀能效果锯。界3.3陪.2流治计算条别件设定返本文在旧接近实连际情况辈的基础凳上，取焰了一个学实际塔亩楼建筑投的平面彼图，该逐建筑有崭四个分贿别朝向醉东、西峰、南、网北的房尤间，每肚个房间歇有一扇掀外窗，扇且这四副个房间番除了外袍窗朝向铅不同外薄，其它廊条件基侨本一致奇。围护府结构的趁材料和誉参数取捧常用值刘。箱通过改借变窗户肉玻璃的重参数及跑其玻璃布组合，眨设定挠了锡1滥9刚种玻璃宣窗并模病拟计算梁的其传粮热系炭数挡U组和太阳渐得热系限数堡G历，如滨表靠1扒所冲示股,纵潜其中玻埋璃美g甘4侵为有色乳玻璃燃，抄g住5森为低辐详射镀膜妖玻璃。扛空气层肝厚度是欲指两片文玻璃之荣间的空敌气层厚兔度，单施层玻璃磨窗不存如在空气壳夹层。址表页1谁杆典型玻涛璃窗结剪构及其川热工参商数油豆窗户编张号框玻璃组我合啄①常空气层棋厚度伸（乔m海m代）宿U(W反/m犁2郑.逃始℃凑)折G缴W0睡g1盯——烫6.1千7港0.8伏6牲W1思g4桐——快6.1帐7罚0.6僻1给W2形g3蜘——客6.1撇2坊0.7命5糖W3惹g7+跃g7今6史3.2享8茧0.8干3辈W4赶g2+隶g2某6铃3.2嫌7允0.7外6苍W5乐g1+风g3悼6各3.1紧9巾0.7捏1选W6足g3+率g3碗6界3.1君7信0.6赌1侍W7寸g6+瓣g6伪6稼3.0砍7灭0.5你7曾W8据g7+仁g7伤12窝2.8排2跪0.8认3厚W9检g2+同g2蓄12狸2.8按1锁0.7躬6夺W10姨g1+喜g1浪12百2.7溉5玩0.7年6倒W11业g4+世g4摧12瘦2.7峰5返0.4致4厦W12酷g1+井g3垒12沸2.7骨4递0.7抱1捷W13炉g3+和g4刚12熊2.7棒4粘0.5方6使W14区g3+阵g3械12贿2.7泪3副0.6否1舅W15宪g6+侄g6秧12吓2.6琴5炸0.5免7费W16右g2+参g5降12末2.2银4悉0.7抽2垫W17轻g7+餐g7+塞g7猜12浊1.8亏2已0.7通7枪W18殿g2+泊g2+恼g2滨12决1.8墓1坟0.6森8勒注鹿①著:泻正玻璃组弟合从左锋到右依捉次为从迫室外侧玩到室内惰侧的玻前璃。菌如徐g1+歌g稼3渔，表示极该玻璃坦窗董g画1赢玻璃朝绘向室外菠，茫g桶3岁玻璃朝种向室内语。涌4耀屈影响窗秧户节能芹效果的财因素分紫析撕以姥E签R薄和云ER样C辉为主要剂度量参既数，以湖北京和埋哈尔滨畜两地为摘例，利深用杰DeS穗TH驼ous衫in盏g蜓对建筑丑楼层、恰外墙性食能、窗盟墙比、伸房间大艘小、内者部发热候量和窗仔户朝向美等可能诵影响窗层户节能猾效果的下因素分仍别做了脏计算分概析。这掠些影响薄因素的愤变化范循围的选粪取，充匙分考虑墨了实际纠住宅可仪能达到欺的变化容范围的象上、下词限，因侦此，所丢得的结鹅论适用怨于普通葱住宅。繁计算分关析结果惧表明：加（忘1烈）对于醉多层建繁筑，窗泛户在建赛筑中所康处的楼就层位置梦对窗器户笼E脖R产和们ER初C牢的影响跪不大，别一层以娃上的房肝间，窗乡户援E血R荒基本相助等。除曾了底层程和顶层卧房间，必中间楼驰层缎的贼ER狭C据也基本期相等；锣（平2邻）杜E蛛R鞋和龟ER崖C嗽受外墙卵保温和贼蓄热性虑能的影凳响很小菌，在讨磨论的外盏墙变化览范围内衫，忆E古R辱的浮动杯最大不废超牧过繁5微%双，令ER祥C粒的浮动拒最大不嫌超缸过捎10侮%我，一般客情况下输浮动在贼2这%独左右，暖所以认遥为森，食E教R烛和低ER亿C您受外墙省保温和规蓄热性裁能的影舱响小到贫可以忽所略，即其不管和等什么外闪墙配合河使用，克每平米植窗户节桥省的能筐耗基本心不变；艳（县3汗）当窗布墙比跌从穷15曾%租变化船到普30限%垂时，绝微大部分轻窗户在溪各个朝羊向牲的示E饺R粗值基本武保持不宅变，个辣别变化散幅度大故的，变拘化的绝冬对值也敢小；窗付户奴ER禽C踏的变化储幅度滴比迟E腿R爱的变化锈大一些饮，但基镜本能保闸持忙在却5挠%闷到姻10贫%轨之间。梯因此认绩为窗户如的节能慕效果受六窗墙比猪的影响汇很小，感特别是夸采暖季筑；茧（勿4湿）房间臂大小对拾窗户冬现季节能技效果的歪影响很宽小，可愚以忽略水不计，食但是对食窗户空主调季节予能效果仁的影响慢比较大恳，可不四可以忽仔略要视句具体情撇况而定血；痛（妹5黎）房间狠的内部炉发热量薄大小在衫住宅可羡能的范帆围内变舰化时，萌对每单夏位面积径窗户采姜暖季或锁空调季锻平均节趴能效果胁的影响镰并不显炮著；仅（粪6斜）根据泼普通居傅民的开蔑窗习惯售，房间洋通风量李对窗户弓冬季节那能效果副的影响冬很小，蚕可以忽柿略不计圣；而房馅间通风岗量对窗断户空调随季节能根效果的尊影响比肌较大，着能不能探忽略要拥视具体愿情况而返定；少（酱7挂）窗户编朝向对射窗户节漂能效果赠的影响窑无论采商暖季还虚是空调谊季都比缺较显著灯，对窗坊户的节泄能研究车进行分敲朝向探摧讨是必歼要的。己5饮逃对北京丈和哈尔袄滨的采牢暖季建访立窗撒户拢E晚R愚的经验魂回归公季式缎通过上鹿面的分捕析发现近，表征虏窗户采桨暖季和德空调季奶节能效死果的迅量凉E澡R顿和锡ER拌C弹受住宅朽楼层、漫外墙保挖温性能营、窗墙端比、以掀及房间蓄内部发崭热量等挑因素的廉影响不句大，在迈误差范捞围内可贡以忽略什。特别散是采暖辱季，房忙间大小治和通风假换气气降数对窗伙户节能罢效果的效影响也膀都小到拒可以忽兄略。同秘时，采级暖季不图存在遮论阳问题树，用户勒的使用迹习惯对欣窗户节巧能效果外的影响监也很少估。因此佣，窗户相采暖季爆的节能始效果可踪以认为卵只和窗廉户朝向垃、窗户护所在地智理位置粥和窗户顷本身的厨性能有事关。瓶在窗户岔的热工防性能里合，影响轿采暖能安耗的主芬要是保窑温隔热净性能、攻太阳得垦热性能忙和密闭叉性能。朽其中，伴密闭性木能对窗分户能耗属的影响讯较保温辈性能和溪太阳得锣热性能稳相比，鄙又小了淋很多，握特别是如以目前肆的技术闯水平，陆要使得售窗户达牛到优良件的密闭遮性能并凭不难。亦所以，隶在本文危里暂不稍考虑窗喇户密闭押性能对室采暖能笑耗的影炒响，假奉设窗户锣的密闭痒性能都滴很相近汽，并达胀到了较度好的水棉平。由时此，在蕉相同气携象参数乡下，窗按户采暖倍季的节卧能效果浅就只和瞧窗户朝诱向以及评窗户的义保温性倘能和太禁阳得热古性能有宿关，即扑在相同屋气象参治数、相泰同朝向胸下，窗齿户断的敢E滚R侄可以表秋示为窗央户的传交热系江数放U界和太阳拢得热系或数滤G劳的接函数。赴如果通象过动态滑模拟计商算得到挎多组窗因户予的词E亮R联和锅U膛与摘G扬的关系培，就可赖以回归湾成一个扫经验公师式，用次它来预室测某种研已色知枯U帅和强G匠的窗户铃的采暖套季节能洒效果。夜该回归谅公式可冈以表示袖为：，农其中豆和状是通过闸量纲归谋一得到种的无量弊纲的量词，岭,既，蕉G华是太阳木得热系者数，原千本无量节纲。惨因为某楼一窗户龙的疏E气R奏代表了都使用该防窗户和扑基准窗炼相比，插平均每僵平米窗顾户节省事的采暖勒季累计宵能耗。疯如果建新立了窗牙户劳的经验志回归公签式，就柏能够很古快地由暑窗户的枝传热系新数先U觉和太阳岔得热系芽数惧G拾计算出偶，从而旨也就大茶概知道后了该窗酷户在整枣个采暖钞季平均应每单位悔面积节刃省的能分耗。当施两个窗坑户需要宇比较节灯能效果薯时，就愤可以通局过它们睛的浇U昼和逃G锹方便快表捷地计步算出各替自的所，嗽大的窗塌户节能勤效果好叫，从而捡解决了穷已知窗米户的热椅工参数送，但如宵果不做修具体的御能耗模塔拟计算绞，就无落法评价猎该窗户剩节能效揉果的问纲题。也结避免了笼单凭传牌热系千数盲U味来选择喘窗户可仅能出现脆的失误追。当然聋，由于加前面所朗讨论的着各个影必响因素风的存在办，利用胁经验回善归公式艇计算得港到的值葵可能和塞实际值工有一定凝的差异豆，但是浸，上面陷的讨论逝结果和交以下的个检验结徐果都证参明这个谨误差不律会太大卸。更重颠要的是聚，窗户足按照经蔽验公式底计算的扬值的大膛小进行据节能等逆级排序离的结果痕，和按胃照实际挎模拟计成算得到镇的值的着大小进经行节能纤等级排走序的结示果是一级致的殖。颗瓣从物理撤意义上社讲，柿一定和莲和枣G欢的一次救项相关凝，因此咽可据此扬选定回港归公式维的模型须，再通放过多元挖线性回枯归统计欠检验方春程和模有型参数栗估计值茫的可靠限性。从塌而分别快得到北堡京地区识采暖季屯窗户的瓶节能效棋果讨的回归逼公式：串北：员圾（帮5.而1殊）拢西：洲粘（匀5.睡2凯）钥按东：础磨（养5.绵3瘦）慢喉南：舱宾（酿5.立4栽）迟以上四拼个回归保公式中握，抄表征了适哈尔滨降采暖季信窗户的睁节能效品果越大订，该窗耽户采暖邻季的节随能量越窄大。四缩个回归贫公式中棒，的系腰数都为此负，撇的系数阴都为正弄，这算符合北露京冬季魔窗户的颤节能量查随着蚁的增大怠而减小尊，随着辰的增大题而增大阔的物理撤意义。端同理，慧对哈尔蓬滨地区尺采暖季问窗户的投节能效桨果有回注归公式害如下：饱北：煮(5监.5)绸死西：坛(5妹.6)洲安东：毕(5描.7)言叔南：闭(5佩.8)结杰以上四掌个回归龙公式中换，瞎表征了梅哈尔滨弟采暖季竿窗户的夕节能效伞果津,刚越赴大阔,旦该窗户其每单位雾面积节茶省的累少计采暖包能耗就司越多，努节能效集果越好顺。四个业回归公序式中，蠢的系数僻都为纸负略,相而筝的系数茎都为等正喘,舅这符合观哈尔滨给冬季窗利户的节凑能量和吧传热系慈数颈U姑成正比报，而和椒太阳得追热系数牙成反比膨的实际填情况。结6却质结论略公式可柔以帮助骄设计人鹅员迅速指准确地抛估计窗喇户在具击体城市厨具体朝芹向使用脖时的节哑能