基于建筑模型的门窗节能技术研究

基于建筑模型的门窗节能技术研究

窗户是建筑的重要组成部分，也是建筑建筑材料的最脆弱部分。其长期利用率约占总建筑面积的50%。因此，窗户的耐热性越来越受到重视。在建设节约性社会的今天，做好窗户的隔热保温是改善室内热舒适性、实现节能的关键环节之一，所以研究窗户的节能具有重要的意义。窗户的得热和失热形式包括：热传递、太阳辐射得热及空气渗透。为了减少空调负荷，在冬季，空调房间室内外温差很大，需要考虑如何减小通过窗户的温差传热量，并增加窗户的太阳辐射得热量；在夏季，空调房间室内外温差较小，由温差传热引起的传热量较小，主要考虑如何减少从窗户进人室内的太阳辐射得热量。1窗户连续热数字模型1.1平壁传热的简介因为玻璃窗的传热系数较大，故玻璃窗的传热按同步传热计算。τ时刻玻璃窗的传热为：式中：Q1(τ)为玻璃窗的传热量（W）;F为窗户的面积（m2）;tw为室外逐时温度（℃）；tn为室内温度（℃）；K是窗户的传热系数（W/(m2·K)）。窗户的传热过程可看成是平壁传热，其传热系数为式中：α1为外壁表面总换热系数，与室外风速、风向、室外气温及壁温等因素有关，是逐时变化的；α2是内壁表面总换热系数；R是窗户的传热热阻，窗户的热阻与窗户的结构及窗户窗框的材料种类及空气夹层厚度等因素有关。1.2玻璃内太阳辐射得热量的计算基于建筑物周围物质的辐射与室外空气温度有关的观察，假定所有的辐射表面（包括天空）与室外温度相同，辐射换热量仅指太阳直射与太阳散射，可以简化辐射得热计算。透过玻璃窗的太阳辐射得热量，与玻璃窗的朝向有关，并随季节与每天的具体时刻而变化。i朝向时刻玻璃窗的太阳辐射得热量按下式计算：式中：Q2(i,τ)是i朝向时刻玻璃窗辐射得热（W）;SSGD(i)是i朝向时刻太阳直射得热（W/m2）;SSGd(i)是朝向时刻散射得热（W/m2）;SC是无遮阳透明单（双）层玻璃窗的遮阳系数，与玻璃本身及空气夹层厚度有关。F(i)是i朝向窗面积（m2）;Xf是窗玻璃的有效面积系数，XS(i)是阳光实际照射面积比。1.3风渗透传热量q理论窗户风渗透耗能不仅与窗户的构造及窗框密封性能有关，而且与空气渗透量及室内外气温有关。风渗透传热量公式如下：式中：Q是风渗透传热量（W）;CP是空气的定压比（kJ/(kg·℃)）；L是每米窗缝隙进入室内的空气量（m3/(m·h)）；l是缝长的长度（m）;tn、tw分别是室内温度和室外温度（℃）；ρw是室外的空气密度（kg/m3）。2南京某建筑为了方便讨论窗户的节能，本文建立了一个理想的简化建筑模型，如图1，假设：（1）该建筑位于南京，是一个4m×6m×3.6m的房间，（2）该建筑模型没有门，（3）室内无任何散热散湿设备及人员，（4）窗户为2.5m×2m，窗台高0.8m。窗户安装在墙面的正中部位。其维护结构热物性参数见表1。3模拟结果分析th3.1促进有效耗冷量的对比当窗户（普通中空玻璃窗）分别布在各个墙面时，经模拟得该房间的平均年耗冷量分别为：东向窗户为97.43kWh/m2，南向窗户为89.73kWh/m2，西向窗户为96.79kWh/m2，北向窗户为89.85kWh/m2，如图2所示。由图2可知，东西朝向的窗户耗冷量明显高于南北朝向的耗冷量。因此，在进行建筑设计时，应尽量使窗户南北朝向布置。3.2双玻窗、双层窗和双钢窗框的比选以南面窗户为例，窗户为单层钢窗时，其传热系数为6.4W/(m2·K)，经模拟得该房间单位面积的年耗冷量为96.95kWh/m2；当窗户为双层铝合金窗时，其传热系数为4.4W/(m2·K)，经模拟得该房间单位面积的年耗冷量为91.97kWh/m2。如图3所示。由图3可以看出，传热系数k越小，其耗冷量也越小。这个结论也可通过公式（1）得到。双玻窗和双层窗比单玻窗的传热系数小，在冬季，双玻窗或双层窗能够大大减少因空调建筑物室内外大温差引起的温差传热能耗，而在夏季，双玻窗或双层窗能够大大减少由于太阳辐射得热引起的能耗。故应尽可能采用双玻窗和双层窗。塑钢窗框是目前传热系数最小的窗框材料，保温隔热性能十分优良，节能效果明显，气密性、装饰性也好。塑钢窗框和普通铝合金窗框的价格相差很小，从节能角度考虑，应选用塑钢窗框。建议利用塑钢窗代替传统的钢窗。但是也不能一味追求窗户的隔热保温性能，也要考虑其他性能，如表2。因此，需要根据工程的实际情况来选择综合性能相适应的门窗类型。3.3窗墙比的确定窗墙比是指建筑某一朝向外围护面积中窗户的面积与该朝向总围护面积（墙体+外窗）之比。选用普通中空玻璃窗进行模拟，将模拟结果画成图4、图5。由图4、图5知，增大这两个比值不利于空调建筑节能，应尽量控制窗墙比。故在进行前期建筑设计时，在保证室内采光通风的前提下合理控制窗墙比是很重要的，一般北向不大于25%；南向不大于35%；东西向不大于30%。3.4太阳能与外窗的日照时数变化对空调系统和出口设备的影响遮阳系数是以单层普通透明玻璃作为标准玻璃（我国取3mm普通平板玻璃多种产品的平均值），以标准玻璃的日射得热因素作为“标准值”，其他玻璃与之比较：遮阳系数是表征窗户系统控制太阳能的指标。提高外窗特别是东、西外窗的遮阳能力，是提高窗户隔热性能的重要措施。因为夏季太阳辐射热直接从窗户大量进入房间，会迅速提高室内温度，使空调负荷剧增。图6是模拟南向窗户遮阳系数不同时的单位面积空调年耗冷量。3.5不同等人的对学说模拟对普通中空玻璃窗有无窗帘进行了模拟，窗帘是浅色布窗帘，窗帘的作息模式为：8:00～18:00拉上窗帘，其余时间拉开窗帘。模拟结果如图7。可以看出，在室内挂上浅色布窗帘也是一种方便有效的节能方法，既美化室内环境又达到节能的目的。3.6薄膜玻璃比较选用镀膜玻璃可进一步改善玻璃的保温隔热性能。目前，镀膜玻璃有热反射玻璃和低辐射玻璃两大系列。热反射玻璃隔热好，但保温作用不大，较适合夏热冬暖的华南地区。低辐射（Low-E）玻璃，在大大降低传热的同时，能有良好的透光性，对夏热冬冷地区节能效果好。就以下七种不同的镀膜玻璃窗，假设安装在东向窗户上，模拟结果见表3。结果表明：所有的镀膜玻璃窗都比普通中空玻璃窗（东向为97.43kWh/m2）的耗冷量低。将模拟结果画成图8。4其他节能技术措施4.1玻璃贴膜有冬季景观舒适性的影响给玻璃贴膜也可有效地减少太阳辐射热、提高外窗遮阳能力。优质的玻璃贴膜在夏天能阻隔约80%的太阳能量，冬天能有助于保持屋内热量不散发，提高室内舒适度。不过，玻璃贴膜的成本也较高，依其性能，每平方米玻璃面积需100元至200余元不等。4.2密闭性+气密性有资料表明，房间换气次数由0.8h-1降到0.5h-1。建筑物的耗冷可降低8%左右，因此设计中应采用密闭性良好的门窗。通过改进门窗产品结构（如加装密封条），提高门窗气密性。防止空气对流传热。加设密闭条是提高门窗气密性的重要手段之一。4.3采用新的经济型玻璃4.3.1玻璃的而非太阳的可见光光致变色玻璃是一种光致变色的非晶体材料，其特点是经过可见光照射后，玻璃产生光的吸收，使颜色或透光性发生变化，太阳光照强度越大，透过玻璃的阳光越少；而当光照停止后，又能自动恢复到原始透明状态。在夏季可起到很好的遮阳作用。目前这种玻璃已作为太阳眼睛使用了多年，但由于技术上和经济上的一些原因，尚未在建筑上应用。一旦这些问题得到解决，将是一种很好的节能材料。4.3.2电致变色技术电致变色玻璃是指通过外界电信号的变化连续可逆地调节其光学性质，动态地调节太阳能的输入或输出，灵活调节透光量，形成调光智能窗户。电致变色玻璃由复合的多个镀覆层构成，其光学性能可从高透过率连续地变化至低透过率，且只需很小的电压差，即可触发其发生变化。产生电压差的时间越长，越多的电致变色玻璃被转换，一直转换到最大或最小为止。电致变色可与建筑能源管理系统相结合，使窗户玻璃透光情况为预先设置的适用于不同情况的算法系统所控制。由此看来，电致变色与光致变色、热致变色相比用于节能窗以及提高用户的舒适性方面有更大的可能性。5．加强钢窗和玻璃的节能经分