寒冷地區外窗對建筑能耗影響研究

盧 娜 胡 瑞 馬新淇

我國建筑能耗約占總能耗的25%，在一些嚴寒地區，該比例更可達50%左右，其中北方寒冷城鎮采暖能耗占全國城鎮建筑總能耗的40%，為建筑能耗的主要組成部分。窗戶作為建筑必不可少的元素扮演著極其重要的角色，首先，可以通過玻璃窗解決采光、日照及過渡季節自然通風的問題；但是，在采暖季窗戶又作為失熱部件，其散熱損失約為外墻散熱損失的5-6倍，而從窗戶形成的建筑熱負荷占總熱負荷的1/3以上。再者，隨著社會的發展，建筑的美觀，外窗越開越大，飄窗、凸窗越來越流行；這些都為采暖季能耗的降低帶來了一定的困難，因此，研究寒冷地區外窗對建筑能耗的大小起著極其重要的作用。

鑒于以上分析，本文通過寒冷地區各城市在不同窗戶保溫形式、不同窗墻面積等情況下利用DeST能耗模擬軟件對其能耗變化進行了數值模擬，得到了在寒冷地區不同熱工性能窗戶、以及不同窗墻面積比對能耗的影響，為該地區窗戶設計及建筑節能都具有一定的實際意義。

一、窗戶保溫

窗戶的保溫主要從增加窗戶玻璃的層數，加強窗戶的氣密性和使用隔熱、保溫窗簾等措施提高窗戶的保溫性能，減少窗戶的能耗。塑料是熱的不良導體，用來制作保溫窗，具有得天獨厚的條件，且水密性、氣密性也比其他窗優越，所以塑窗的使用正在被用戶所接受。從使用能源角度看，根據中國建筑科學研究院物理所提供的數據，單層雙玻塑窗的平均傳熱系數為2.3W/m2·K，是單層鋼、鋁窗平均傳熱系數 (6.4W/m2·K)的36%；是寒冷區普遍使用的雙層鋼、鋁窗平均傳熱系數(3.3W/m2·K)的70%。而在同等供暖條件下，使用塑窗的房間比使用鋼、鋁窗房間室溫提高5℃左右;若房間溫度相同，則使用塑窗比鋼、鋁窗降低能耗30%以上。

二、窗墻面積比

建筑形式及圍護結構的熱工性能直接影響著室內熱環境與舒適性，但建筑窗墻比也是一個重要的影響參數。對于冬季采暖期，窗墻比增大一方面會導致房間由于被動太陽得熱增加，另一方面會增強室內、外的熱量交換，前者有利于冬季室內熱環境的改善，但在夜間同樣會增加室內熱量的流失；對于夏季空調房間而言，窗墻面積增大，會導致白天室內溫度過熱，但夜晚大面積窗戶散熱量大，能維持室內較舒適的環境；這意味著窗墻比加大對冬季和夏季的室內熱環境都分別存在有利和不利的方面。因此，為充分有效地利用太陽能，實現建筑節能，必須合理地確定窗墻比。

三、實例模擬

1.窗戶保溫模擬

所模擬建筑仍為單層民用建筑，如圖1建筑平面圖所示。房間層高為3.6m，建筑面積為39m2。其中外墻選擇為保溫層厚度為80mm的擠塑聚苯板，其他主要圍護結構的熱工參數在此省略，分別改變外窗為真空+low-e膜玻璃、普通中空玻璃（9mm）、標準外窗進行模擬，窗戶熱工參數如表1所示。選取臥室1為研究對象，比較不同窗戶保溫厚度情況下臥室1熱負荷變化規律。

圖1 建筑平面圖

表1 窗戶熱工參數

利用DeST對建筑進行能耗模擬，分別根據圍護結構熱工和表1數據分別設置主要圍護結構參數，對哈爾濱在典型日 （1月1日）進行模擬，得到不同窗戶保溫情況下臥室1的負荷變化規律圖2所示。

由圖2可知，窗戶保溫越好，即窗戶傳熱系數越小，隔熱保溫作用增強，室內熱負荷減小。通過計算，得到標準窗戶、普通中空玻璃 （9mm）、真空+low-e膜玻璃三種情況下，臥室1的熱負荷典型日平均值為別為：1.71KW、1.51KW、1.39KW，普通中空玻璃 （9mm）、真空+low-e膜玻璃相比標準窗戶分別節能11.7%和18.7%，因此窗戶保溫情況的好壞直接對建筑節能有重要的影響。

圖2 哈爾濱典型日不同外窗保溫建筑熱負荷

2.窗墻面積比模擬

利用DeST軟件對建筑能耗進行了模擬，選取模擬建筑如圖3所示。分別對兩種情況進行了模擬：一、選取拉薩地區，模擬南向不同窗墻面積比下，典型日建筑熱負荷變化規律；二、南向窗墻面積比一定的情況，不同采暖典型城市典型日的建筑熱負荷變化規律，主要圍護結構熱工參數如表2所示。

圖3 模擬建筑平面圖

表2 圍護結構熱工參數

由圖4可以看出，隨著南向窗墻比的增大，白天建筑耗熱負荷減小，這是由于增大南向窗墻比，也就意味著增加了通過窗的被動得熱；隨著南向窗墻比的增大，夜間建筑熱負荷稍有增加，這就意味著南向窗墻面積比增加，被動得熱增加的同時，溫差傳熱的失熱量也在增加，所以不能盲目的增加南向窗墻比，要根據具體太陽輻射強度以及當地的室外平均溫度而定，且還要注意增大窗墻比的前提要滿足建筑的結構要求。

圖4 不同南向窗墻面積熱負荷變化規律

結合圖5和表3綜合可知，對于哈爾濱來說，太陽輻射資源不豐富，且室外空氣溫度很低，所以由于增大南向窗墻比而增大的被動得熱遠遠小于室內外溫差傳熱量，所以在保證正常采光條件的前提下，要盡量減小窗墻面積比；對于北京和銀川來說，太陽輻射能資源比較接近且較好，室外溫度較高與嚴寒地區，應合理增大南向窗墻面積比，增大白天太陽輻射的熱量，但是夜間窗戶保溫情況要加強，比如利用厚制的深色窗簾進行保溫隔熱；對于拉薩地區，太陽輻射強度全國第一，且室外溫度明顯高于嚴寒地區，通過分析研究，確定南向窗墻面積比盡可能大，或南向為全玻璃幕墻，或者南向設置附加陽光間作為室內的熱量緩沖區。總體來說，太陽輻射強度越弱，室外溫度越低，通過增大南向窗墻面積比來減少建筑耗熱量越困難；反之，太陽輻射強度越強，室外溫度越高的地區，增大南向窗墻面積對降低建筑能耗來說有明顯的意義。

四、結 論

圖5 不同城市建筑熱負荷

表3 太陽輻射強度及室外空氣溫度

1.普通中空玻璃 （9mm）、真空+low-e膜玻璃相比標準窗戶分別節能11.7%和18.7%，因此窗戶保溫情況的好壞直接對建筑節能有重要的影響。

2.太陽輻射強度越弱，室外溫度的越低，通過增大南向窗墻面積比來減少建筑耗熱量越困難；反之，太陽輻射強度越強，室外溫度越高的地區，增大南向窗墻面積對降低建筑能耗來說有明顯的意義。

[1]楊子江.節能：新世紀建筑的第一要素.建筑：2003，（12）： 17．

[2]清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告.中國建筑工業出版社，2007．

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