建筑能耗與節能門窗的熱工性能相關性研究

王鋒

【摘要】利用WINDOW以及THERM軟件進行模擬，以探究典型節能門窗玻璃和整窗系統的熱工性能，并與模擬場地當地的氣候特征相結合，總結出配置不同的節能門窗建筑的全年能耗情況。據相關數據調查顯示，門窗材料的不同直接影響著門窗的熱工性能，在玻璃的選材上，應選用輻射系數較低的。在木材的選擇上，應選擇熱導率較小的材料。才能夠從根本上將門窗的傳熱系數降至最低。還可以利用增加鋁合金型材的厚度以達到使門窗傳熱系數增大的目的，材質以及型號的不同對地區建筑的夏季制冷以及冬季采暖能耗有著不同的影響，所以，應結合地區氣候的特點以選擇節能門窗的類型。

【關鍵詞】建筑能耗；節能門窗；熱工性能

作為建筑外圍護結構開口部位的門窗，能夠起到阻隔外界氣候干擾的作用，據研究數據顯示，外窗以及外門的傳熱系數大約為4.70W（m2·K），屋面的傳熱系數為0.80W（m2·K），墻體的傳熱系數為1.40W（m2·K），地面的傳熱系數為0.52W（m2·K），也就是說門窗系統的能耗大約占建筑圍護結構總能量的一半之多，由此證明，對于門窗的節能建設已經成為了建筑節能中的主要構成部分。

一、門窗節能技術的發展以及模擬軟件

在研究以及開發節能門窗時，采用傳統的工藝來制作以及檢測門窗，不僅耗費了大量的人力物力，而且較長的試驗流程，使試驗數據的獲得更加困難。在現代科技發展下，計算機技術也隨之發展起來，而且已經滲透至建筑行業中，計算機的模擬計算在建筑計算中被廣泛的應用，對建筑能耗水平的評價、建筑能耗特性的研究以及建筑能耗趨勢的預測有著重要的作用，計算機模擬軟件在設計與優化建筑構件，改造節能建筑中占有重要地位，其是通過將已知數據輸入設計制作好的模擬軟件中，通過計算機的計算，得出對應結果，以對現實試驗環境進行模擬。

傳熱系數（U或K）、太陽得熱系數（SHGC）以及遮陽系數（SC）是門窗熱工性能的重要參數。在傳熱條件相對穩定時，圍護結構兩側的空氣溫差為1℃，其在一秒內通過一平方米的面積所傳遞的熱量就是傳熱系數（U或K），W（m2·K）為其單位。對傳導、對流以及表面輻射進行綜合考慮，U的數值越小，門窗的保溫隔熱能力越好，通過門窗所消耗的熱量也就越少。在外界條件相同的情況下，太陽輻射透過玻璃和在無玻璃的狀態下能夠進入到室內的熱量的比值就是太陽得熱系數（SHGC）。太陽輻射的總透射比和透過平板玻璃的太陽輻射的比值就是遮陽系數（SC），但需保證使用的平板玻璃是3毫米厚且需是普通無色透明的。門窗熱工性能中的氣候、朝陽以及遮陽因素均在SHGC與SC中體現出來，SHGC與SC的數值越大，門窗能夠遮擋陽光輻射的性能也就越差。

對于評價門窗熱工性能的WINDOW和THERM軟件的功能豐富、計算準確的優點已經在國際上被認可，同時也是中國建設部門指定使用的模擬軟件。而DeST軟件是一個將空氣調節系統與建筑環境或供熱通風相模擬的平臺，方便了對建筑環境性能評估以及模擬預測，在國內已經得到廣泛應用。DeST軟件就是利用對建筑氣象、房間內擾以及空調系統參數的設置，以計算出建筑能耗以及室內的溫度，最后將氣象、房間逐時空調室溫以及建筑逐時冷熱負荷等數據利用Excel表現出來。

二.對門窗玻璃的詳細分析

整個門窗面積的70%～80%都被玻璃占據著，在門窗損失的總熱量中，玻璃所損失的就占70%以上，由此可以說明，在門窗的整體性能中，玻璃的熱工性能占據重要地位。目前，玻璃幕墻行業中使用較多的就是中空玻璃，因為其的保溫隔熱性能較好，其的制作是由2片或多片平板玻璃在周邊密封粘接，中間部位均勻隔開，在夾層中有干燥的氣體空間，因氣體熱導率較低，所以此方式的隔熱效果良好。在最初的制造中，玻璃夾層間僅僅是干燥的空氣，但是為了使中空玻璃的隔熱性能更好，在研究中將低于空氣熱導率的惰性氣體充入夾層，其需保證夾層寬度大于等于6mm，以使隔熱性能更加明顯。如果間隙過于寬大，夾層中的氣體形成對流，就會使隔熱性能明顯減低，也會導致制作出過厚的中空玻璃，在實際使用中造成不良影響，一般標準化的中空玻璃間隙寬度為6，9，12mm。

據研究數據得出，中空玻璃的厚度以及間隙都相同時，將其中一層的玻璃換為輻射較低的玻璃時，就可以使中空玻璃的傳熱系數、遮陽系數以及太陽得熱系數有效降低，同時也會將可見光透過率降低。在相同厚度的玻璃下，增大中空玻璃的間隙，就能夠使系統的傳熱系數降低，但是中空玻璃的遮陽系數以及太陽得熱系數、可見光透過率就不會有太大的影響。另外，使用厚度不同的低輻射玻璃就會影響中空玻璃的各項性能，但是對普通玻璃增加其厚度就不會對中空玻璃的各項系數造成太大的影響。

三、氣候差異異同時降低能耗的措施

在較為寒冷北方的地區，例如哈爾濱，應盡量使門窗玻璃的傳熱系數降低，增加太陽得熱系數，能夠有效實現節能。

在夏熱冬暖的南方地區，例如廣州，門窗玻璃的太陽得熱系數能夠在很大程度上影響建筑的能耗，但是傳熱系數對其影響較小。

在夏熱冬冷的地區，例如上海，若想有效的實現建筑物節能，就應用最大限度的降低門窗玻璃的傳熱系數以及太陽得熱系數。尤其作用在較大的墻體上時，作用更加明顯。

在較溫和的地區，例如重慶，可通過增大墻體面積使傳熱系數以及太陽得熱系數均降低，以達到最終降低能耗的目的。

在寒冷的地區，例如北京，降低門窗玻璃的傳熱系數就能夠有利于建筑節能建設，當墻體大于等于0.5時，就應該將玻璃的太陽得熱系數降低，而當窗體小于等于0.3時，就應該使太陽得熱系數增加以降低能耗。

結語：

綜合以上分析得出，傳熱系統的系數越高，室內外能量的交換就會越多，門窗的保溫性能就會越差，太陽得熱系數越高，室內環境接收的太陽能量就會越多。由此證明，門窗的傳熱系數、太陽得熱系數的變化與建筑制冷能耗有著一致的變化趨勢。為了節能提高節能效果，就需要在建筑中使用低輻射系數的玻璃以及選擇較小熱導率的木材以使門窗的傳熱系數降低。因門窗的材料選擇直接影響著建筑的節能保溫性能，所以，在制作門窗時應盡量選擇小熱導率的材料，以使門窗的保溫性能得到提高，使能耗降至最低，玻璃材料的傳熱系數以及太陽得熱系數能否降低直接影響著夏季制冷能耗能否降低，但在建筑中，使用鋁合金窗框增加了厚度，在夏季制冷能耗降低的同時，卻使冬季采暖能耗增加，所以，針對于夏季制冷需求較大的地區，就可以利用使太陽得熱系數降低以達到節能的目的。針對于寒冷地區，采用低輻射的玻璃難以實現建筑節能。

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