黑龍江省第四步節能的外窗性能研究

馬翼飛，王 磊，王昭俊

(1.哈爾濱工業大學 建筑學院，黑龍江 哈爾濱 150006； 2.寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150090)

1 概述

據統計，全國建筑運行能耗約占社會總能耗的23%，其中北方城鎮建筑供暖的能耗占全國建筑運行能耗的20%[1]。黑龍江省位于我國嚴寒地區，冬季氣溫低，供暖期長，供暖能耗高。

外窗是建筑圍護結構節能的薄弱環節，其耗熱量占建筑耗熱量近50%，節能設計需要重點關注外窗。劉夢婷[2]分析了嚴寒和寒冷地區第四步節能下圍護結構傳熱系數對建筑耗熱量的影響，結果表明外窗傳熱系數對建筑耗熱量有很大影響。金虹等[3]模擬計算了哈爾濱市某多層住宅的供暖能耗，并進行了敏感性分析。結果表明，建筑供暖能耗的前2位敏感因素是外窗傳熱系數、外窗遮陽系數。代金等[4]對和田地區某典型多層住宅建筑的能耗模擬結果表明，南向窗墻比可適當增大，但不宜大于0.6，南向窗墻比為0.5時建筑能耗最小。周小慧[5]對嚴寒地區某住宅建筑能耗模擬的結果表明，通過改變外窗傳熱系數等參數，可使建筑能耗降低約21.4%。

外窗的傳熱與很多參數相關，包括外窗傳熱系數(簡稱傳熱系數)、外窗遮陽系數(簡稱遮陽系數)、朝向、窗墻比。本文分析各參數對外窗傳熱的影響。

2 研究內容

本文采用能耗模擬的方法，分析傳熱系數、遮陽系數、朝向、窗墻比對外窗傳熱的影響。用DeST-h軟件建立房間模型并代入各參數進行模擬計算，研究供暖期外窗的熱工性能。

2.1 物理模型簡介

在DeST-h軟件中建立一個單面外墻有窗的房間模型，室外參數選擇哈爾濱的氣象參數，室內溫度取18 ℃。房間長寬均為6 m，層高為3 m，窗臺高0.8 m，窗高1.5 m，窗寬度根據設定的窗墻比而變化。在第3.1節和第3.2節中探討遮陽系數、朝向和傳熱系數對外窗傳熱的影響，取窗墻比為定值0.25，此時窗寬度為3 m。

除外窗外，其余圍護結構各自的參數按照第四步節能標準JGJ 26—2018《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》中對嚴寒地區B區規定的限值選取，在模擬時均不變。建立的建筑模型見圖1。

圖1 DeST-h軟件模擬建筑模型

2.2 研究方法

本文利用DeST-h軟件對外窗進行模擬分析。DeST-h軟件是DeST軟件中居住建筑的計算模塊，能夠計算建筑全年的供暖耗熱量和能耗，也能以1 h為時間步長計算出各房間逐時耗熱量，并計算出逐時外窗散熱量和太陽輻射得熱量。以1 h為時間步長，研究建筑的動態熱特性。

3 模擬結果與分析

3.1 遮陽系數與朝向的影響

哈爾濱位于我國嚴寒地區B區，依據JGJ 26—2018，供暖期取10月20日到次年4月1日，共163 d，其中1月為最冷月。在利用DeST-h軟件模擬時，從DeST下載站下載哈爾濱市典型氣象年氣象參數。通過在哈爾濱市場調研可得，普通3層玻璃遮陽系數最大能達到0.79，Low-E 玻璃遮陽系數最大能達到0.63。將模擬建筑的外窗設置成這2種玻璃，模擬計算太陽輻射得熱量。

對南向窗遮陽系數分別取0.63和0.79的情況進行分析，1月南向窗逐時太陽輻射得熱量模擬結果見圖2、3。遮陽系數記為CS。

圖2 1月CS為0.63的南向窗逐時太陽輻射得熱量

圖3 1月CS為0.79的南向窗逐時太陽輻射得熱量

由圖2、3可知，南向窗1月存在某些時段逐時太陽輻射得熱量較平均值小很多的情況，最大值與最小值差別較大。分析認為，在冬季南向窗可以接收到太陽的直射輻射和散射輻射，直射輻射占大部分，所以受天氣變化影響較大；當陽光不充足時，南向窗逐時太陽輻射得熱量會驟降。

通過DeST-h軟件模擬，得到供暖期各月不同遮陽系數南、北向窗月太陽輻射得熱量，見表1。

表1 供暖期各月不同遮陽系數南、北向窗月太陽輻射得熱量[6]

由表1可知，在哈爾濱供暖期各月中，南向窗月太陽輻射得熱量約為北向窗的4～6倍。增大遮陽系數能增大外窗月太陽輻射得熱量，增大遮陽系數時南向窗月太陽輻射得熱量的增量較北向窗多，在降低建筑能耗方面效果更明顯。從11月到次年3月，南向窗月太陽輻射得熱量先減少后增加，最小值出現在供暖期中期；北向窗月太陽輻射得熱量則逐漸增加。

以最冷月1月代表日期1月20日為例，對比分析不同遮陽系數南向窗逐時太陽輻射得熱量和逐時散熱量，見表2。其中，南向窗傳熱系數取1.6 W/(m2·K)，時段7指6:00—7:00，以此類推。

由表2可知：一天內，南向窗太陽輻射得熱量大于散熱量；增大遮陽系數使南向窗太陽輻射得熱量增加；7：00之前和18：00之后逐時太陽輻射得熱量均為0，逐時太陽輻射得熱量的最大值一般出現在11:00—14:00時段，逐時太陽輻射得熱量會隨當天具體天氣狀況發生變化。1月20日，由于中午忽然陰天導致直射輻射減少，南向窗太陽輻射以直射輻射為主，因此南向窗中午逐時太陽輻射得熱量有所降低。可見，南向窗逐時太陽輻射得熱量易受天氣變化影響。

表2 1月20日不同遮陽系數南向窗逐時太陽輻射得熱量與逐時散熱量

3.2 傳熱系數的影響

在黑龍江省第三步節能標準DB 23/1270—2008《黑龍江省居住建筑節能設計標準》中，外窗傳熱系數限值為1.8 W/(m2·K)，第四步節能標準DB 23/1270—2019《黑龍江省居住建筑節能設計標準》中外窗傳熱系數限值進一步降低。為了分析傳熱系數、遮陽系數對外窗供暖期散熱量、供暖期太陽輻射得熱量的影響，選取太陽輻射得熱量較大的南向窗進行分析，設定外窗傳熱系數為1.5、1.6、1.7 W/(m2·K)，遮陽系數分別為0.63和0.79。通過DeST-h軟件模擬，得到南向窗供暖期散熱量和供暖期太陽輻射得熱量，見圖4。

圖4 南向窗供暖期散熱量和供暖期太陽輻射得熱量[6]

由圖4可知：

① 在外窗傳熱系數與遮陽系數依照本節取值時，南向窗供暖期太陽輻射得熱量均遠大于供暖期散熱量。可見，太陽輻射得熱量是冬季居住建筑主要得熱量之一。

② 對南向窗整個供暖期，將遮陽系數從0.63提高到0.79時，太陽輻射得熱量增大約235 kW(相當于遮陽系數每提高0.1，增加的南向窗供暖期太陽輻射得熱量約為147 kW)。而作為對比，當遮陽系數不變時，將南向窗傳熱系數從1.7 W/(m2·K)降到1.5 W/(m2·K)，每降低0.1 W/(m2·K)，南向窗供暖期散熱量平均只減少約30 kW 。因此，在黑龍江省，建筑外窗尤其是南向窗的太陽輻射得熱量在降低建筑耗熱量方面起了重要作用。以往的節能標準只對外窗傳熱系數提出要求，建議在今后標準修訂時加入對外窗遮陽系數的限值要求，在降低傳熱系數的同時適當增加外窗的遮陽系數。這樣可以增加外窗供暖期太陽輻射得熱量，對居住建筑進一步節能很有意義。

③ 遮陽系數也對南向窗供暖期散熱量產生少許影響，可能是太陽輻射得熱量增加導致南向窗內側的空氣溫度升高而影響了傳熱的原因。

3.3 窗墻比的影響

一般情況下為了減少外窗散熱，窗墻比不宜過大，但為了增加冬季太陽輻射得熱量，可適當提高南向窗墻比。將模型中的外窗朝向設置為南向，分析不同窗墻比情況下，改變外窗遮陽系數與傳熱系數對建筑耗熱量指標(指建筑供暖期消耗的熱量除以建筑面積與供暖期時間的乘積)的影響。

設定外窗遮陽系數分別為0.6、0.7、0.8，傳熱系數為1.5、1.6、1.7 W/(m2·K)，南向窗墻比分別為0.25、0.35、0.45 時，模擬計算結果見圖5～7。

由圖5可知：當窗墻比取0.25、遮陽系數分別取0.6、0.7、0.8時，傳熱系數每增加0.1 W/(m2·K)，建筑耗熱量指標平均增加約0.36 W/m2。當傳熱系數分別取1.5、1.6、1.7 W/(m2·K)時，遮陽系數從0.6到0.8每增加0.1，建筑耗熱量指標平均減小約0.75 W/m2。

圖6 窗墻比為0.35時不同外窗參數下建筑耗熱量指標[6]

由圖6可知：當窗墻比為0.35、遮陽系數分別為0.6、0.7、0.8時，傳熱系數每增加0.1 W/(m2·K)，建筑耗熱量指標平均增加約0.43 W/m2。當傳熱系數分別為1.5、1.6、1.7 W/(m2·K)時，遮陽系數從0.6到0.8每增加0.1，建筑耗熱量指標平均減小約0.80 W/m2。

圖7 窗墻比為0.45時不同外窗參數下建筑耗熱量指標[6]

由圖7可知：當窗墻比取0.45、遮陽系數分別取0.6、0.7、0.8時，傳熱系數每增加0.1 W/(m2·K)，建筑耗熱量指標平均增加約0.49 W/m2。當傳熱系數分別為1.5、1.6、1.7 W/(m2·K)時，遮陽系數從0.6到0.8每增加0.1，建筑耗熱量指標平均減小約0.85 W/m2。

結合圖5～7可知，從節能角度看，減小外窗傳熱系數，可減小建筑耗熱量指標；增大外窗遮陽系數，也可減小建筑耗熱量指標。在選取節能外窗時，應綜合考慮外窗傳熱系數和遮陽系數的影響。

在第四步節能目標下，外窗傳熱系數已經取值較低。當外窗其他參數不變時，在一定范圍內增大南向窗墻比，建筑耗熱量指標減小。所以在黑龍江省適當增大南向窗墻比是有利于節能的，節能標準中可適當放寬南向窗墻比的限值。

4 結論

外窗耗熱量在居住建筑耗熱量中占比較大，因此對外窗應用DeST-h軟件建立計算模型并進行動態逐時分析，計算了在不同外窗參數條件下外窗散熱量、外窗太陽輻射得熱量和建筑耗熱量指標，分析在外窗節能中各參數的影響。主要結論：

① 在供暖期內從11月到次年3月，南向窗月太陽輻射得熱量先減少后增加，南向窗月太陽輻射得熱量約為北向窗的4～6倍。

② 一天內南向窗太陽輻射得熱量大于散熱量，增大遮陽系數會增加南向窗太陽輻射得熱量。

③ 遮陽系數每提高0.1，增加的南向窗供暖期太陽輻射得熱量約為147 kW；傳熱系數每減小 0.1 W/(m2·K)，平均減小的南向窗供暖期散熱量約為30 kW。遮陽系數對外窗太陽輻射得熱量影響較大，在選取外窗時，應綜合考慮遮陽系數和傳熱系數。

④ 在第四步節能目標下，外窗傳熱系數已取值較低，在一定范圍內適當增大南向窗墻比有利于外窗節能。