住宅窗户的节能研究

 

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Dest Housing，对建筑物进行逐时的模拟计算。 DeST是Designer's Simulation Toolkit的缩写，中文名为建筑热环境设计模拟工具包。是清华大学空调实验室在十余年的科研成果的基础上，研制开发的面向暖通空调设计者的集成于AutoCAD R14上的辅助设计计算软件。DeST能够模拟计算建筑在逐时外温、太阳辐射、室内热扰、长波辐射、邻室影响等综合作用下的逐时 自然 室温和耗冷耗热量。3.2 窗户计算原理 在DeST Housing中，窗户在建筑整体的计算中是作为围护结构的一部分嵌入的，由于DeST是运用状态空间法进行传热计算，因此窗户跟墙一样，要分层并给定温度节点，已有的算法认为每片玻璃的中心为一个温度节点，根据这一原则进行分层，列出整个窗户的热平衡方程组，在此基础上将其与整个建筑的热平衡方程组联立，就能进行各种计算。窗户的特殊之处在于它不仅是类似于墙的一种传热构件，还是一种透光构件，这一特殊之处表现在整个算法当中就是将窗户的计算分为两个独立的部分：传热和导光，两者的交叉之处在于消光得热的计算。传热部分由窗户的热平衡方程组解决，导光部分单独计算，并把窗户吸收的热量放到热扰矩阵中去。3.3 计算过程 3.3.1 定义表示窗户节能效果的参数：ER/ERCDeST Housing虽然可以计算出房间的采暖能耗和空调能耗，但是房间能耗并不能直观地反映窗户的节能效果。在本文中，定义一种单层透明玻璃窗为基准窗，这个基准窗的具体热工参数为：U＝6.17 W/ m 2 . ℃，G＝0.86。假设使用这个窗户时，房间的采暖季全年累计能耗为   （KWh/m 2 ），而使用某一种窗户n的房间采暖季全年累计能耗为   （KWh /m 2 ），房间面积为   （m 2 ），窗户面积   （m 2 ），则采暖季累计每平方米窗户节省的能耗为：   ，定义：（KWh/m 2 ） (1) 由于房间能耗从   变化到   ，除了窗户改变以外，其它条件均保持不变，故ER反映了该窗户相对于基准窗的采暖季节能量。而任意两个窗户的ER的差，则反映了它们之间节能量的差异。ER越大，该窗户的采暖季节能效果就越好。同样假设使用基准窗时，房间的空调季全年累计能耗为   （KWh/m 2 ），而使用某一种窗户n的空调季全年累计能耗为   （KWh /m 2 ），则空调季累计每平方米窗户节省的能耗为   ，定义ERC如式(2)，则ERC就是一个可以表征窗户空调季节能效果的数了。（KWh/m 2 ） (2)在本文以后的计算分析中，就以ER/ERC来计量某一窗户的节能效果。3.3.2 计算条件设定本文在接近实际情况的基础上，取了一个实际塔楼建筑的平面图，该建筑有四个分别朝向东、西、南、北的房间，每个房间有一扇外窗，且这四个房间除了外窗朝向不同外，其它条件基本一致。围护结构的材料和参数取常用值。通过改变窗户玻璃的参数及其玻璃组合，设定了19种玻璃窗并模拟计算的其传热系数U和太阳得热系数G，如表1所示, 其中玻璃g4为有色玻璃，g5为低辐射镀膜玻璃。空气层厚度是指两片玻璃之间的空气层厚度，单层玻璃窗不存在空气夹层。表1 典型玻璃窗结构及其热工参数 窗户编号 玻璃组合① 空气层厚度（mm） U(W/ m 2 . ℃) G  W0 g1 —— 6.17 0.86  W1 g4 —— 6.17 0.61  W2 g3 —— 6.12 0.75  W3 g7+g7 6 3.28 0.83  W4 g2+g2 6 3.27 0.76  W5 g1+g3 6 3.19 0.71  W6 g3+g3 6 3.17 0.61  W7 g6+g6 6 3.07 0.57  W8 g7+g7 12 2.82 0.83  W9 g2+g2 12 2.81 0.76  W10 g1+g1 12 2.75 0.76  W11 g4+g4 12 2.75 0.44  W12 g1+g3 12 2.74 0.71  W13 g3+g4 12 2.74 0.56  W14 g3+g3 12 2.73 0.61  W15 g6+g6 12 2.65 0.57  W16 g2+g5 12 2.24 0.72  W17 g7+g7+g7 12 1.82 0.77  W18 g2+g2+g2 12 1.81 0.68     注①: 玻璃组合从左到右依次为从室外侧到室内侧的玻璃。如g1+g3，表示该玻璃窗g1玻璃朝向室外，g3玻璃朝向室内。4  影响 窗户节能效果的因素 分析  以ER和ERC为主要度量参数，以北京和哈尔滨两地为例，利用DeST Housing对建筑楼层、外墙性能、窗墙比、房间大小、内部发热量和窗户朝向等可能影响窗户节能效果的因素分别做了 计算 分析。这些影响因素的变化范围的选取，充分考虑了实际住宅可能达到的变化范围的上、下限，因此，所得的结论适用于普通住宅。计算分析结果表明：（1）对于多层建筑，窗户在建筑中所处的楼层位置对窗户ER和ERC的影响不大，一层以上的房间，窗户ER基本相等。除了底层和顶层房间，中间楼层的ERC也基本相等；（2）ER和ERC受外墙保温和蓄热性能的影响很小，在讨论的外墙变化范围内，ER的浮动最大不超过5%，ERC的浮动最大不超过10%，一般情况下浮动在2%左右，所以认为，ER和ERC受外墙保温和蓄热性能的影响小到可以忽略，即不管和什么外墙配合使用，每平米窗户节省的能耗基本不变；（3）当窗墙比从15%变化到30%时，绝大部分窗户在各个朝向的ER值基本保持不变，个别变化幅度大的，变化的绝对值也小；窗户ERC的变化幅度比ER的变化大一些，但基本能保持在5%到10%之间。因此认为窗户的节能效果受窗墙比的影响很小，特别是采暖季；（4）房间大小对窗户冬季节能效果的影响很小，可以忽略不计，但是对窗户空调季节能效果的影响比较大，可不可以忽略要视具体情况而定；（5）房间的内部发热量大小在住宅可能的范围内变化时，对每单位面积窗户采暖季或空调季平均节能效果的影响并不显著；（6）根据普通居民的开窗习惯，房间通风量对窗户冬季节能效果的影响很小，可以忽略不计；而房间通风量对窗户空调季节能效果的影响比较大，能不能忽略要视具体情况而定；（7）窗户朝向对窗户节能效果的影响无论采暖季还是空调季都比较显著，对窗户的节能 研究 进行分朝向探讨是必要的。5 对北京和哈尔滨的采暖季建立窗户ER的经验回归公式 通过上面的分析发现，表征窗户采暖季和空调季节能效果的量ER和ERC受住宅楼层、外墙保温性能、窗墙比、以及房间内部发热量等因素的影响不大，在误差范围内可以忽略。特别是采暖季，房间大小和通风换气气数对窗户节能效果的影响也都小到可以忽略。同时，采暖季不存在遮阳 问题 ，用户的使用习惯对窗户节能效果的影响也很少。因此，窗户采暖季的节能效果可以认为只和窗户朝向、窗户所在地理位置和窗户本身的性能有关。在窗户的热工性能里，影响采暖能耗的主要是保温隔热性能、太阳得热性能和密闭性能。其中，密闭性能对窗户能耗的影响较保温性能和太阳得热性能相比，又小了很多，特别是以 目前 的技术水平，要使得窗户达到优良的密闭性能并不难。所以，在本文里暂不考虑窗户密闭性能对采暖能耗的影响，假设窗户的密闭性能都很相近，并达到了较好的水平。由此，在相同气象参数下，窗户采暖季的节能效果就只和窗户朝向以及窗户的保温性能和太阳得热性能有关，即在相同气象参数、相同朝向下，窗户的ER可以表示为窗户的传热系数U和太阳得热系数G的函数。如果通过动态模拟计算得到多组窗户的ER和U与G的关系，就可以回归成一个经验公式，用它来预测某种已知U和G的窗户的采暖季节能效果。该回归公式可以表示为：   ，其中   和   是通过量纲归一得到的无量纲的量，   ,   ，G是太阳得热系数，原本无量纲。因为某一窗户的ER代表了使用该窗户和基准窗相比，平均每平米窗户节省的采暖季累计能耗。如果建立了窗户   的经验回归公式，就能够很快地由窗户的传热系数U和太阳得热系数G计算出   ，从而也就大概知道了该窗户在整个采暖季平均每单位面积节省的能耗。当两个窗户需要比较节能效果时，就可以通过它们的U和G方便快捷地计算出各自的   ，   大的窗户节能效果好，从而解决了已知窗户的热工参数，但如果不做具体的能耗模拟计算，就无法评价该窗户节能效果的问题。也避免了单凭传热系数U来选择窗户可能出现的失误。当然，由于前面所讨论的各个影响因素的存在，利用   经验回归公式计算得到的值可能和实际值有一定的差异，但是，上面的讨论结果和以下的检验结果都证明这个误差不会太大。更重要的是，窗户按照经验公式计算的   值的大小进行节能等级排序的结果，和按照实际模拟计算得到的   值的大小进行节能等级排序的结果是一致的。 从物理意义上讲，   一定和   和G的一次项相关，因此可据此选定回归公式的模型，再通过多元线性回归统计检验方程和模型参数估计值的可靠性。从而分别得到北京地区采暖季窗户的节能效果   的回归公式：北：    （5.1） 西：    （5.2） 东：    （5.3） 南：    （5.4）以上四个回归公式中，   表征了哈尔滨采暖季窗户的节能效果   越大，该窗户采暖季的节能量越大。四个回归公式中，   的系数都为负，   的系数都为正，这符合北京冬季窗户的节能量随着   的增大而减小，随着   的增大而增大的物理意义。同理，对哈尔滨地区采暖季窗户的节能效果   有回归公式如下：北：    (5.5) 西：    (5.6) 东：    (5.7) 南：    (5.8) 以上四个回归公式中，   表征了哈尔滨采暖季窗户的节能效果,   越大,该窗户每单位面积节省的累计采暖能耗就越多，节能效果越好。四个回归公式中，   的系数都为负,而   的系数都为正,这符合哈尔滨冬季窗户的节能量和传热系数U成正比，而和太阳得热系数   成反比的实际情况。6 结论 公式可以帮助设计人员迅速准确地估计窗户在具体城市具体朝向使用时的节能效果，从而因地制宜地采用节能窗户，避免盲目性，同时也避免了繁杂的能耗模拟计算。对于普通用户而言，则可以把晦涩难理解的热工参数方便地转化为一个简单直观的评估量，避免被片面的宣传所误导，如很低的传热系数等。公式的长处是综合了美国的窗户评级公式之基于动态模拟计算的优点，以及加拿大窗户评级公式之物理概念明确的优点。同时，   公式对不同气象条件、不同朝向的窗户分别讨论，也符合我国幅员辽阔，气象多样化的实际情况。   公式不足的是，不能对全国范围建立一个统一的公式，这将造成每个   公式使用的地域局限性。参考  文献  (1) 王苏颖，狄洪发。美国、加拿大窗户能耗等级评价体系综述。太阳能学报，Vol.23,NO.4,2002: 431~436(2) 杨云桦，狄洪发. 低辐射能玻璃窗的节能研究. 太阳能学报，Vol.22，No.3，2001：296-301(3) E.U.Finlayson，D.K.Arasteh，C.Huizenga， etc. Window 4.0: Documentation of Calculation Procedures". LBL. 1993(4) M.S Reilly， F.C.Winkelmann，D.K.Arasteh，etc. Modeling Windows in DOE-2.1E Energy and Buildings. 1995(22)：59-66