寒冷地区太阳能住宅直接受益窗的节能设计研究

关键词：寒冷地区、直接受益窗、节能设计 

abstract: in this paper, according to the cold climate characteristics, through the study of solar house directly benefits the reasonable window than and improve the window wall of all parts of the thermal performance to improve cold areas living hot environment, improve heating energy efficiency, improve the renewable energy (solar) utilization rate, to save energy and protect the environment goals. 

keywords: cold areas, direct benefit from the window, the energy saving design 

 

中图分类号：tu201.5 文献标识码：a 文章编号： 

正文： 

在传统居住建筑中，建筑师为了争取日照，以及获得明快、开朗的建筑艺术效果，总希望把窗户开大些，由于窗户与外墙的传热系数相差较大，窗户是外围护结构保温的薄弱环节，这必然增加采暖的负荷。为改善寒冷地区居住建筑在晴天白天透过南向窗户的太阳辐射量大，引起的室温超过设计温度（采暖系统没有那么灵敏，迅速减少暖气片的热水流量），热量浪费不能蓄存起来夜晚使用的问题。在国家倡导节能减排的环境下，太阳能住宅采用被动式直接受益窗，在热工计算中提高窗户的太阳辐射得热量及窗户的热工性能，既合理的增加窗墙面积比，又可达到节能的目的。 

1、寒冷地区气候特点 

《民用建筑热工设计规范》（gb50176-93）对建筑热工设计进行了分区，将全国建筑热工设计划分为5个分区，包括严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。我国的寒冷地区包括天津、山东、宁夏全境；北京、河北、山西、陕西大部分；辽宁南部；甘肃中东部以及河南、安徽、江苏北部的部分地区。 

寒冷地区的普遍气候特点是：1月平均气温-10~0℃，7月平均气温18~28℃，年降水量300~1000mm，基本风压0.3~0.5。而寒冷地区属于全国太阳能资源分布丰富的地区，这就为在居住建筑中利用太阳能提供了有力的自然资源支持。寒冷地区居住建筑冬季采暖能耗占建筑全年总能耗的40%左右，利用被动式太阳能住宅直接受益窗，即可将白天收集的太阳能在夜晚释放，减少室内温度波动，又可使用太阳辐射能代替部分常规能源，节约能源。 

2、被动式太阳能住宅直接受益窗 

直接受益窗是被动式太阳能住宅是使用最广的一种方式，具有构造简单，易于制作、安装和日常的管理与维修；与建筑功能配合紧密，便于建筑立面处理，有利于设备与建筑一体化设计等优点。其是利用地板和侧墙蓄热，就是房间本身就是一个集热储热体，在日照阶段，太阳光透过南向玻璃窗进入室内，地面和墙体吸收热量，表面温度升高，所吸收的热量一部分以对流的方式供给室内空气，另一部分以辐射的方式与其他围护结构内表面进行热交换，第三部分则由地板和墙体的导热作用吧热量传入内部储存起来。当没有日照时，被吸收的热量释放出来，主要加热室内空气，维持室温，其余传递到室外。 

经稳态计算得知窗户的传热系数较小时，南向窗户是净得热构件。被动式太阳能住宅基本的原则是尽量增大南向采光窗面积，减小北向窗面积，减少或不设东西向窗。 

总而言之，集热、蓄热、保温措施是被动式太阳能住宅设计中三个重要组成部分，三部分的性能直接决定太阳能的使用效率。直接受益窗作为太阳能集热和外围护结构中的热损失薄弱部件，对窗户的设计至关重要，具体做法既是合理增加住宅南向的窗墙及提高窗户各部件的热工性能。 

3、窗户节能设计 

3.1合理窗墙面积比 

窗墙比为窗户洞口面积与房间立面单元面积（即建筑层高与开间定位线围成的面积）之比。根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》(jgj26-2010)规定，窗墙比最大值控制在南向0.5，北向0.3，东西向0.35。如果需要扩大窗墙比，应进行维护结构热工性能的权衡判断。严寒和寒冷地区夏季空调降温的需求相对很小，因此建筑围护结构的总体热工性能权衡判断以建筑物耗热量指标为判据。 

1.1 首先假定一个基准：房间建筑面积 ，南向窗户，窗墙面积比按规范限值0.5。与之对应的窗的传热系数为2.3 w/（ k），外墙的传热系数为0.70 w/（ k）。建筑物耗热量指标的基准值： = + -（1） 

式中： 为基准建筑物耗热量指标（w/ ）； 为折合到单位建筑面积上单位时间内通过建筑围护结构的传热量； 为折合到单位建筑面积上单位时间内建筑物空气渗透耗热量； 为折合到单位建筑面积上单位时间内建筑物内部得热量，取3.8 w/ 

其中： = + + + +（2） 

式中： 、 、 、 、 分别为折合到单位建筑面积上单位时间内通过外墙、屋面、地面、窗（门）、内非采暖封闭阳台的传热量（w/ ）。 

其中： ＝ ＝（3） 

式中： 为窗的面积； 为窗外表面采暖期平均太阳辐射热； 为窗的太阳辐射修正系数（ ＝0.87×0.70×sc，其中sc为窗的综合遮阳系数；0.87为3mm普通玻璃的太阳辐射透过率；0.70为折减系数）。 

1.2当太阳能住宅利用直接受益窗时，提高围护结构热工性能，为收集更多的太阳能合理增加窗墙比设为x，则外墙在整个立面单元所占的比例为(1-x)，建筑物耗热量指标为 ，折合到单位建筑面积上单位时间内建筑物内部得热量为 外墙平均传热系数 (w/（ k）)；窗户的传热系数 ， 

1.3 为了控制待定房间的耗热量指标，使之小于或等于基准房间的水平，即： ≤（4） 

经（1）（2）（3）（4）整理得： ≤ 

上式给出了决定窗墙比的因素有：外墙、窗户的热工性能（保温、隔热），地区的气候特征（气温、太阳辐射强度）。 

控制使用直接受益窗的被动太阳能住宅耗热量指标小于或等于传统住宅耗热量指标，即 

以常规住宅房间尺寸为例，计算当使用直接受益窗的太阳能住宅，窗墙比可以达到的系数。假定：房间开间×进深×层高＝3.3×4.8×2.8 ，外墙结构为200mm加气混凝土+80mm聚苯板保温+18 mm纯石膏板，传热系数0.57 w/（ k），外窗选用断桥铝三层玻璃（充入惰性气体），传热系数1.9 w/（ k），使用直接受益窗后被动式太能住宅能节能率为30%，空气渗透耗热量占窗户热损失量的8%（仅为缝隙渗透）。计算出采用直接受益式太阳能住宅的窗墙比 ≤0.55即可满足标准要求。当提高外墙、窗户的热工性能，窗户的气密性及太阳能辐射透过率时，窗墙比可继续增加。窗墙比增加的同时，建筑室内热环境标准不变，采暖常规能源消耗会显著减少。