夏热冬暖地区外窗对建筑节能影响的分析

　　夏热冬暖地区外窗对建筑节能影响的分析福建省建筑科学研究院黄夏东王云新赵士怀响，表明该地区通过外窗进入室内的热量（包括温差传热和辐射得热），占室内总得热量的相当大部份，成为影响夏季空调负荷的主要因素，是建筑节能的关键所在；建筑使用各种不同类型的节能窗产品，使得夏季通过窗户进入室内的太阳辐射得热和温差得热不同程度地降低，起到了节能作用。本文同时提出夏热冬暖地区选择外窗的看法和建议。

　　建筑外围护结构中，普通窗户的保温隔热性能比外墙差得多，夏季白天通过窗户进入室内的太阳辐射热随窗面积增大而增大，空调的能耗也将加大。在夏热冬暖地区居住建筑总能耗中，空调能耗占了主要部分，因此，我们尤要注意外窗对建筑能耗和节能的影响。这里，我们将通过计算机动态模拟技术计算来分析夏热冬暖地区建筑外窗对室内热环境的影响。

　　1计算机动态模拟分析对象和计算条件本文利用热反应系数法建立了模拟单房间建筑热I：性能动态数学模型，并编制成计算机模拟程序一STCP.编制程序时考虑了窗的遮阳系数和通过窗户进入室内的太阳辐射得热。使该程序主耍研究夏季外窗对房间能耗和节能的影响。

　　为使问题具有普遍性，本文选择夏热冬暖地区常规的住宅房间（位于顶层的*西边）为研究对象，如所示。该房间屋顶为砼板加隔热层结构，传热系数K=1.82W/m2k；东、西、南、北墙为190mm粘土空心砖墙，其中：外墙K=1.82W/m2k，内隔墙K=1.60W/m2.k；地板为砼板结构，K=3.10W/m2-k. 5°C.假设房间无人居住、不使用电器和无空调新风，换气次数n==1.0次/h.气象数据选取夏热冬暖地区福州1983年8月1日5日逐时的气温、相对湿度、水平太W辐射值（直射和散射）、风速和地表度8月5日这一天，*高气温ta=36°C，水平太阳福射日总量，=2.平均风速v=2.4m/s，该气象参数具有代表性。

　　在选择不同窗型和南向不同窗墙面积比条件下，模拟计算分析房间得热和空调冷负荷变化。本文设定普通5mm厚透明玻璃铝合金窗（传热系数K=6. k，遮阳系数Sr=0. 9，）作为基准窗（详见表3Na.l窗型），南向窗户基本尺寸变化列于表1.利用美国老伦斯伯克力国家实验室开发的DOE―2软件，对夏热冬暖地区一座六层建筑物热工性能进行了计算分析，主耍研究外窗对整幢建筑物的能耗和节能影响。本文假设把该建筑物是否采取节能措施分别定义为基础建筑物和节能建筑物，条件见表2.气象数据分别选取福州和广州典型气象年数据。

　　其性能见表3.在WDOE-2软件分析中我们定义了居住建筑综合窗墙比Cz参数，即居住建筑各朝向外窗总面积与外墙总面积（含窗面积）的比值，Cz与通常说的各朝向窗墙面积比概念有所不同，如本文选取的基础建筑，南墙窗墙面积比为0.42，北墙为0.3，东、。西墙为0.15，通过计算，它的综合窗墙面积比Cz为0.3.表1窗户基本尺寸变化窗尺寸（高X宽）m窗墙面积比Cz表2基础建筑与节能建筑计算条件基础建筑物节能建筑物屋顶外墙传热系数K=2.47（W/m2k）（180mm粘土实心砖）传热系数K=2.0和1.5（W/m2k）分为240mm粘土实心碎和加保温层240mm粘土实心砖采暖设备空调设备室内温度S天室内换气次数外窗茌准窗：传热系数K=6.0CW/m2k）遮阳系数Sr=0.9各种节能窗型窗型编号名称传热系数K（W/m2k）遮阳系数Sc普通铝合金窗（5mm白玻）PVC塑料窗（5白玻）热反射镀膜玻璃铝窗热反射镀膜玻璃PVC塑料窗透明中空玻璃铝窗透明中空玻璃铝窗（断热型材）透明中空玻璃PVC窗L0W-E中空玻璃铝窗L0W-E中空玻璃铝窗（断热型材）2模拟计算分析结果2.1夏季外窗对单间房间的能耗和节能影响通过窗户进入室内的热量（包括温差传热和辐射得热），占室内总得热量的相当大部分，成为影响夏季空调负荷的主要因素。如南向窗墙面积比Cz=0.327时，通过普通铝合金窗室内得热卩丨房间总得热42.9%，PVC塑料窗占41.6%，透明中空玻璃铝窗「I丨38.2%.Cz=0. 6时，以上三种窗型得热占房间总得热分别提高到60.随着窗面积（窗墙面积比）增大，通过窗得热急剧增加，空调冷负荷也随之急剧增加。如南向窗墙面积比Cz从0. 327增加到06，铝合金窗房间冷负荷增加32.4%，PVC塑料窗房间冷负荷增加30.1%，热反射镀膜玻璃铝窗房间冷负荷增加24%.Cz增加到1.0，上述窗型房间冷负荷分别增加74.8%、71%和60.1%.通过窗户进入室内的热量，包括室内外温差得热和太卩丨丨辐射得热两部分，而太阳辐射得热是窗的总得热的主要部份，如南向窗墙面积比C，=0.327时，普通铝合金窗太阳辐射得热是温差传热得热的3. 1倍，PVC塑料窗太阳辐射得热是温差传热得热4.3倍，热反射镀膜玻璃铝窗太阳辐射得热是温差传热得热1. 9倍。

　　使用节能窗能不同程度降低室内冷负荷，尤其使用热反射镀膜玻璃窗和Low―E中空玻璃窗，与使用普通铝合金窗相比，冷负荷降低较多。如Na3窗（热反射镀玻璃铝窗）降低了12.4%，Na8窗（Low-E中空玻璃铝窗）降低了Low―E中空玻璃窗，由于它具有很低的遮阳系数和传热系数，是高性能节能窗；其次是热反射镀膜玻璃窗，尽管它传热系数同普通铝窗相同，但它的遮阳系数较低，节能效果仅次于Low―E玻璃窗；透明中空玻璃窗性能居中；PVC塑料窗抵御太阳辐射得热能力同铝窗一样，但它传热系数低一些，因此节能效果稍胜铝窗，但比前三种节能窗型均差。

　　表4给出了在不同南向窗墙面积比时，采用不同窗型的房间的冷负荷变化、房间冷负荷q与南向窗墙面积比Cz关系式。经分析，q.与Cz有很好的线性关系，相关系数均在。

　　9896以上。表示了它们线性图形关系。

　　表窗型房间冷负荷q.W/m2关系式相关系数R qO与CZ关系表qq~Cz关系。2外窗对整幢建筑物的能耗和节能影响用STCP软件对单间房间模拟计算和DOE-2软件对整幢建筑物模拟计算得出的结果，基本上是一致的，但D0E-2软件用全年气象数据模拟计算，因此它反映出的建筑物能耗节能规律更深入全面。

　　通过D0E-2软件计算分析表明，当一建筑物屋顶与外墙热工性能、采暖空调设备能效比、换气次数及朝向均保持不变，且采用同一窗型时，建筑物采暖空调总能耗Q与综合窗墙面积比Cz奋很好的线性关系（规律与单间房间相同），节能率q与。也有很好的线性关系，其相关系数R值很高，当观察次数为7时，R均大T0.97，大部分在0.99以上。、和分别表示福州和广州的nCZ关系曲线。

　　本文定义：建筑物节能率为，n=基础建筑年能耗一节能建筑年能耗甚础建筑年能耗（建筑年能耗即全年采暖和空调能耗）、表明福州建筑物外墙传热系数K分别为2. 0和1.5时，节能率n和综合窗墙比Cz的关系。从图中可以看出，在保证一定节能率的前提下，外墙的传热系数不同时，建筑物对外窗的要求也不同。如：当窗墙面积比C尸0. 25时，对外墙K=2.0W/m2k的建筑物，应耍求地9的窗型，才能保证节能50%.而对外墙K=1.5W/m2k的建筑物，窗型选择范围可从阶4施9.由此可见，外窗窗型的选抒受到外墙性能的影响，外墙传热系数的降低，能增加外窗窗型品种的选择范围。

　　夏热冬暖地区随着纬度的变化，其外窗对建筑室内热环境的影响也不同。从和可看到，福州地区与广州地区的关系曲线图明显不同，中Sr相同的直线组非常靠拢，中没有这个现象，说明：纬度较高地区，如福州，外窗的传热系数K值和遮阳系数值同时影响建筑物的能耗的节能率。

　　纬度较低地区，如广州，年平均气温比福州高，夏热冬暖特征更明显，外窗K值对建筑耗能和节能率影响甚小，而遮阳系数Sc起了主要作用。

　　福州地区n-CZ关系曲线（重质墙体K=l.5 D>3.、和是十分有用的，利用它可以做下列工作：知道某一窗型和建筑物综合窗墙比，查找出该建筑物年节能率。

　　确定某一建筑物节能率后，查找该建筑物所耍求的窗型和综合窗墙比。

　　实例1福州地区某建筑物（外墙K=l.5）使用塑料外窗（K=4.7，SC=0.9），综合窗墙比CZ=0.3，通过，可查出该建筑物年节能率n=42%.求年节能率n =50%，通过，可查出该建筑物*低应使用Sr=0.5外窗（K=6.0或4.7），综合窗墙比Cz应小等于0.32. 3夏热冬暖地区外窗选择的看法和建议建筑窗墙面积比，应有所限定。

　　纬度较高地区，如福州，在选择外窗产品时，耍综合考虑传热系数K值和遮阳系数Sc值。

　　纬度较低地区，如广州，在选择外窗产品时，主耍以遮阳系数Sc作为选择的依据。

　　应积极推广使用节能窗，尤其要注意使用遮阳系数S.低的节能窗。在经济条件许可时，应有针对性地选择使用热反射镀膜玻璃窗，透明中空玻璃窗和Low-E中空玻璃窗等节能窗。

　　在夏热冬暖地区窗型材料选择同窗玻璃选择相比，窗玻璃选择更重要。窗型材料和玻璃选择时，应注意性能和价格比较。

　　提倡在窗户上采用各种外遮阳措施，进一步提高窗户的遮阳效果。

　　总之，在夏热冬暖地区选杼外窗，不能只注重外窗的传热系数，还应看到外窗的遮阳系数对该地区建筑节能起到了至关重要的作用。生产企业在生产外窗时，耍更多地注意其遮阳的性能，使之适合于夏热冬暖地区使用。