建筑门窗的节能原理及计算

1、541铝门窗的热工分析5411热工分析的一些基本概念（1）传热方式：传热是指物体内部或者物体与物体之间热传递的现象。凡是一个物体的各个部分或者物体之间存在着温度差，就必然有热能的传递、转移现象发生。根据传热机理的不同，传热的基本方式分为导热、对流和辐射3种。导热的机理：导热是由温度不同的质点（分子、原子、自由电子）在热运动中引起的热能传递现象。物体的导热传热量一定程度上直接由材料本身的导热系数九决定，其单位为W/（mk）。对流的机理：对流是由于温度不同的各部分流体之间发生相对运动、互相掺合而传递热能的现象。因此对流换热之发生在流体之中或者固体表面和与其紧邻的运动流体之间。热辐射的机理：热辐射是

2、凡是温度高于绝对零度（K）的物体，由于物体原子中的电子振动或激动，就会从表面向外界空间以电磁波的形式辐射出热能的现象。由于电磁波的传播不需要任何中间介质，也不需要冷、热物体的直接接触。因此，不论是高温物体还是低温物体，只要其温度高于绝对零度（K）,其本身都将向外界辐射热。但当两个物体温度不同时，高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量，从而使高温物体能量传递给了低温物体。（2）平壁的稳定传热：铝门窗由玻璃及铝框（钢附框）组成。其大面上绝大部分面积均为玻璃。在建筑热工学上可以将玻璃视为平壁。稳定传热是指我们所研究的物体或者体系，无论是整体还是局部都保持与时间无关的恒定状态，或

3、者说在传热过程中，各点的温度都不随时间而变化。在室内、外的温度不等时，热量总是从温度较高的一侧传向较低的一侧传向较低的一侧。如果室内、外气温都不随时间而变，围护结构的传热就属于稳定传热过程。这也是铝门窗热工分析的前提假设。除分析玻璃传热时采用平壁稳定传热的模型以外，在分析中空玻璃封闭空气层时也可采用平壁稳定传热的模型。（3）常用热工物理量及参数：传热系数：当材料层内外温差为1K时，在单位时间1h内通过单位表面积1m2通过的热量；单位为W/（m2k）导热系数：当材料层层单位厚度1m内的温度为1K时，在单位时间1h内通过单位表面及1m2通过的热量；单位为W/（mk）传热热阻：热量从平壁一侧空间传递

4、到另一次空间所受到阻碍的大小。热阻与传热系数是互为倒数的关系；单位为m2K/W。体型系数：建筑物与室外大气接触的外表面积(不计算地面)与其所包围的建筑体积之比。体型系数越大，说明单位建筑空间所分担的热损失面积越大，能耗越多。有研究资料表明，体型系数每增大0.01，耗热量指标约增加2-5%，一般宜控制在0.3以下。窗墙面积比：是指不同朝向上的窗、阳台门和透明部分的总面积与所在朝向建筑的外墙面的总面积(包括该朝向上的窗、阳台河透明部分的总面积)之比。5412热工分析的基本要求(1)围护结构热工分析的气候分区根据全国各地气候的差异，公共建筑节能设计标准GB50189-2005中将全国主要城市划分成了

5、5个气候分区：严寒地区A区、严寒地区B区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区。见表5.4.1。表5.4.1主要城市所处的气候分区气候分区代表性城市严寒地区A区海伦、博克图、伊春、呼玛、海拉尔、满洲里、齐齐哈尔、富锦、哈尔滨、牡丹江、克拉玛依、佳木斯、安达严寒地区B区长春、乌鲁木齐、延吉、通辽、通化、四平、呼和浩特、抚顺、大柴旦、沈阳、大同、本溪、阜新、哈密、鞍山、张家口、酒泉、伊宁、吐鲁番、西宁、银川、丹东寒冷地区兰州、太原、唐山、阿坝、喀什、北京、天津、大连、阳泉、平凉、石家庄、德州、晋城、天水、西安、拉萨、康定、济南、青岛、安阳、郑州、洛阳、宝鸡、徐州夏热冬冷地区南京、蚌埠、盐城、南通、

6、合肥、安庆、九江、武汉、黄石、岳阳、汉中、安康、上海、杭州、宁波、宜昌、长沙、南昌、株洲、永州、赣州、韶关、桂林、重庆、达县、万州、涪陵、南充、宜宾、成都、贵阳、遵义、凯里、绵阳夏热冬暖地区福州、莆田、龙岩、梅州、兴宁、英德、河池、柳州、贺州、泉州、厦门、广州、深圳、湛江、汕头、海口、南宁、北海、梧州(2)不同气候分区对外窗传热系数以及遮阳系数的要求：见表5.4.2表5.4.6。表5.4.2严寒地区A区围护结构传热系数限值围护结构部位体形系数W0.3传热系数KW/(m2K)0.3V体形系数W0.4传热系数KW/(m2K)单一朝向外窗窗墙面积比W0.2W3.0W2.70.2V窗墙面积比W0.3W

7、2.8W2.50.3V窗墙面积比W0.4W2.5W2.20.4V窗墙面积比W0.5W2.0W1.70.5V窗墙面积比W0.7W1.7W1.5表5.4.3严寒地区B区围护结构传热系数限值围护结构部位体形系数W0.3传热系数KW/(m2K)0.3V体形系数W0.4传热系数KW/(m2K)单一朝向外窗窗墙面积比W0.2W3.2W2.80.2V窗墙面积比W0.3W2.9W2.50.3V窗墙面积比W0.4W2.6W2.20.4V窗墙面积比W0.5W2.1W1.80.5V窗墙面积比W0.7W1.8W1.6表5.3.4寒冷地区围护结构传热系数和遮阳系数围护结构部位体形系数W0.3传热系数KW/(m2K)0.

8、3V体形系数0.4传热系数KW/(m2K)传热系数KW/(m2K)遮阳系数SC(东、南、西向/北向)传热系数KW/(m2K)遮阳系数SC(东、南、西向/北向)单一朝向外窗窗墙面积比W0.2W3.53.00.2V窗墙面积比W0.3W3.02.50.3V窗墙面积比W0.4W2.70.70/2.30.70/0.4V窗墙面积比W0.5W2.30.60/2.00.60/0.5V窗墙面积比W0.7W2.00.50/1.80.50/有外遮阳时，遮阳系数=玻璃的遮阳系数X外遮阳的遮阳系数；无外遮阳时，遮阳系数=玻璃的遮阳系数。表5.4.5夏热冬冷地区围护结构传热系数和遮阳系数围护结构部位传热系数KW/(m2K

9、)传热系数KW/(m2K)遮阳系数SC(东、南、西向/北向)单一朝向外窗窗墙面积比0.24.70.2V窗墙面积比0.33.50.55/0.3V窗墙面积比0.43.00.50/0.600.4V窗墙面积比0.52.80.45/0.550.5V窗墙面积比0.72.50.40/0.50有外遮阳时，遮阳系数=玻璃的遮阳系数X外遮阳的遮阳系数；无外遮阳时，遮阳系数=玻璃的遮阳系数。表5.4.6夏热冬暖地区围护结构传热系数和遮阳系数围护结构部位传热系数KW/(m2K)传热系数KW/(m2K)遮阳系数SC(东、南、西向/北向)单一朝向外窗窗墙面积比W0.2W6.5一0.2V窗墙面积比W0.3W4.70.50/

10、0.600.3V窗墙面积比W0.4W3.50.45/0.550.4V窗墙面积比W0.5W3.00.40/0.500.5V窗墙面积比W0.7W3.00.3时7.60.13表5.4.9外表面换热系数a及内表面换热阻R值适用季节表面特征aeW/(m2.K)Re(m2K/W)冬季外墙、屋顶、与室外空气直接接触的表面23.00.04与室外空气相通的不采暖地下室上面的楼板17.00.06闷顶、外墙上有窗的不采暖地下室上面的楼板12.00.08外墙上无窗的不采暖地下室上面的楼板6.00.17夏季外墙和屋顶19.00.054）空气间层热阻的确定封闭空气间层的热阻可按表5.4.10-1与表5.4.10-2采用表

11、5.4.10-1冬季空气间层热阻值位置、热流状态及材料特征冬季状况间层厚度（mm）5102030405060以上一般空气间层热流向下（水平、倾斜）0.100.140.170.180.190.200.20热流向上（水平、倾斜）0.100.140.150.160.170.170.17垂直空气间层0.100.140.160.170.180.180.18表5.4.10-2夏季空气间层热阻值位置、热流状态及材料特征夏季状况间层厚度（mm）5102030405060以上一般空气间层热流向下（水平、倾斜）0.090.120.150.150.160.160.15热流向上（水平、倾斜）0.090.110.130

12、.130.130.130.13垂直空气间层0.090.120.140.140.150.150.15通风良好的空气间层、其热阻可不考虑。这种空气间层的间层温度可取进气温度，表面换热系数可取12W/m2K。例5.4.2某铝外窗采用6+9A+5的中空玻璃，求6+9A+5中空玻璃的热阻及传热系数按式5.4.1计算出玻璃的热阻6mm厚平板玻璃的热阻R=6/九二0.006/0.76二0.00789m2K/W115mm厚平板玻璃的热阻R=6/九二0.005/0.76=0.00658m2K/W22按表5.4.8及表5.4.9查出玻璃的内外表面换热阻内表面换热阻：R=0.11m2K/Wi冬季外表面换热阻：R=0

13、.04m2K/We夏季外表面换热阻：R=0.05m2K/We按表5.4.10-1及表5.4.10-2查出9mm空气间层热阻冬季空气间层热阻：R=0.132m2K/W空夏季空气间层热阻：R=0.114m2K/W空按式5.4.3计算得出6+9A+5中空玻璃的热阻为：冬季：R=R+R+R+R+R0i1空2e=0.11+0.00789+0.132+0.00658+0.04=0.2965m2K/W夏季：R=R+R+R+R+R0i1空2e=0.11+0.00789+0.114+0.00658+0.05=0.2885m2K/W6+9A+5中空玻璃的传热系数为：冬季：K=1/R=1/0.2965=3.37W/

14、m2K0夏季：K=1/R=1/0.2885=3.47W/m2K05）铝门窗框梃扇的热阻确定：铝门窗的玻璃由于材料单一，材性布置均匀，所以可以按照平壁稳定传热的模型来确定其传热系数；但铝门窗的边框、中梃以及开启扇却不能按照平壁稳定传热的模型来确定其传热系数。作为隔热型铝门窗，其框梃扇一般都是由铝合金型材以及尼龙隔热条来组成。由其断面图可知，在垂直于热传导方向上，铝门窗框梃扇的材质并不统一。有由封闭空气层和铝组成的传热面，也有由封闭空气层与尼龙隔热条组成的传热面。若还使用平壁稳定传热的模型，统计出每个面的热阻并进行计算，将带来很多问题：1.这样的非匀质层面太多，计算量大；2.求总热阻的时候是各层热

15、阻求和，单层热阻计算已经存在误差，由于需计算的层面太多，造成误差叠加，可能加大误差，以至于偏离真实热阻值。所以平壁稳定传热的模型在此时是不适用的。铝门窗框梃扇传热复杂，一般情况下若要较为准确的计算其热阻，都依靠热工分析软件或者实验来计算其热阻。此处提供一种简易算法以供采用。以铝窗的框梃扇为例，将铝型材简化成如下图（图5.4.1）的模型。MM耒i-图5.4.1铝门窗框梃扇的计算模型由图可知，由于隔热型材结构原因形成了很多小的空腔，为了方便计算，同时在厚度为d的平行间隙中，在建筑中常见的边界温差下，空气对流受到很大的制约，空腔间隙对流换热微乎其微，既认为空气间隙只存在热传导，在每一个夹层的当量导热

16、系数和厚度知道的情况下，其空腔中空气的当量导热系数九i可按下式计算：5.4.4)或者5.4.5)式中九：内部夹层的导热系数（m2K/W）；d：夹层的厚度（mm）；d：内部夹层的厚度（mm）。5门窗遮阳分析和计算（冯）5.5.1太阳高度角h与方位角A的计算为了进行日照时数、日照面积、房屋朝向和间距以及房屋周围阴影区范围等问题的设计，就必须确定太阳的高度角以及方位角。影响太阳高度角h和方位角的因素有三个：赤纬5，它表明季节（即日s期）的变化；时角。，它表明时间的变化；地理纬度P，它表明观察点所在地方的差异。5511太阳高度角和方位角的计算公式为（1）求太阳高度角hssinh=sin甲sin5+co

17、sQcos5cos0（5.5.1）s（2）求太阳方位角hs,sinhsinQ-sin5cosA二（5.5.2）scoshcosQs（3）求日出，日没时的方位角因日出、日没时h二0。，代入式（5.5.1）和式（5.5.2）得scos0=-tanQtan5（5.5.3）-sin5cosA=（5.5.4）scos0（4）求中午的太阳高度角以0=0，代入式（5.5.1）得h=90。一（Q-5）（5.5.5）s（5）关于计算参数的说明时角0正午12点时为0，每小时15度，上午为正，下午为负。（6）司机阳光直射地球的变化节气日期赤纬节气日期赤纬立春2月4日（-1623，）立秋8月8日1618，雨水2月19

18、日（-1129，）处暑8月23日1138，惊蛰3月6日（-553，）白露9月8日555，春分3月21日000，秋分9月23日009，清明4月5日551，寒露10月8日（-540，）谷雨4月20日1119，霜降10月24日（-1133，）立夏5月6日1622，立冬11月8日（-1624，）小满5月21日2004，小雪11月23日（-2013，）芒种6月6日2235，大雪12月7日（-2232，）夏至6月22日2327，冬至12月22日（-2327，）小暑7月7日2239，小寒1月6日（-2234，）大暑7月23日2012，大寒1月20日（-2014，）表5.5.1各节气的赤纬552综合遮阳系数5

19、521综合遮阳系数的计算有外遮阳时：综合遮阳系数=玻璃的遮阳系数X外遮阳的遮阳系数无外遮阳时：综合遮阳系数=玻璃的遮阳系数S二SSM(5.5.6)ZEefw式中sze：窗的综合遮阳系数；S：玻璃的遮阳系数；eS：窗框的遮阳系数；fM：窗的外遮阳系数。w5522玻璃的遮阳系数S二(5.5.7)eTs式中S：玻璃的遮阳系数；eg：玻璃的太阳光总透射比；T:3mm厚的普通透明平板玻璃的太阳能总投射比，理论值为0.899。s5523窗框的遮阳系数SA+SASS=ef(5.5.8)efA+Agf式中S：玻璃的遮阳系数；eS：窗框的遮阳系数；fA：玻璃的面积；eA：窗框的面积。f考虑到窗框一般不透明，透过

20、窗框的太阳辐射热不多，而且窗框所占面积小,令S为零，那么窗框的遮阳系数为：efAS=g一(5.5.9)fA+Agf5.5.2.4外遮阳板（水平、垂直、综合）的遮阳系数计算卓半谑阳币百谚阳图5.5.1水平、垂直遮阳板示意图水平遮阳板：SD二aPF2+bPF+1（5.5.10）Hhh垂直遮阳板：SD=aPF2+bPF+1（5.5.11）VVVA遮阳板外挑系数：PF=（5.5.12）B式中SD:水平遮阳板夏季外遮阳系数；HSD:垂直遮阳板夏季外遮阳系数；Va、b、a、b:计算系数，按表5.5.2取定；hhVVPF:遮阳板外挑系数，当计算出的PF1时，取PF=1；A:遮阳板外挑长度（见图5.5.1）；

21、B:遮阳板根部到窗对边距离（见图5.5.1）。气候区遮阳装置系数东东南南西南西西北北东北寒冷地区水平遮阳板ah0.350.530.630.370.350.350.290.52bh-0.76-0.95-0.99-0.68-0.78-0.66-0.54-0.92垂直遮阳板av0.320.390.430.440.310.420.470.41bv-0.63-0.75-0.78-0.85-0.61-0.83-0.89-0.79夏热冬冷地区水平遮阳板ah0.350.480.470.360.360.360.30.48bh-0.75-0.83-0.79-0.68-0.76-0.68-0.58-0.83垂直遮阳板av0.32