住宅窗户的节能

住宅窗户的节能研究摘要：窗户系统的选择不仅很大程度地影响着建筑能耗，同时显著影响室内环境的热舒适性。制定科学可行的窗户能耗等级评价体系，从而合理选择窗户材料和设计窗户结构，对降低建筑耗能、节约费用和设计开发节能新产品都具有十分重要的意义。本文通过研究窗户热工参数的模拟计算方法，开创性地定义了表征窗户节能效果的两个参数：ER和ERC，并根据典型的建筑平面图，计算分析了多种因素对建筑节能的影响，得出了北京和哈尔滨两个城市的判断住宅窗户节能效果的经验回归公式，为设计人员和普通用户因地制宜地选择节能窗户提供了便捷有效的计算方法。关键字：窗户节能传热系数太阳得热系数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DestHousing，对建筑物进行逐时的模拟计算。须DeS廊T障是阳Desi迁gner京'sS轿imul艇atio享nTo序olki删t有的缩写，刚中文名为节建筑热环浮境设计模祸拟工具包潜。是清华啄大学空调择实验室在抖十余年的远科研成果鼠的基础上熊，研制开险发的面向师暖通空调奸设计者的宝集成障于衣Auto袖CAD旦R1晋4存上的辅助经设计计算沫软件贝。傻DeS蝇T隆能够模拟槐计算建筑脉在逐时外端温、太阳扶辐射、室帽内热扰、昆长波辐射撞、邻室影身响等综合骆作用下的后逐时自然单室温和耗满冷耗热量掠。贿3.2市客窗户计算皆原理鸡在甩DeST可Hou建sin竖g坡中，窗户叹在建筑整蝇体的计算庙中是作为洞围护结构盗的一部分主嵌入的，芹由验于粒DeS命T戒是运用状拳态空间法慧进行传热斤计算，因王此窗户跟纺墙一样，典要分层并免给定温度跌节点，已鸡有的算法于认为每片间玻璃的中枝心为一个所温度节点在，根据这题一原则进匀行分层，洽列出整个沃窗户的热领平衡方程抵组，在此幕基础上将帽其与整个销建筑的热末平衡方程团组联立，何就能进行护各种计算村。大窗户的特位殊之处在好于它不仅质是类似于慌墙的一种陶传热构件孙，还是一泼种透光构擦件，这一眠特殊之处孝表现在整蕉个算法当鸡中就是将铃窗户的计鞠算分为两察个独立的涛部分：传乒热和导光蒙，两者的丰交叉之处场在于消光撑得热的计楼算。传热黎部分由窗锈户的热平赏衡方程组穿解决，导米光部分单爷独计算，旺并把窗户搅吸收的热时量放到热汉扰矩阵中幕去。堂3.3演价计算过程甚3.3.冤1期良定义表示驼窗户节能夸效果的参贺数坏：摆ER/E睛RC思DeST识Hou果sin座g按虽然可以黄计算出房番间的采暖细能耗和空窄调能耗，蒜但是房间早能耗并不湿能直观地县反映窗户荷的节能效修果。在本绣文中，定却义一种单域层透明玻闸璃窗为基嘴准区窗，这个驱基准窗的擦具体热工湿参数为逃：去U尸＝榆6.17界W/役m栽2荡.罚救℃继，棉G缺＝妙0.8朱6本。假设使钻用这个窗养户时，房弄间的采暖臣季全年累称计能耗为济（疑KWh/括m浸2暖），而使哄用某一种始窗猪户晶n灿的房间采伍暖季全年申累计能耗僻为嫩（晃KWh绩/m参2影），房间雾面积为穗（隆m刮2各），窗户专面积舌（孩m爽2永），则采过暖季累计喜每平方米纽窗户节省残的能耗为巧：，定义景：辉（府KWh/弄m蓬2系）纵(1)索眼由于房间弃能耗从习变化到循，除了窗扩户改变以案外，其它城条件均保善持不变，职故虾E雹R俯反映了该垃窗户相对化于基准窗今的采暖季唤节能量。崖而任意两纱个窗户酒的故E处R汽的差，则馒反映了它旦们之间节是能量的差谊异饿。便E漠R虫越大，该辜窗户的采尤暖季节能楚效果就越姓好。纹同样假设羞使用基准附窗时，房摸间的空调司季全年累富计能耗为蠢（撕KWh/隔m右2撑），而使恶用某一种烛窗允户涛n神的空调季慰全年累计订能耗为节（栋KWh张/m伐2盯），则空汇调季累计惊每平方米叔窗户节省恩的能耗为屿，定毅义悔ER百C所如个式刷(2怠)赠，马则宇ER旗C绸就是一个圈可以表征岭窗户空调铸季节能效舍果的数了则。传（丈KWh/劲m挪2球）忆(2)抢在本文以罪后的计算菠分析中，我就劝以瓶ER/E邪R仓C霉来计量某裹一窗户的宝节能效果剧。姐3.3.握2贷垃计算条件显设定辞本文在接妈近实际情腐况的基础满上，取了爱一个实际袋塔楼建筑羞的平面图雕，该建筑周有四个分膝别朝向东渗、西、南倦、北的房葛间，每个邮房间有一隙扇外窗，致且这四个跌房间除了满外窗朝向连不同外，绵其它条件岁基本一致开。围护结稀构的材料以和参数取驼常用值。皇通过改变贿窗户玻璃迷的参数及摩其玻璃组切合，设定系了颜1皂9个种玻璃窗笑并模拟计河算的其传成热系牺数共U洽和太阳得蜓热系户数肆G欧，如只表财1压所左示贵,筒景其中玻突璃听g订4菌为有色玻消璃帝，页g讽5足为低辐射尸镀膜玻璃呜。空气层这厚度是指答两片玻璃拐之间的空曾气层厚度恋，单层玻苏璃窗不存吊在空气夹淹层。兔表烧1捏厅典型玻璃蹦窗结构及栋其热工参告数裁冶窗户编号观玻璃组拥合炉①侮空气层厚泡度结（伪m醉m扩）软U(W/铲m受2穗.修匹℃粱)告G兵W0栋g1蔬——土6.17输0.86还W1术g4舒——趴6.17慈0.61赴W2发g3间——争6.12仔0.75乒W3祝g7+g剧7匪6啄3.28校0.83监W4某g2+g毯2耍6哥3.27与0.76吉W5甚g1+g旅3错6握3.19除0.71锣W6器g3+g泪3恐6疗3.17派0.61央W7张g6+g西6胃6余3.07幼0.57启W8脸g7+g坝7漂12卧2.82现0.83滋W9剖g2+g吐2调12害2.81兼0.76皇W10冶g1+g浓1极12蔬2.75亦0.76太W11祥g4+g卫4骆12卷2.75趋0.44矛W12饰g1+g莲3丸12咬2.74捡0.71间W13穿g3+g吉4茂12肌2.74使0.56状W14际g3+g闯3有12爪2.73脂0.61墙W15梁g6+g拒6披12卡2.65兽0.57岗W16充g2+g瑞5扩12革2.24听0.72巷W17策g7+g凑7+g7靠12循1.82续0.77蝇W18宴g2+g腔2+g2扑12肤1.81恰0.68耍注蔬①絮:款余玻璃组合忘从左到右辈依次为从捷室外侧到午室内侧的孕玻璃。躁如框g1+g寺3虽，表示该巷玻璃声窗僵g蹄1婆玻璃朝向舍室外处，灭g余3世玻璃朝向炊室内。友4墓躲影响窗户羡节能效果品的因素分脏析它以梳E膛R玉和叠ER揪C便为主要度赠量参数，魄以北京和佩哈尔滨两念地为例，顾利坊用迅DeST汇Hou另sin遭g滥对建筑楼背层、外墙氧性能、窗表墙比、房坊间大小、症内部发热扩量和窗户钓朝向等可朝能影响窗奇户节能效瞎果的因素刺分别做了兵计算分析字。这些影舍响因素的共变化范围北的选取，兽充分考虑世了实际住局宅可能达均到的变化锯范围的上撇、下限，觉因此，所迈得的结论去适用于普弄通住宅。鹿计算分析签结果表明严：陆（睬1捐）对于多柱层建筑，钓窗户在建取筑中所处筒的楼层位壤置对窗浇户摆E误R膛和坝ER局C壁的影响不挡大，一层疑以上的房腊间，窗隔户捕E敌R疮基本相等挪。除了底教层和顶层誉房间，中误间楼层捎的完ER听C枕也基本相暖等；泊（宣2播）围E酱R扯和吵ER山C志受外墙保相温和蓄热叮性能的影见响很小，堪在讨论的预外墙变化题范围内版，块E宽R舍的浮动最猛大不超爹过荡5贡%换，民ER挑C决的浮动最盯大不超趴过财10锄%习，一般情垒况下浮动猫在惧2绳%锻左右，所拨以认为班，肉E申R锄和裁ER灭C搂受外墙保狭温和蓄热妇性能的影恢响小到可妻以忽略，氧即不管和抢什么外墙肠配合使用赵，每平米对窗户节省蜜的能耗基伍本不变；螺（挺3煌）当窗墙童比誉从紧15辞%脊变化久到担30缓%连时，绝大何部分窗户异在各个朝踪向负的宗E父R娘值基本保翁持不变，感个别变化眉幅度大的颜，变化的翻绝对值也战小；窗匹户软ER漆C帝的变化幅艘度石比锈E眉R汇的变化大群一些，但揪基本能保非持交在押5蓝%收到放10祸%易之间。因宁此认为窗百户的节能膝效果受窗砍墙比的影刷响很小，勇特别是采技暖季；绿（岛4并）房间大捕小对窗户洗冬季节能红效果的影狐响很小，出可以忽略读不计，但端是对窗户发空调季节贴能效果的冈影响比较吨大，可不林可以忽略痒要视具体庙情况而定贞；耕（阁5用）房间的离内部发热场量大小在惕住宅可能方的范围内稠变化时，瞒对每单位谎面积窗户蝶采暖季或纹空调季平属均节能效唱果的影响筑并不显著冲；诉（况6胸）根据普假通居民的末开窗习惯胸，房间通怪风量对窗武户冬季节汇能效果的锄影响很小鼻，可以忽族略不计；逝而房间通拘风量对窗叮户空调季尝节能效果夹的影响比企较大，能唯不能忽略察要视具体村情况而定斜；时（板7毯）窗户朝离向对窗户碰节能效果卫的影响无扎论采暖季智还是空调岭季都比较织显著，对岂窗户的节牢能研究进莫行分朝向期探讨是必只要的。辜5吃装对北京和投哈尔滨的章采暖季建亲立窗翁户枣E手R顾的经验回耕归公式燃通过上面搭的分析发侮现，表征汗窗户采暖口季和空调撇季节能效忌果的丹量第E驼R北和兴ER爸C果受住宅楼醒层、外墙旅保温性能挪、窗墙比纽、以及房犬间内部发营热量等因季素的影响当不大，在窑误差范围娇内可以忽顷略。特别期是采暖季烟，房间大沟小和通风推换气气数竖对窗户节打能效果的杂影响也都衡小到可以证忽略。同行时，采暖允季不存在停遮阳问题费，用户的蚀使用习惯敏对窗户节升能效果的螺影响也很跟少。因此臣，窗户采后暖季的节吸能效果可妹以认为只弟和窗户朝痰向、窗户版所在地理换位置和窗便户本身的析性能有关望。京在窗户的业热工性能墨里，影响即采暖能耗势的主要是钟保温隔热享性能、太祖阳得热性聋能和密闭性性能。其课中，密闭截性能对窗情户能耗的隙影响较保禽温性能和深太阳得热煌性能相比燥，又小了央很多，特最别是以目箭前的技术驱水平，要镰使得窗户驱达到优良桨的密闭性帅能并不难篇。所以，度在本文里犬暂不考虑如窗户密闭博性能对采哲暖能耗的脂影响，假卷设窗户的产密闭性能他都很相近偷，并达到老了较好的婚水平。由拣此，在相馋同气象参泼数下，窗痕户采暖季赶的节能效周果就只和姥窗户朝向疼以及窗户锯的保温性数能和太阳俯得热性能户有关，即虏在相同气践象参数、去相同朝向燕下，窗户逝的众E继R录可以表示史为窗户的销传热系坑数踪U驻和太阳得缴热系心数残G朋的猛函数。如偶果通过动垂态模拟计题算得到多卖组窗户键的榆E遮R矮和仰U蹈与户G份的关系，提就可以回率归成一个鞠经验公式留，用它来宿预测某种狼已印知裂U摧和稀G四的窗户的占采暖季节闪能效果。她该回归公勒式可以表奋示为：，值其中麻和依是通过量牺纲归一得蜓到的无量酒纲的量衰，贼,著，它G线是太阳得伪热系数，绩原本无量骨纲。浮因为某一避窗户会的触E访R错代表了使职用该窗户片和基准窗绳相比，平负均每平米携窗户节省油的采暖季命累计能耗咱。如果建守立了窗户仅的经验回掠归公式，衣就能够很冠快地由窗恋户的传热蚁系摸数让U帖和太阳得作热系奸数坊G婚计算出肺，从而也芽就大概知疫道了该窗抽户在整个悉采暖季平耍均每单位泄面积节省鲁的能耗。傍当两个窗问户需要比呢较节能效版果时，就娘可以通过订它们狱的窄U馆和桥G锁方便快捷指地计算出乱各自的尼，国大的窗户花节能效果规好，从而假解决了已慕知窗户的予热工参数锋，但如果霞不做具体灭的能耗模娇拟计算，针就无法评岭价该窗户句节能效果条的问题。游也避免了根单凭传热蹦系忙数管U挑来选择窗丢户可能出化现的失误泪。当然，蒙由于前面昆所讨论的变各个影响摔因素的存暮在，利用软经验回归枝公式计算谋得到的值星可能和实执际值有一咱定的差异俘，但是，国上面的讨嫌论结果和敏以下的检海验结果都茄证明这个邻误差不会融太大。更声重要的是堤，窗户按李照经验公牙式计算的甚值的大小孤进行节能壶等级排序申的结果，磁和按照实骄际模拟计需算得到的征值的大小套进行节能搞等级排序桂的结果是扭一致的持。栽垄从物理意耐义上讲，抹一定和史和赚G衰的一次项斯相关，因俩此可据此充选定回归善公式的模仆型，再通热过多元线悦性回归统姻计检验方刮程和模型抱参数估计钳值的可靠扭性。从而段分别得到悉北京地区权采暖季窗晚户的节能耀效果躁的回归公革式：牧北：万事（术5.奇1面）哄西：诱脊（尤5.收2圾）迅贴东：史揉（估5.菠3拣）架么南：乌兼（砍5.兰4倘）李以上四个纯回归公式袜中，谱表征了哈栋尔滨采暖赛季窗户的跃节能效果辛越大，该炕窗户采暖诱季的节能威量越大。练四个回归各公式中，踏的系数都晕为负，锦的系数都孟为正，这径符合北京读冬季窗户鸣的节能量洒随着理的增大而图减小，随猫着转的增大而饰增大的物夜理意义。镰同理，对怀哈尔滨地刷区采暖季错窗户的节岸能效果有脸回归公式雕如下：欺北：喉(5.颠5)踪西：案(5.轻6)腥东：奴(5.己7)货南：谷(5.漂8)职以上四个疯回归公式次中，德表征了哈售尔滨采暖恨季窗户的被节能效写果夸,忧越陷大庭,欠该窗户每顿单位面积役节省的累挤计采暖能稠耗就越多蹲，节能效流果越好。供四个回归缴公式中，铃的系数都逐为士负俭,际而皱的系数都险为挣正心,未这符合哈泄尔滨冬季旗窗户的节胡能量和传阻热系揭数县U榴成正比，资而和太阳忙得热系数纹成反比的芒实际情况旨。6结论磁公式可以石帮助设计舒人员迅速染准确地估真计窗户在乎具体城市简