寒冷地区外窗对建筑能耗影响研究

卢 娜 胡 瑞 马新淇

我国建筑能耗约占总能耗的25%，在一些严寒地区，该比例更可达50%左右，其中北方寒冷城镇采暖能耗占全国城镇建筑总能耗的40%，为建筑能耗的主要组成部分。窗户作为建筑必不可少的元素扮演着极其重要的角色，首先，可以通过玻璃窗解决采光、日照及过渡季节自然通风的问题；但是，在采暖季窗户又作为失热部件，其散热损失约为外墙散热损失的5-6倍，而从窗户形成的建筑热负荷占总热负荷的1/3以上。再者，随着社会的发展，建筑的美观，外窗越开越大，飘窗、凸窗越来越流行；这些都为采暖季能耗的降低带来了一定的困难，因此，研究寒冷地区外窗对建筑能耗的大小起着极其重要的作用。

鉴于以上分析，本文通过寒冷地区各城市在不同窗户保温形式、不同窗墙面积等情况下利用DeST能耗模拟软件对其能耗变化进行了数值模拟，得到了在寒冷地区不同热工性能窗户、以及不同窗墙面积比对能耗的影响，为该地区窗户设计及建筑节能都具有一定的实际意义。

一、窗户保温

窗户的保温主要从增加窗户玻璃的层数，加强窗户的气密性和使用隔热、保温窗帘等措施提高窗户的保温性能，减少窗户的能耗。塑料是热的不良导体，用来制作保温窗，具有得天独厚的条件，且水密性、气密性也比其他窗优越，所以塑窗的使用正在被用户所接受。从使用能源角度看，根据中国建筑科学研究院物理所提供的数据，单层双玻塑窗的平均传热系数为2.3W/m2·K，是单层钢、铝窗平均传热系数 (6.4W/m2·K)的36%；是寒冷区普遍使用的双层钢、铝窗平均传热系数(3.3W/m2·K)的70%。而在同等供暖条件下，使用塑窗的房间比使用钢、铝窗房间室温提高5℃左右;若房间温度相同，则使用塑窗比钢、铝窗降低能耗30%以上。

二、窗墙面积比

建筑形式及围护结构的热工性能直接影响着室内热环境与舒适性，但建筑窗墙比也是一个重要的影响参数。对于冬季采暖期，窗墙比增大一方面会导致房间由于被动太阳得热增加，另一方面会增强室内、外的热量交换，前者有利于冬季室内热环境的改善，但在夜间同样会增加室内热量的流失；对于夏季空调房间而言，窗墙面积增大，会导致白天室内温度过热，但夜晚大面积窗户散热量大，能维持室内较舒适的环境；这意味着窗墙比加大对冬季和夏季的室内热环境都分别存在有利和不利的方面。因此，为充分有效地利用太阳能，实现建筑节能，必须合理地确定窗墙比。

三、实例模拟

1.窗户保温模拟

所模拟建筑仍为单层民用建筑，如图1建筑平面图所示。房间层高为3.6m，建筑面积为39m2。其中外墙选择为保温层厚度为80mm的挤塑聚苯板，其他主要围护结构的热工参数在此省略，分别改变外窗为真空+low-e膜玻璃、普通中空玻璃（9mm）、标准外窗进行模拟，窗户热工参数如表1所示。选取卧室1为研究对象，比较不同窗户保温厚度情况下卧室1热负荷变化规律。

图1 建筑平面图

表1 窗户热工参数

利用DeST对建筑进行能耗模拟，分别根据围护结构热工和表1数据分别设置主要围护结构参数，对哈尔滨在典型日 （1月1日）进行模拟，得到不同窗户保温情况下卧室1的负荷变化规律图2所示。

由图2可知，窗户保温越好，即窗户传热系数越小，隔热保温作用增强，室内热负荷减小。通过计算，得到标准窗户、普通中空玻璃 （9mm）、真空+low-e膜玻璃三种情况下，卧室1的热负荷典型日平均值为别为：1.71KW、1.51KW、1.39KW，普通中空玻璃 （9mm）、真空+low-e膜玻璃相比标准窗户分别节能11.7%和18.7%，因此窗户保温情况的好坏直接对建筑节能有重要的影响。

图2 哈尔滨典型日不同外窗保温建筑热负荷

2.窗墙面积比模拟

利用DeST软件对建筑能耗进行了模拟，选取模拟建筑如图3所示。分别对两种情况进行了模拟：一、选取拉萨地区，模拟南向不同窗墙面积比下，典型日建筑热负荷变化规律；二、南向窗墙面积比一定的情况，不同采暖典型城市典型日的建筑热负荷变化规律，主要围护结构热工参数如表2所示。

图3 模拟建筑平面图

表2 围护结构热工参数

由图4可以看出，随着南向窗墙比的增大，白天建筑耗热负荷减小，这是由于增大南向窗墙比，也就意味着增加了通过窗的被动得热；随着南向窗墙比的增大，夜间建筑热负荷稍有增加，这就意味着南向窗墙面积比增加，被动得热增加的同时，温差传热的失热量也在增加，所以不能盲目的增加南向窗墙比，要根据具体太阳辐射强度以及当地的室外平均温度而定，且还要注意增大窗墙比的前提要满足建筑的结构要求。

图4 不同南向窗墙面积热负荷变化规律

结合图5和表3综合可知，对于哈尔滨来说，太阳辐射资源不丰富，且室外空气温度很低，所以由于增大南向窗墙比而增大的被动得热远远小于室内外温差传热量，所以在保证正常采光条件的前提下，要尽量减小窗墙面积比；对于北京和银川来说，太阳辐射能资源比较接近且较好，室外温度较高与严寒地区，应合理增大南向窗墙面积比，增大白天太阳辐射的热量，但是夜间窗户保温情况要加强，比如利用厚制的深色窗帘进行保温隔热；对于拉萨地区，太阳辐射强度全国第一，且室外温度明显高于严寒地区，通过分析研究，确定南向窗墙面积比尽可能大，或南向为全玻璃幕墙，或者南向设置附加阳光间作为室内的热量缓冲区。总体来说，太阳辐射强度越弱，室外温度越低，通过增大南向窗墙面积比来减少建筑耗热量越困难；反之，太阳辐射强度越强，室外温度越高的地区，增大南向窗墙面积对降低建筑能耗来说有明显的意义。

四、结 论

图5 不同城市建筑热负荷

表3 太阳辐射强度及室外空气温度

1.普通中空玻璃 （9mm）、真空+low-e膜玻璃相比标准窗户分别节能11.7%和18.7%，因此窗户保温情况的好坏直接对建筑节能有重要的影响。

2.太阳辐射强度越弱，室外温度的越低，通过增大南向窗墙面积比来减少建筑耗热量越困难；反之，太阳辐射强度越强，室外温度越高的地区，增大南向窗墙面积对降低建筑能耗来说有明显的意义。

[1]杨子江.节能：新世纪建筑的第一要素.建筑：2003，（12）： 17．

[2]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告.中国建筑工业出版社，2007．

[3]侯余波， 付祥钊．夏热冬冷地区窗墙比对建筑能耗的影响．建筑技术， 2002，32(10):661-662.

[4]简毅文,江亿．窗墙比对住宅供暖空调总能耗的影响．暖通空调，2006，36（6）:1-5.

[5]常静，李永安．居住建筑窗墙面积比对供暖能耗的影响研究．暖通空调，2008.