节能门窗热工性能对建筑能耗影响的模拟研究

郭兴忠， 杨 闯， 张 超， 杨 辉， 杨庭贵

（1.浙江大学材料科学与工程系，浙江杭州310027；2.浙江加兰节能科技股份有限公司，浙江杭州311251）

门窗是建筑外围护结构的开口部位，是阻隔外界气候侵扰的基本屏障.数据研究表明，外窗和外门的传热系数约为4.70W／（m2·K），而墙体、屋面和地面的传热系数分别为1.40，0.80，0.52W／（m2·K）.在门窗、墙体、屋面、地面4大围护部件中，占外围护结构表面积1／6～1／8的门窗系统的能耗约为墙体体系的4倍、屋面体系的5倍、地面体系的20倍，约占建筑围护结构总能耗的40%～50%，门窗节能已成为建筑节能的重要组成部分[1].

针对门窗节能的研究与开发，采用制作、检测等传统试验手段需花费大量人力物力，且试验流程长，难以获得充足的试验数据.随着计算机技术的飞速发展，采用计算机模拟计算的方法被越来越广泛地应用到建筑计算中，成为评价建筑能耗水平、研究建筑能耗特性、预测建筑能耗趋势的一个强有力工具[2].通过设计制作专业的模拟软件，输入已知数据，经过计算机快速计算，模拟现实试验环境及条件，可快速得出相应试验结果，指导研究继续进行.目前，软件模拟已成为建筑构件设计与优化、建筑节能改造、绿色建筑评价体系中的重要组成部分.

本文首先采用WINDOW软件对门窗玻璃热工性能进行模拟计算，将其结果导入THERM软件中，计算得到特定型材的模拟结果，然后再利用WINDOW软件计算出整窗的热工数据，最后结合杭州市气候特点，利用DeST建筑能耗模拟软件研究配置不同节能门窗建筑的全年建筑能耗，进而研究节能门窗对建筑节能的影响.

1 门窗热工性能参数及模拟软件

门窗的热工性能参数主要包括传热系数（U）、太阳得热系数（SHGC）和遮阳系数（SC）.U是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1℃，1s内通过1m2面积传递的热量，单位是W／（m2·K）. SHGC是指在相同条件下，太阳辐射能量透过玻璃进入室内的热量（既包括直接透过的部分，也包括吸收后放出的热量）与通过相同尺寸但无玻璃的开口进入室内的太阳能热量的比率.SC是指太阳辐射总透射比与透过3mm厚普通无色透明平板玻璃的太阳辐射的比值.U是门窗热工性能中综合考虑传导、对流和表面辐射3种传热方式的重要参数，U值越大，门窗保温隔热能力越差，通过门窗损失的热量也就越多.SHGC与SC则体现了门窗热工性能中气候、朝向和遮阳的因素，SHGC与SC越小，表明门窗阻挡阳光直接辐射的性能越好[3].

门窗模拟常用软件WINDOW和THERM是国际上公认的功能丰富、计算准确的门窗热工模拟软件，也是中国建设部《建筑门窗节能性能标识》指定使用的模拟软件.DeST是建筑环境及供热通风与空气调节系统模拟的软件平台，为建筑环境的相关研究如模拟预测、性能评估提供了方便实用可靠的工具，是目前国内应用广泛的建筑能耗模拟软件. DeST软件通过设置建筑气象、房间内扰、空调系统等参数，进行建筑能耗和室内温度的计算，其计算结果通过Excel展示，内容包括建筑逐时气象数据、房间逐时空调室温数据、建筑逐时冷热负荷等[4].

2 模拟计算与分析

2.1 门窗材料及整窗的热工模拟

2.1.1 门窗玻璃

玻璃面积占整个门窗面积的70%～80%，通过玻璃损失的热量占门窗损失总热量的70%以上，因此，玻璃的热工性能对门窗整体性能极为重要.中空玻璃凭借其良好的保温隔热性能，目前被广泛应用于玻璃幕墙行业.中空玻璃是由2片或多片平板玻璃以有效支撑边框均匀隔开并在周边粘接密封，使玻璃夹层之间形成干燥气体空间，利用气体热导率低的特点达到良好的隔热效果.最初，夹层中的气体为干燥的空气，为进一步提高中空玻璃的隔热性能，目前常在夹层中充入比空气热导率低的惰性气体.中空玻璃间隙宽度应不小于6mm，否则隔热性能不明显.另外，间隙过宽会导致夹层中气体形成对流，降低隔热性能，同时也会导致中空玻璃过厚，从而影响其实际应用.目前，在中空玻璃标准化生产中，间隙宽度常见为6，9，12mm[5].

利用WINDOW6.0软件计算6种常见中空玻璃门窗系统的热工性能参数，计算结果如表1所示.

表1 中空玻璃热工性能参数计算结果Table 1 Thermal performance parameters of insulating glass calculated by WINDOW6.0

以（6＋12＋6）Low－E中空玻璃系统为例：2层玻璃各厚6mm，中间间隙为12mm，Low－E指有1层玻璃为低辐射Low－E玻璃.common指中空玻璃系统的2层玻璃均为普通玻璃.由相邻两组中空玻璃系统的计算结果可以看出，相同玻璃厚度和间隙的中空玻璃系统中，采用Low－E玻璃可大幅降低其传热系数、遮阳系数和太阳得热系数，但同时也会降低可见光透过率.由G3和G5，G4和G6计算结果对比可知，在玻璃厚度固定的情况下，中空玻璃间隙从9mm增大到12mm，可减小系统传热系数，但是对遮阳系数、太阳得热系数和可见光透过率影响不大.从G1和G3计算结果中可看出，采用不同厚度的Low－E玻璃对中空玻璃系统各项性能均有较大影响，而由G2和G4计算结果可知，增加普通玻璃厚度对中空玻璃系统各项性能影响不大.

2.1.2 门窗型材

型材的保温隔热性能对门窗整体热工性能同样具有决定意义.目前常用的型材为木集成材（纯木）、断桥铝合金型材以及铝木复合型材（铝包木）.木集成材以小径木料为生产原料，具有热导率低、保温性能高等优点.断桥铝合金型材是在铝合金型材基础上为了提高门窗保温性能而推出的改进型，利用PA66将室内外两层铝合金既隔开又紧密连接成一个整体，构成一种新的隔热型的铝型材.铝木复合型材将木集成材保温性好、视觉美观与铝合金型材强度高、耐腐蚀等优点结合起来，又弥补2种材料各自的不足，是目前常用的中高档节能门窗型材.

由于位置和功能的差异，不同位置处型材的传热系数也不相同，通过门窗不同位置散失的热量也不一样.利用THERM6.0软件可计算门窗不同位置处型材的U值.

如图1所示，以1 500mm×1 500mm内开铝包木标准窗为例，左侧为内开启扇，右侧为固定窗，计算Ah，Aj，As，Bh，Bj，Bs，C这7个位置节点的传热系数，结果列于表2.边界条件按照JGJ／T 151—2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》：室内温度tin为20℃，室外温度tout为－20℃，室内对流换热系数hc，in为3.6W／（m2·K），室外对流换热系数hc，out为12W／（m2·K），太阳辐射照度E为0W／m2.由表2可进一步证实，不同位置处型材的传热系数不尽相同，并且受密封条件影响，型材框体传热系数均小于框体边缘传热系数.

图1 1 500mm×1 500mm铝包木标准窗结构示意图Fig.1 Structure of aluminum－wood standard window

表2 铝包木标准窗各节点U值计算结果Table 2 Uvalue in different positions of aluminum－wood standard window profile

2.1.3 整窗系统

将通过THERM6.0软件模拟的各节点计算结果导入WINDOW6.0软件中，分别计算窗框型材为68纯木、86铝包木和60，90断桥铝合金以及玻璃系统为（6＋12＋6）Low－E玻璃（G1）和（6＋12＋6）common玻璃（G2）的整窗系统的热工参数.各型材前数字表示其断面厚度，单位为mm.各窗计算结果如表3所示.

表3 整窗系统热工性能参数计算结果Table 3 Thermal performance parameters of entire window calculated by WINDOW6.0

由表3前4组计算结果可看出，采用纯木、铝包木等可显著降低门窗传热系数；由3＃和5＃，4＃和6＃计算结果对比可知，使用Low－E玻璃对降低门窗传热系数和太阳得热系数有显著效果，却对可见光透过率有不利影响；通过3＃和4＃，5＃和6＃模拟结果发现，增加断桥铝合金型材厚度并不能明显提高门窗的保温性能.

由表3还可看出，采用纯木门窗和Low－E玻璃可大幅降低门窗传热系数，Low－E玻璃的使用还可降低门窗太阳得热系数，但其可见光透过率也在一定程度上减小.90铝合金门窗＋普通玻璃的传热系数最高，但有较高的可见光透过率，而86铝包木门窗＋Low－E玻璃传热系数最低，说明其具有良好的保温隔热性能.

2.2 建筑全年能耗模拟

利用DeST软件，建立建筑模型，计算安装不同门窗的建筑能耗.图2为建筑模型平面图及三维视图，图中箭头方向为正北方向.该建筑模型尺寸为12m×8m，层高3.5m，共2层，每层有3间房屋，1间楼梯间，总建筑面积为192m2，外围护结构中墙体为240mm砖墙，内置聚苯板保温层，外门1扇，外窗11扇.

图2 建筑模型示意图Fig.2 Structure of building model

该建筑模型地点设置为杭州，坐标设置为东经120°12′，北纬30°14′，图3为杭州全年平均气温图.功能设置为普通办公室，采用空调系统，夏季控制室内温度为24～26℃，空调季起始时间为6月1日至8月31日；冬季控制室内温度为20～22℃，采暖季起始时间为11月15日至次年3月15日.改变11扇外窗的材质，型材采用纯木、铝包木和铝合金材质窗框，玻璃系统采用Low－E和普通中空玻璃，计算该建筑模型全年内制冷采暖能耗.计算结果如图4所示.

图3 杭州全年平均气温Fig.3 Average annual temperature of Hangzhou

由图4（a）和表3可看出，建筑夏季制冷能耗随门窗传热系数和太阳得热系数的增加而升高.装配Low－E中空玻璃的铝包木门窗传热系数和太阳得热系数最小，夏季制冷能耗最低；装配普通中空玻璃的60断桥铝合金门窗传热系数和太阳得热系数最大，夏季制冷能耗最高；装配Low－E中空玻璃的60，90断桥铝合金门窗比装配普通中空玻璃的同系列窗型的制冷能耗显著降低.在装配相同类型中空玻璃的情况下，90断桥铝合金门窗制冷能耗均低于60系列同产品制冷能耗.

由图4（b）结合表3可知，装配Low－E中空玻璃的90断桥铝合金门窗冬季采暖能耗最高，装配普通中空玻璃的60断桥铝合金门窗冬季采暖能耗最低；装配Low－E中空玻璃的60，90断桥铝合金门窗的采暖能耗大幅高于装配普通中空玻璃的同系列门窗的采暖能耗.在装配相同类型中空玻璃的情况下，90断桥铝合金门窗采暖能耗均高于60系列门窗采暖能耗.相比于断桥铝合金系列门窗，装配Low－E中空玻璃的纯木门窗和铝木复合门窗的采暖能耗居于中间水平.从图4（c）看出，处于长江中下游地区的杭州，气候属于夏热冬冷区，建筑要分别满足采暖与制冷需求，尤以夏季制冷为主，夏季制冷能耗约占全年总能耗的2／3.

传热系数越低，表明室内外能量交换越少，门窗保温性能越好；太阳得热系数越低，表明室内环境接收太阳能量越少.因此，门窗传热系数与太阳得热系数的变化趋势与建筑制冷能耗的变化趋势一致，门窗传热系数高，太阳得热系数高，建筑制冷能耗也就越高.门窗太阳得热系数越低，接收太阳能越少，为维持室内环境的舒适度，冬季采暖能耗就要相应提高，因此冬季采暖能耗与传热系数和太阳得热系数的变化规律并没有明显的一致性，而是受二者的共同影响.装配同款中空玻璃的90断桥铝合金门窗比同类型60系列门窗的冬季采暖能耗高，这是因为增加型材厚度可以减小其太阳得热量；同种铝合金型材，装配Low－E中空玻璃使得门窗太阳得热系数显著降低，因而导致太阳得热量的减少，最终导致建筑采暖能耗的增加.

图4 建筑能耗模拟计算结果Fig.4 Simulation results of building energy consumption

根据全年总能耗计算结果，针对杭州地区，夏季制冷对建筑能耗的影响最大，建筑模型全年总能耗与所用门窗的传热系数和太阳得热系数正相关.采用低传热系数窗框和低辐射玻璃可显著降低建筑能耗.

3 结论

（1）采用低辐射系数的Low－E玻璃和选用热导率较小的木材等材料均可显著降低门窗传热系数，提高节能效果.纯木门窗和铝包木门窗的传热系数U值小于2.0W／（m2·K），满足中国“十二五”规划中关于建筑节能的最新要求.窗框材料的选择对建筑节能保温性能影响显著，采用热导率小的材料制作门窗能大幅提升门窗保温性能，从而降低能耗.降低玻璃材料的传热系数和太阳得热系数对夏季制冷能耗的降低有显著影响.

（2）针对杭州地区，夏季制冷对建筑能耗影响最大，建筑模型全年总能耗与所用门窗的传热系数和太阳得热系数变化趋势一致.传热系数和太阳得热系数越小，夏季制冷能耗越低.增加铝合金窗框厚度，可降低夏季制冷能耗，但由于增加了窗框表面积，同时会增加冬季采暖能耗.在夏季制冷需求较大地区，减小太阳得热系数对建筑节能具有重要意义.而针对寒冷地区，使用Low－E玻璃并不利于建筑节能.

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