基于PHPP计算的外窗形式设计对整窗传热性能的影响分析

■ 天津生态城公屋建设有限公司 惠超微

天津大学建筑学院 陈梦源

1.引言

外窗设计对建筑节能有重要影响，一直受到建筑节能领域的高度关注。被动房技术作为目前建筑节能领域重要的发展方向，外门窗设计是其技术体系中的重要组成部分。被动房技术起源于德国，它开创了全新的节能设计理念，对外围护结构（包括外墙、屋顶、地面、门窗）的保温性能和气密性能都提出了极其严格的标准，尤其对影响建筑整体热工性能的热桥，要求必须尽量减少，最好完全避免。在德国被动房研究所开发的被动房评价专业计算软件PHPP（Passive House Planning Package）中，必须对建筑每一处热桥值进行详细输入以计算整体能耗。笔者通过对PHPP的研究与应用发现，玻璃边缘以及窗框与墙体连接处的线性热桥对整窗的U值以及整体建筑能耗有明显的影响。而在国内一般节能计算中，窗户的传热都是以整窗传热系数K值为参数进行计算[1]，而传热系数K值则是由标准窗型检测得到的结果，并未考虑由于不同窗户形状及分格而产生的传热差异，因此，这部分内容在建筑设计以及门窗深化设计中很少被考虑。

在建筑体系中，对材料产品的改进往往需要花费大量的时间和经济成本。而在使用相同材料产品的情况下，也能通过更精细的优化设计，在不增加或增加极少量成本的情况下提高建筑的节能水平。因此，本文将对比研究在窗框和玻璃材料性能不变的情况下，不同的窗框形式设计对整窗传热性能产生的影响。整窗传热系数为综合考虑窗框传热系数和玻璃传热系数后计算得出的整个外窗的传热系数，我国使用K值而欧洲使用U值来代表，其含义是相同的，但由于对应检测条件不同而具体数值不同。本文以PHPP计算为基础，以整窗U值作为计算结果来进行比较。

2.外窗U值计算

2.1 外窗传递热损失与U值计算

外窗的传递热损失是指室内外经过窗户传递的热量中对室内热舒适度产生消极影响的那部分热量。例如，冬天室内的热量流经窗户传递到室外，这部分传递出去的热量就需要供暖进行补充。在夏季，室外的热量流经窗户传递到室内，这部分由室外传递进来的多余热量就需要由制冷系统排出室外[2]。根据中文版《被动房规划设计软件包》（2015）中关于热损失的介绍，每个外窗的传递热损失按照下式进行计算：

其中：A：围护结构面积，m2；

U：传热系数，W/（m²K）；

ft：位置系数；

Gt：采暖度时数，kKh/a；

由上式可见，窗户U值与外窗的传递热损失息息相关。根据中文版《被动房规划设计软件包》（2015）中关于窗户U值的介绍，外窗传热系数U值计算公式如下：

其中：Awindow：整窗面积，m2；

AGla：玻璃面积，m2；

AFra：窗框面积，m2；

UGla：玻璃U值，W/（m²K）；

UFra：窗框平均U值，W/（m²K）；

上述公式中涉及到的窗户基本尺寸信息为：

窗洞口宽度：wwindow；

窗洞口高度：hwindow；

窗框宽度：dframe；

整窗面积：Awindow=wwindow×hwindow；

窗框面积：Aframe=2×hwindow×dframe+2×（wwindow_2×dframe）×dframe；

玻璃面积：Aglass=（hwindow_2×dframe）×（window_2×dframe）；

玻璃与窗框交接长度：glass=2×（hwindow_2×dframe）+2×（window_2×dframe）；

窗框安装长度：lins=2×（window+hwindow）；

2.2 相关计算参数的确定

为进行比较分析，相关构件U值统一参考国内被动式超低能耗建筑常用外窗进行取值，计算取值如下：

窗户玻璃的U值：Uga=0.7（w/m2·K）；

窗框的U值：Uframe=0.9（w/m2·K）；

玻璃的线性热桥系数：Yglass=0.01（w/m·K）；

窗户安装的线性热桥系数：ins=0.02 （w/m·K）。

3.外窗形式设计对整窗传热性能的影响分析

3.1 相同面积不同形状的窗户比较

对于一些公共建筑，外窗整体形状变化幅度较大。在窗墙比或窗洞口面积固定的情况下，窗户的节能设计则主要与窗户的形状有关。本文在此对三个面积均为4m2，但形状不同的窗户计算其全年热需求，如图1所示。

将A、B、C窗户参数代入公式计算得到的结果如表1所示。

图1 窗户A、B、C尺寸信息

表1 窗户A、窗户B、窗户C信息及热工计算结果

由以上计算结果可见，窗户A的U值最低，说明相同面积下，窗户的周长越短，窗框面积越小，线性热桥散热越少，结果即为整窗U值更小。

3.2 相同形状不同分格的窗户比较

在住宅建筑中，受住宅使用功能的限制，外窗整体形状变化幅度有限。因此，在窗洞口形状已经固定的情况下，窗户的节能设计则主要与窗户的分格相关。本文在此对两个形状相同的窗户（高1420mm，宽1800mm）进行不同的分格设计并计算其全年热需求，如图2所示。

图2 窗户D、E尺寸信息

将D、E窗户参数代入公式计算得到的结果如表2所示：

表2 窗户D、E信息及热工计算结果

由以上表格可见，由于窗户E设计窗框面积更少，整窗U值更小。

通过以上两种分析可见，在相同窗洞面积下，不同的窗户形式设计会产生不同的外窗整体U值。同时，减小窗框面积和增大玻璃面积也会使外窗整体遮阳系数（实际通过玻璃的热量与通过厚度为3mm厚标准玻璃的热量的比值）增大，在减少窗户热传递损失的同时增加太阳得热，从而减少冬季供暖需求。而对夏季制冷来说，窗户遮阳系数大从而得热多的缺陷，可以通过可调节外遮阳来予以解决。

4.结论

窗框的线性热桥对整窗的传热性能有显著的影响。通过窗形优化设计、减少窗框分格，不但节能，也有利于优化成本，同时结合遮阳措施的设计，以确保被动式窗户的性能得到更好地发挥。从PHPP计算分析中可以看出，被动房的节能设计存在于每一个细节之中，只有真正做到精细化设计，确保每一个细节设计的节能，才能最终达到被动房整体超高标准的节能要求。