居住建筑外窗节能设计研究

孙海玲,涂劲松

(皖西学院 建筑与土木工程学院，安徽 六安 237012)

我国建筑节能起步较晚，于20世纪80年代开始在寒冷的北方地区实施，直到90年代末[1]才在夏热冬冷的南方地区实施。近些年，国内外学者在建筑节能方面做了大量的研究工作，在外窗节能方面取得丰富的研究成果。美国LBNL实验室开发的THERM、WINDOW软件，专门计算门窗及幕墙的热工性能，可以选择不同的玻璃源、不同地区环境边界[2]，模拟的结果更接近实地工程；天津大学房涛[3]利用能耗模拟软件DesignBuilder进行模拟分析，确立了天津地区零能耗住宅设计的最佳朝向、外围护结构的构造形式、热工性能的参数选择，外窗设计过程中选择适宜的窗墙比及外窗遮阳形式等；重庆大学顾顺钦[4]选定DeST作为研究的工具,从选址、建筑体型、窗墙等设计因素进行分析，利用DeST软件进行能耗模，为前期的建筑设计方案阶段提供参考。随着我国建立和健全建筑节能的标准体系，节能建筑技术的不断进步，为建设资源节约型社会提供了保障，但也存在不少问题，如建筑节能工作推进速度与城市化建设发展不适应；建筑节能技术在实地工程没有真正落实；节能工程质量粗糙，影响节能效果。真正落实了建筑节能措施，有利于提高建筑保温隔热性能，改善居住舒适度。在建设及使用过程中对土地、能源、材料等的浪费更为严重,其能耗占建筑总能耗已经超过80%。在居住建筑中，外窗面积占建筑外围护结构表面积的1/4左右，有时设计师为了追求建筑立面造型效果，开窗面积可能会更大，外窗的耗热达到了建筑围护结构能耗的50%以上。所以开窗系统必须在设计时就要优化建筑热负荷，同时达到预期的视觉和热舒适水平。窗户的热能消耗主要是温差传热、空气渗透两方面原因带来的，控制窗户的得热和失热，是设计节能窗户的主要措施。

1 创建外窗节能模型

1.1 皖西地区气候分析

在我国的《民用建筑设计规范》(GB50176-2016)条文中，建筑热工设计区划分为两级[5]。从一级区划中可以看出每个热工一级区划面积非常大，因此在热工设计二级分区，采用“HDD18”“CDD26”作为区划指标，把5个气候分区划分11个气候区属。皖西地区北纬31.74°，东经116.54°，海拔28 m，与合肥的气象站数据较为接近，又进一步参照与六安东经、北纬比较接近的南京、马鞍山，得出皖西地区属于3A气候属区，应满足保温、隔热设计要求，重视自然通风、遮阳设计[6]。

1.2 模型创建

窗户整体传热的特点是U-factor，这一特性反映了窗户结构(玻璃、间隔、框架)的固有性能，以及空气薄膜对室内外表面的影响。在研究中关注两个主要组件：窗框和玻璃系统。在WINDOW中创建需导入到THERM中的玻璃，环境条件设置以皖西地区为例，根据《民用建筑热工设计规范GB50176-2016》所规定的参数[7]，如图1、图2所示。在WINDOW中创建玻璃系统，选用了透明玻璃、吸热玻璃、热反射玻璃、低辐射镀膜玻璃作为原片，选用不同的玻璃间隔层内的气体、密封材料，进行分析比较，得出不同玻璃类型参数，如图3、图4所示。在WINDOW7.7完成玻璃系统创建，进行保存。

图1 室内环境设置 图2 室外环境设置

图3 玻璃系统计算结果 图4 可见光透射率

在AutoCAD中绘制外窗截面，对截面节点进行处理，将弧线转化为直线，保留完整的节点，如图5所示。把绘制的外窗截面图导入到THERM中，设置绘图参数，对截面图形进行编辑。导入WINDOW中的玻璃系统，确定玻璃导入的位置。定义模型中每个多边形的材料，窗框的材料主要有铝合金、木材、塑钢，如图6所示。

图5 外窗截面图形图 图6 外窗框定义材料

1.3 保温与隔热节能模拟计算分析

模型创建结束后进行计算，结果显示了窗框的模型框和边缘的U值、彩色红外图、等温线、温度场分布图、彩色红外图等计算结果，如图7、8所示。

图7 外窗截面U值 图8 外窗截面等温线

在模拟的过程中根据夏热冬冷地区居住建筑的外窗使用现状，模拟常用窗框型材和玻璃类型的整体性能，再重新组合玻璃、变化玻璃厚度、更换窗框型材、玻璃与窗框之间的密封材料，分析性能指标的变化，得出计算结果，见表1。

表1 模型计算结果

2 外窗节能措施与设计方法

夏热冬冷地区的外窗节能设计既要满足保温与隔热节能要求，又要重视自然通风、遮阳设计，从三个方面提出节能措施：(1)冬季太阳从东南方升起，西南方落下；夏季从东北方升起，西北方落下[8]，在考虑冬夏太阳高度角和建筑朝向的情况下，南向可以设计增大开窗面积，大面积的南向窗子可适当增加固定窗、悬窗。固定窗和悬窗、窗框的典型面积比，如图9所示。同时，外墙与窗户的面积比，对节能的有显著影响，如图10所示。在模拟的过程中是选用一栋居住建筑的外立面南向窗户2.7 m2计算，窗墙比积比是0.28～0.40时，并设置建筑外遮阳，节能效果明显；(2)玻璃的使用可以选用不同类型的组合，来满足不同气候特点的外窗节能设计要求。在WINDOW中模拟，根据夏热冬冷的地区环境，相同的玻璃原片，室内玻璃厚、室外薄，U值有所下降。中空玻璃中选择薄Lowe玻璃，U值下降，SC、SHGC上升，说明薄Lowe玻璃保温性能好，但遮阳效果差；改变玻璃中间层填充的气体的类型及厚度，选用惰性气体，分析性能变化，玻璃间的间隙应为12 mm以上，中间层的厚度在20～30 mm时U值下降，最佳厚度是20～25 mm；(3)在相同的玻璃类型中，由表1可见，外窗框型材传热系数差距很大。此外，居住建筑将寻求最大限度地利用日光，这对太阳能增益和眩光之间的权衡带来了挑战。窗户外框和玻璃系统可以显著降低与建筑围护结构相关的加热和冷却成本，同时增加居住者的舒适度。通过优化外部遮阳，窗户低+高开口之间的叠加效应增强了自然空气流动。

图9 窗框与玻璃面积比例 图10 南向开窗面积

3 应用实例

六安市党校学员宿舍位于安徽省六安市，此建筑南偏东58°，结构类型是框架结构，要求每间4人使用，开间、进深尺寸设计尺寸是3.3 m×5.1 m。体形系数0.22。在设计初期阶段选用六安地区常用的外窗规格型号，采用空调制冷、采暖，见表2。

表2 外窗类型

原方案设计中外窗使用的是普通铝合金外框、普通中空玻璃(6透明+12空气+6透明)。在WINDOW中创建中空玻璃，导入到THERM中计算传热系数，结果见表3。窗墙比为组合体普通层的朝向平均值，东、西朝向外窗夏、冬季综合遮阳系数加权值不满足限值要求；南向外窗的夏季综合遮阳系数加权值不满足限值要求。

表3 外窗传热系数、遮阳系数

该建筑有6层，考虑外窗型材的强度、抗风压性能原因，外框型材选用断热铝合金，玻璃选用LOW-E3.5+12+3.5，中间隔层从空气改为氩，南向窗户挂浅色内窗帘。在WINDOW中进行创建玻璃系统，得出此玻璃的SC值是0.128，U值是2.262，优于之前设计方案中的玻璃系统，如图11所示。导入THERM中，结果显示了窗框的模型框和边缘的U值。分析得出：东向外窗夏、冬季综合遮阳系数为0.35，南向外窗的夏、冬季综合遮阳系数为0.54，0.58；西向外窗的夏、冬季综合遮阳系数为0.30，节能效果明显。同时根据建筑物参数，计算了建筑能耗，得到该建筑物的年能耗，节能率为50.93%，如图12。

图11 模拟玻璃系统 图12 能耗分析图表

4 结语

建筑节能设计要对建筑的基本特征做出明智的决定，需要在设计过程中不断评估这些因素的复杂交互作用对建筑最终性能的影响。实现降低建筑能耗不能仅仅通过提高工程系统的效率来实现，还要求在设计过程中尽早考虑建筑的本质，包括建筑形式、体量、朝向和围护等因素。外窗节能设计中良好的采光设计需要优化玻璃属性和窗框型材，软件模拟工具在提高建筑物能效方面发挥了关键作用，大大提高了经济效益。