新型保温卷帘节能窗的建筑能耗分析

王志强，田琦

（1.太原理工大学 环境科学与工程学院，山西 太原 030024；2.太原工业学院 环境与安全工程系，山西 太原 030008）

窗户是建筑的重要围护结构，也是建筑保温最薄弱的构件，窗户造成的能耗可占整个建筑使用能耗的40%～50%[1]，所以窗户的隔热保温性能越发受到人们的关注。在推行低碳、节能建筑的背景下，做好窗户的隔热保温既可改善室内热舒适性，又能实现建筑节能[2]。

目前，关于节能窗的文献大多是机械地增加玻璃层数，或粘贴防辐射膜、填充惰性气体等技术[3-8]，希望一次性地解决玻璃窗户传热强度大，夏季太阳入射强度大[9]等缺点，但没有综合对比窗户在冬、夏季节，昼、夜时段不同的得热、失热特性。夏季白天，窗户是得热部件，易造成室内冷负荷上升，需降低传热系数；夏季夜晚，窗户又是散热部件，可以降低室内冷负荷，若降低传热系数，不利于散热；冬季白天，窗户接收部分太阳辐射，促进室内升温，降低传热系数就会增加热负荷；冬季夜晚，窗户又是散热部件，此时降低传热系数利于降低热负荷。

为克服现有节能窗的上述缺陷，本文提出一种根据不同时段进行分别调节和控制的节能保温窗（Energy Saving and Insulation Window，ESIW），通过DEST能耗分析软件建立分别安装有ESIW系统和其他几种常用节能保温窗的房屋计算模型，对比最热日、最冷日和全年冷热负荷，结合窗户价格，综合分析7种节能保温窗的传热性能和经济成本，得出性价比较高的保温窗结构，以利于窗户提升和改造技术在建筑节能领域的推广和应用。

1 软件模型的可靠性验证

1.1 实验装置与方法

为了方便搭建以及考虑实验室荷载，验证实验平台采用保温彩钢板作为墙体和屋顶来搭建，如图1所示。单间实验室尺寸为3.4 m（L）×1.8m（W）×3.0 m（H），窗户尺寸为1.2 m（W）×1.5 m（H），房门尺寸为0.97 m（W）×2 m（H）。在同一年的分析周期内，分别安装3种不同结构的节能保温窗，利用PT100型热电偶温度传感器以及温控仪[10]测试和记录其0.1、1.1和1.8 m的3个断面、4条垂线的节点温度，进而得到室内平均温度，与模拟计算所得数据作对比。

图1 实测房间的外立面和平面尺寸

1.2 软件模型与设置

清华大学开发的建筑能耗模拟软件DeST[11]，可以动态分析建筑物全年的冷热工况，可用于建筑能耗模拟分析[12]。

为方便对软件模型的实验验证，模型尺寸与已搭建的实验室设置为同样材质和同样尺寸，外轮廓为3.4 m（L）×1.8 m（W）×3.0m（H），门窗尺寸也为同样尺寸，如图2所示。模拟实验平台围护结构的参数如表1所示，利用DeST进行能耗分析时，模型采用的建筑材质等边界条件与所建实验用房保持完全一致，各个构件的热参数也是通过仪器测试所建验证实验用房得出的结果。

图2 模型轴测示意

表1 验证实验平台的围护结构参数

1.3 验证与分析

对实验室进行3次、每次12 h的测量，用同样时段DeST软件分析计算得到的室温与实验监测数据进行对比分析，结果如图3所示。

图3 模拟温度与实测温度对比

由图3可以看出，实测温度的变化趋势与模型温度变化趋势的一致性是可以接受的。当相对平均偏差的绝对值小于15%，且均方根误差小于35%时，可以认为模拟结果比较可靠，并在可接受的误差范围之内[13]。计算所得3种结构下，模拟值与实测值之间的平均偏差分别为2.71%、3.08%和3.63%，均小于15%；均方根误差分别为3.05%、4.15%和4.02%，均远小于35%。由此可知，本文所采用的DeST模型可用来模拟各种结构的节能保温窗的自然室温。

2 建筑能耗分析模型

为了实现对7种窗户的能耗综合对比分析，必须简化搭建房间模型，设定围护结构参数，选定各种窗户的结构、参数。

2.1 房间的物理模型

为了直观地观察和分析窗户对建筑能耗的影响，需要按照以下思路进行简化，将模型设定为一个房间，在基准房间相应位置设置窗户方案[14]。

对于一个住宅小区，排除规划中相互遮挡等因素的影响，以单栋建筑作为考察对象；对于一个单栋建筑，排除相邻户型空间的影响，以某一层某一户作为考察对象；对于某一层某一户房间，排除相邻房间的影响，将某一个房间作为考察对象。

单一房间只受到室外大气环境影响，在此基准上进行节能保温窗的设置，可直观准确地观察不同类型窗户的设置对室内热状况的影响，模型仍用图2所示单间模型，建筑围护结构参数见表2。

表2 建筑物的围护结构参数

2.2 室内热扰规定

室内温度上限为26℃，室内温度下限为18℃，气象数据采用清华大学建筑技术科学系开发的逐时气象数据生成软件Medpha产生的全年逐时气象数据，本文采用其中的太原市气象参数[15]。

2.3 节能保温窗的物理模型

本文提出的节能保温窗是一种具有特殊设备的窗户，主要由保温卷帘、保温卷帘收纳箱、卷帘导轨等组成。保温卷帘是其中的核心部件，是一种填充2.0 cm或2.5 cm厚的发泡聚氨酯于铝合金外壳内部的保温卷帘片，彼此链接而成安装于玻璃外。搭建的节能保温窗模型的组合结构如图4所示，聚氨酯填充厚度为2.0cm时保温窗的结构参数如表3所示。冬季夜间（19:00到次日凌晨07:00）放下卷帘以实现保温，全年其余时间升起卷帘，在夏季白天，卷帘盒可以顺带起到部分遮阳的作用。

图4 节能保温窗结构示意

表3 发泡聚氨酯填充厚度为2.0 cm时保温窗的结构参数

2.4 其他节能窗的设置

对比分析7种窗户，其中1#～3#为3种单层功能玻璃，4#为双层中空玻璃，5#为3层低辐射玻璃，6#为填充氩气的双层玻璃，7#为ESIW结构的节能保温窗。几种玻璃的具体结构及热学、光学参数见表4。

表4 不同节能保温窗的性能参数

3 模拟结果分析

将表4各种参数依次导入DeST软件，对比模拟计算分别安装上述7种不同窗户结构的房屋，以最冷日和最热日室内自然温度分布，最冷日热负荷、最热日冷负荷、全年总负荷以及窗户价格与负荷比等指标作为分析对象，比对出这种特殊结构的保温窗的综合优势。

3.1 自然室温对比

对比分析安装了7种不同结构窗户的房屋，在全年最冷日（1月5日）和全年最热日（7月31日）的自然整点室温，分别见图5、图6。

图5 不同节能窗安装条件下最冷日自然室温变化趋势

图6 不同节能窗安装条件下最热日自然室温变化趋势

由图5、图6可见：

（1）最冷日，安装3种单层功能玻璃条件下的最低温度为-4.0～-5.5℃；安装3层中空玻璃以及填充氩气低辐射中空玻璃，最低温度可以达到-0.98～0.22℃；安装双层中空玻璃的最低温度为-0.98℃；由于保温卷帘带来的夜间隔热效应，安装了ESIW结构保温窗的房屋，室内自然温度普遍提高，尤其是夜间更加明显，最低温度升高0.65℃。

（2）最热日，安装3种单层功能玻璃条件下的最高温度为33～34℃；安装3层中空玻璃以及填充氩气低辐射中空玻璃，最高温度有较为明显的降低，为32.14～33.42℃；安装双层中空玻璃的最高温度为33.87℃；由于卷帘盒的遮阳作用，安装了ESIW结构保温窗的房屋室内自然温度普遍降低，尤其是下午更加明显，最高温度降至32.07℃。

3.2 室内负荷对比（见图7、图8）

图7 不同节能窗安装条件下最冷日热负荷变化趋势

图8 不同节能窗安装条件下最热日冷负荷变化趋势

由图7、图8可见：

（1）最冷日，热负荷的差异主要体现在夜间。安装3种单层功能玻璃，最大热负荷为1.18 kW·h左右，累计热负荷为14～17 kW·h，安装3层中空玻璃以及填充氩气低辐射中空玻璃，热负荷倒是有较为明显的降低，最大热负荷为0.75 kW·h左右，累计热负荷为8～9 kW·h；安装双层中空玻璃房间的最大热负荷为0.82 kW·h，累计热负荷为9.98 kW·h；由于保温卷帘带来的夜间隔热效应，安装了ESIW结构保温窗的房屋室内热负荷普遍降低，尤其是夜间更加明显，最大热负荷为0.56 kW·h，累计热负荷为7.12 kW·h。

（2）最热日，冷负荷的差异主要体现在11:00～20:00。安装3种单层功能玻璃，最大冷负荷为0.60 kW·h左右，累计冷负荷为4.97～5.35 kW·h，安装3层中空玻璃和填充氩气低辐射双层中空玻璃，冷负荷有较为明显的降低，最大冷负荷为0.45 kW·h左右，累计冷负荷为3.95～4.51kW·h；安装普通中空玻璃房间的最大热负荷为0.53 kW·h，累计冷负荷为4.97 kW·h；安装了ESIW结构保温窗的房屋，由于明显的外遮阳结构，室内冷负荷普遍降低，尤其是下午更加明显，最大冷负荷为0.41 kW·h，累计冷负荷为3.93 kW·h。

3.3 综合性能比对

在分析7种结构各自在全年最热日和全年最冷日的自然室温和冷热负荷的基础上，分析其各自累计全年负荷和单位相对负荷价格，即窗户价格与房屋全年累计负荷的比值，结果见表5。

表5 不同玻璃窗价格与能耗参数

由表5可见，安装2#单层热反射玻璃的房屋全年能耗为1934.27 kW·h，安装其余2种单层功能玻璃，全年累计负荷分别为1908.81、1653.44 kW·h，安装3层中空玻璃以及填充氩气低辐射玻璃，热负荷有较为明显的降低，全年累计负荷为1115.47～1274.39 kW·h；安装普通中空玻璃房间的全年累计负荷为1294.21 kW·h；由于保温卷帘带来的冬季夜间隔热效应和保温卷帘外遮阳结构带来的夏季遮阳效果，安装了ESIW结构保温窗的房屋全年累计负荷普遍降低，为1037.21 kW·h。

统计7种窗户结构的造价，将其与上述能耗分析结果结合起来分析，提出一个综合指标——相对负荷单价，即以安装2#单层热反射玻璃的房屋负荷为基准，计算安装其他6种节能窗的房屋，下降单位负荷所需的窗户成本[元（/kW·h）]，其值越低，代表降低单位负荷所消耗的成本越低，是比较划算的一种结构。由表5可见，3种单层功能玻璃，成本较高，能耗也较高，相对负荷单价为0.071～0.707元（/kW·h）；3层中空玻璃以及填充氩气低辐射玻璃，虽然能耗性能较为优越，成本却更加高昂，相对负荷单价分别为0.109～0.110元（/kW·h），普通中空玻璃的相对负荷单价为0.038元（/kW·h）；安装了ESIW结构保温窗的房屋，相对负荷单价最低，为0.036元（/kW·h），表明ESIW结构相对于普通中空玻璃，冬夏两季能耗都有明显地下降，同时费用并没有显著上升，是一种在现行节能标准基础之上行之有效，代价较低的建筑节能改造和提升方式。

4 结论

（1）最冷日或最热日，相比普通中空玻璃，安装3种单层功能玻璃所属房间自然室温普遍不理想；安装3层中空玻璃以及填充氩气低辐射中空玻璃所属房间的自然室温几乎相近；安装了ESIW结构保温窗的房屋，室内自然温度改善更为显著，夜间更加明显。

（2）最冷日或最热日，相比普通中空玻璃，安装3种单层功能玻璃，冷、热负荷明显提高；安装3层中空玻璃以及填充氩气低辐射中空玻璃，冷、热负荷比较接近；由于保温卷帘带来的冬季夜间隔热效应和夏季遮阳效应，安装了ESIW结构保温窗的房屋，室内冷、热负荷下降更为显著，夜间更加明显。

（3）相比普通中空玻璃，安装3种单层功能玻璃全年总负荷明显提高；安装3层中空玻璃以及填充氩气低辐射玻璃，总负荷比较接近，安装了ESIW结构保温窗的房屋，由于保温卷帘的夜间隔热效应和夏季遮阳效应，累计全年负荷下降较为明显。

（4）3种单层功能玻璃，由于成本较高，能耗也较高，相对负荷单价为0.071～0.707元（/kW·h）；3层中空玻璃以及填充氩气低辐射玻璃，虽然能耗较低，成本却很高，相对负荷单价为0.109～0.110元（/kW·h）；普通中空玻璃房间的相对负荷单价为0.038元（/kW·h）；安装了ESIW结构保温窗的房屋，相对于普通中空玻璃，价格虽略有增加，但总负荷显著下降，相对负荷单价最低，为0.036元（/kW·h）。

（5）配置节能保温窗ESIW，白天照常采光得热，夜间放下卷帘较少失热；通过负荷对比分析，ESIW结构保温窗可以大幅降低建筑全年负荷，投入成本较低，是一种较为灵活和理想的保温模式。