新疆寒冷地區(qū)外窗對住宅能耗的影響

代金，姜曙光*，周洋

（1 石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子832003；2 珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司，廣東 珠海 519000）

近年來，隨著建筑業(yè)的發(fā)展，建筑能耗問題成為世界共同關(guān)注的課題，其中住宅建筑的能耗約占全社會總能耗的40%[1]。建筑圍護結(jié)構(gòu)在節(jié)能方面起到至關(guān)重要的作用，尤其是外窗的能耗散失比例高達20%-40%[2]。外窗作為市場產(chǎn)品，無論是在工業(yè)還是建筑業(yè)，其技術(shù)不斷增長，不同大小、窗框、玻璃類型的組合為住宅建筑室內(nèi)熱舒適性和節(jié)能提供更多可能。

目前我國關(guān)于外窗對能耗影響的研究主要集中在住宅[3]、辦公[4]等建筑中。已有研究[5]表明，在夏熱冬冷地區(qū)南向窗墻比達到0.6 且北向窗墻比達到0.3 時住宅全年能耗最小，同時選擇平開塑鋼窗；寒冷地區(qū)，例如北京地區(qū)、河北省[6]等，南向窗墻比不宜過大，采用單框雙玻形式可以使住宅熱負荷降低20%左右[7]。新疆地區(qū)的外窗對能耗的研究大多數(shù)是實地調(diào)研以及收集資料等宏觀的把握，較少模擬，且不全面[8]。因此，開展新疆地區(qū)外窗對能耗影響因素的模擬研究具有必要性，能為完善建筑設(shè)計、建筑節(jié)能提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

新疆南部的和田地區(qū)，屬于寒冷地區(qū)，冬季寒冷，夏季炎熱，建筑節(jié)能既要考慮冬季采暖能耗，又要考慮夏季制冷能耗，獨特的氣候條件決定了其外窗對能耗影響與其他地區(qū)相比有所差異。本文以和田地區(qū)某典型多層住宅建筑為研究對象，利用EnergyPlus 能耗模擬軟件模擬計算，對比分析南北向窗墻比、玻璃組合形式及常用窗框材質(zhì)對建筑能耗的影響，得出新疆寒冷地區(qū)住宅建筑外窗的最佳設(shè)計方案。

1 住宅模型的建立

1.1 幾何模型

本建筑模型為多層住宅樓，地下1 層，地上6層；南北朝向，總建筑面積約為3024.67 m2，層高為18.4 m，一梯兩戶；主要功能房間為客廳、廚房、臥室、衛(wèi)生間等；東、南、西、北墻窗比分別為0.16、0.32、0.16、0.25。

住宅標準層平面圖見圖1，應用Sketch Up 建立的建筑模型見圖2。

圖1 住宅樓標準平面層Fig.1 Residential flat standard floor

圖2 Sketch Up 建筑模型Fig.2 Sketch Up building model

1.2 設(shè)定熱工參數(shù)

1.2.1 圍護結(jié)構(gòu)及熱工參數(shù)的設(shè)定

外墻選用20 mm 水泥砂漿抹灰、100 mmEPS板、240 mm KP1 粘土多孔磚，傳熱系數(shù)0.25；屋頂為35 mm 細石混凝土、120 mm EPS 板、120 mm 鋼筋混凝土，傳熱系數(shù)0.23。

1.2.2 能耗模擬參數(shù)的設(shè)定

冬季室內(nèi)設(shè)計溫度為18 ℃，夏季室內(nèi)設(shè)計溫度為26 ℃，換氣次數(shù)為0.5 次/h，照明為人走燈滅模式，各功能房間3 W/m2，設(shè)備得熱各功能房間均為5 W/m2。

1.3 外窗傳熱系數(shù)

為節(jié)約住宅建筑能耗，需要限制外窗的洞口比例以及選擇合適的節(jié)能玻璃材質(zhì)與窗框材質(zhì)，以達到在合適的通風、采光條件下最大程度減少能耗損失。整個外窗隨著技術(shù)的提高，其熱工性能也在不斷提高，傳熱系數(shù)可達到的最優(yōu)值約為0.6 W/（m2·K）。外窗熱工性能參數(shù)最具代表的為傳熱系數(shù)，其計算可用式（1）[9]表示：

式中:Uw為外窗傳熱系數(shù)，單位W/（m2·K）；Ug為玻璃傳熱系數(shù)，單位W/（m2·K）；Uf為窗框傳熱系數(shù)，單位W/（m2·K）；lg為窗框剖面的內(nèi)長邊緣長度，單位m；ψg為絕緣玻璃邊緣密封條傳熱系數(shù)，單位W/（m2·K）；Ag為玻璃的面積，單位m2；Af為窗框的面積，單位m2。

2 窗墻比對建筑能耗的影響

外窗窗墻面積比是影響住宅能耗最直接的因素。外窗面積呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，而可開啟窗扇面積逐漸減小，研究表明20%的開窗率已達到大多數(shù)人心理滿足感，30%開窗率可以使?jié)M足感達最高峰[9]。更大的開窗率不會再對人的心理、視覺產(chǎn)生影響，通過洞口過大的風量反而影響居住者的舒適度，增加空調(diào)季的能耗，對節(jié)能不利。

住宅外窗的寬、高及面積，首先要滿足采光要求，即客廳、臥室等主要用房窗地比不小于1/6[10]，同時，要滿足自然通風的要求，即主要用房窗地比不小于5%。另外還必須考慮節(jié)能要求：在滿足北向窗墻比不大于0.4，南向窗墻比不大于0.6 的范圍內(nèi)適度選擇，考慮一個最利于節(jié)能的窗墻比例[11]。

2.1 采暖能耗

南、北向窗墻比分別增大時建筑的采暖能耗結(jié)果（圖3）顯示：南向窗墻比增大，有利于采暖能耗的降低，而北向窗墻比的增大，加大了采暖能耗的上升，并且北向窗墻比變化的采暖能耗呈線性變化。造成這種情況的原因是和田地區(qū)采暖季太陽能輻射角低，輻射量大，南向外窗的太陽能得熱量隨著窗墻比的增大而增大，并且大于其傳熱損失，而北向獲得的太陽能輻射量小于外窗的傳熱損失（圖4）。所以，適當增大南向窗墻比，同時，減小北向窗墻比，在采暖季可以起到減小采暖能耗的作用。

圖3 窗墻比的變化對采暖能耗的影響Fig.3 Influenceof window-wall ratio on energy consumptionforheating

圖4 南北朝向外窗采暖季凈得熱量Fig.4 Net heat gains in heating season with south and north windows

2.2 制冷能耗

南、北向窗墻比分別增大時建筑的制冷能耗結(jié)果（圖5）顯示：由于玻璃對太陽能的透過性能及較強的傳熱性能，增大窗墻比，無論南向還是北向，制冷能耗都呈現(xiàn)出線性增大的趨勢，并且南向窗墻比增大時的制冷能耗增量遠大于北向窗墻比增大時的制冷能耗增量。

圖5 窗墻比變化對制冷能耗的影響Fig.5 Influenceof window-wall ratio on energy consumptionfor cooling

2.3 一次能耗

圖6是南、北向窗墻比分別增大時建筑一次能源消耗的變化趨勢，其中直接采暖能耗和直接制冷能耗的一次能源系數(shù)分別為3.613 和1.056。

圖6 窗墻比變化對一次能耗的影響Fig.6 Influenceof window-wall ratio on consumptionforsource energy

由圖6可以看出：隨著南向窗墻比的增大，建筑一次能耗呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，并且在窗墻比為0.5 時達到最低值。而隨著北向窗墻比的增大，建筑一次能耗呈線性增大的趨勢。

上述結(jié)果表明：在考慮建筑用能在開采、運輸和加工轉(zhuǎn)換過程中能源損失的情況下增大北向窗墻比不利于節(jié)能，而南向窗墻比在0.5 時整個建筑的一次能耗最小，最節(jié)能。

3 玻璃材質(zhì)對建筑能耗的影響

外窗中面積最大的組件是玻璃，玻璃材質(zhì)的選擇對建筑能耗有很大的影響。中空玻璃是目前應用最廣的玻璃類型，其良好的保溫隔熱性能是節(jié)能第一選擇。中空玻璃是由2 片或多片平板玻璃以有效支撐邊框均勻隔開并在周邊粘接密封，使玻璃夾層之間形成干燥氣體空間，利用氣體熱導率低的特點達到良好的隔熱效果[12]。夾層空間內(nèi)的氣體也可以為惰性氣體，可進一步提高玻璃隔熱性能。

本文研究選取目前常用的幾種不同類型的玻璃材質(zhì)組合，分別在南北兩個朝向和不同窗墻比條件下進行建筑的采暖能耗、制冷能耗和一次能耗的模擬分析。玻璃材質(zhì)的熱工性能見表1。

表1 玻璃材質(zhì)類型Tab.1 Types of glass

3.1 采暖能耗

根據(jù)模擬數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，采暖能耗與南北向窗墻比關(guān)系曲線如圖7所示。從圖7可知：

（1）6 種玻璃材質(zhì)下，采暖能耗隨窗墻比變化的趨勢是一致的，南向隨之減小，北向隨之增大。

（2）單層普通玻璃由于其本身熱阻很小，使得窗戶熱損很大，導致圍護結(jié)構(gòu)保溫能力弱，采暖能耗無論南北向都遠遠大于其他玻璃材質(zhì)。

（3）3 號玻璃材質(zhì)隨著南向窗墻比的增加，其采暖能耗減小量最多；隨著北向窗墻比的增加，其采暖能耗始終最低。

（4）由4、5 號玻璃材質(zhì)能耗變化可以看出，著色Low-E 玻璃較低的太陽得熱系數(shù)使采暖能耗隨著南向窗墻比的增大的減小量較少。

（5）由6 號玻璃材質(zhì)能耗變化可以看出，玻璃層數(shù)由兩層增加至三層對采暖能耗的影響不大。

圖7 南北朝向不同玻璃材質(zhì)對采暖能耗的影響Fig.7 Influence of different glass materials on energy consumption forheating in north and south

3.2 制冷能耗

結(jié)果（圖8）顯示：制冷能耗隨窗墻比變化的趨勢同樣一致，南北向皆隨之增大。

（1）當南北向窗墻比小于0.5 時，1 號玻璃材質(zhì)制冷能耗與其他材質(zhì)玻璃相比較高；當南北窗墻比大于0.5 時，2 號玻璃材質(zhì)制冷能耗與其他材質(zhì)玻璃相比較高。

（2）由3、4 號玻璃制冷能耗的變化可以看出，玻璃著色可以明顯減小制冷能耗。

（3）由4、5 號玻璃制冷能耗變化可以看出，將空氣間層換成氬氣間層對于制冷能耗的減小，作用不大。

（4）隨著南北向窗墻比增大，6 號玻璃材質(zhì)制冷能耗始終最低。

圖8 南北朝向不同玻璃材質(zhì)對制冷能耗的影響Fig.8 Influence of different glass materials on energy consumption forcooling in north and south

3.3 一次能耗

一次能耗隨窗墻比的變化如圖9所示，從圖9可以看出：

（1）當南向窗墻比為0.6 時，3 號玻璃材質(zhì)的一次能耗最低。

（2）對于北向外窗，應在保持良好通風和光照的條件下，盡量減小窗墻比，并且當選擇3 號玻璃材質(zhì)時，建筑一次能耗最小。

圖9 南北朝向不同玻璃材質(zhì)對一次能耗的影響Fig.9 Influence of different glass materials for source energy consumption in north and south

4 窗框材質(zhì)對建筑能耗的影響

雖然外窗的隔熱保溫性能總體由玻璃來控制，但是窗框占整個窗戶總面積的1/5-1/3，因此窗框的熱工性能也對外窗的能耗產(chǎn)生不小的影響[1]；同時，窗框往往是外窗節(jié)能的薄弱環(huán)節(jié)，熱橋部位，容易產(chǎn)生結(jié)露等，是外窗節(jié)能的關(guān)鍵因素[13]。

本文選取住宅建筑上常用且經(jīng)濟性良好的窗框型材作為研究對象。木質(zhì)材料保溫隔熱性能優(yōu)良，并且有研究表明，在考慮到生產(chǎn)方法、生命周期和可回收性的條件下木質(zhì)材料為首選，但其造價過高[3]；鋁合金質(zhì)輕，耐腐蝕，可塑性好，但傳熱系數(shù)過高；PVC 塑料阻熱作用良好，但強度低，剛性差，對環(huán)境污染嚴重；而塑鋼在塑料材質(zhì)的基礎(chǔ)上使用鋼襯支撐，增加了材料強度，同時保持了塑料材質(zhì)的良好性能。

綜上所述，本文選擇四腔三密封窗框，窗框?qū)?.06 m，窗框內(nèi)向外向均突出0.04 m；分隔條寬0.07 m，分割器內(nèi)外均突出0.04 m。

窗框材質(zhì)見表2。

表2 窗框材質(zhì)類型Tab.2 Types ofwindow frame material

4 種窗框材質(zhì)的采暖能耗、制冷能耗、一次能耗分別如圖10所示。從圖10可以看出：

（1）普通鋁合金的采暖能耗明顯高于其他材質(zhì)的采暖能耗，4 種材質(zhì)對制冷能耗的影響相差不大。說明在新疆的寒冷地區(qū)，窗框?qū)Σ膳芎牡挠绊懘笥趯χ评淠芎牡挠绊?，所以選擇窗框材料應多加考慮其在采暖季的保溫性能。

（2）使用塑鋼窗框的住宅建筑采暖能耗與一次能耗最低，而使用普通鋁合金窗框的住宅建筑制冷能耗最低，即傳熱系數(shù)越低的窗框材料，其保溫性能越好越節(jié)能。

圖10 窗框材質(zhì)對能耗的影響Fig.10 Influence of window frame materials on energy consumption

5 結(jié)論

本文通過模擬分析外窗對住宅能耗的影響，得出以下結(jié)論：

（1）在新疆寒冷地區(qū)特殊的氣候條件下，外窗特性對住宅能耗有重大影響。

（2）住宅北向窗墻比應在滿足采光與通風的條件下適當減小，且不大于0.4，南向窗墻比可以適當增大，但不大于0.6。在本文的參數(shù)條件下，選用雙層透明普通玻璃時，從節(jié)能角度考慮，合適的南向窗墻比為0.5，這時建筑年能耗最小。

（3）外窗無論南北向，玻璃材質(zhì)皆為雙層玻璃，其中一層為透明Low-E 玻璃，填充氣體為空氣，此時建筑年能耗最小，且南向窗墻比可以增加至0.6。所以在新疆寒冷地區(qū)更適合選用其中一層為Low-E玻璃的雙層玻璃，從而達到更節(jié)能的效果。

（4）外窗窗框材質(zhì)能耗大小依次為：普通鋁合金＞斷橋鋁合金＞木材＞塑鋼。因此，住宅外窗應選擇保溫隔熱性能良好的塑鋼材質(zhì)的窗框，可以改善室內(nèi)熱環(huán)境，降低建筑能耗。