不同安裝方式下保溫卷簾節(jié)能窗對建筑冷、熱負荷的影響

王志強, 田琦

(1. 太原理工大學 環(huán)境科學與工程學院， 山西 太原 030024；2. 太原工業(yè)學院 環(huán)境與安全工程系， 山西 太原 030008)

目前，建筑能耗約占整個社會總能耗的30%～40%[1]，因此，建筑節(jié)能對于降低社會總能耗非常關(guān)鍵.作為建筑的重要構(gòu)件,窗戶是建筑隔熱保溫過程中最薄弱的環(huán)節(jié)，通過窗戶形成的能耗約占整個建筑使用能耗的50%[2].因此，窗戶的隔熱保溫性能日益受到廣泛的關(guān)注，做好窗戶的隔熱保溫是改善室內(nèi)熱舒適性、實現(xiàn)建筑節(jié)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[3].目前，節(jié)能窗大多是通過機械增加玻璃層數(shù)，或者粘貼防輻射膜等方法[4-9]進行節(jié)能，試圖一次性克服窗戶傳熱系數(shù)大，太陽能得熱系數(shù)大[10]等缺點，但是沒有辯證地分析窗戶在冬、夏兩季，晝、夜兩時不同的得熱、失熱性能.夏季白天窗戶容易造成冷負荷上升，而夜晚有利于散熱過程；冬季白天窗戶得到太陽輻射有利于室內(nèi)升溫，而夜晚需要保溫降低熱負荷[10].

本文提出一種根據(jù)不同時段進行分別調(diào)節(jié)和控制的節(jié)能保溫窗(ESIW)，通過DeST能耗分析軟件[11-12]建立安裝有不同結(jié)構(gòu)ESIW系統(tǒng)的房屋計算模型，以全年冷熱負荷為主要分析指標，對建筑的窗墻比、窗戶朝向，以及遮陽板寬度等因素進行優(yōu)化分析，得到節(jié)能保溫窗最佳的安裝方式.

1 軟件模擬與可靠性驗證

以寒冷地區(qū)山西省太原市為分析區(qū)域，對配置有節(jié)能保溫窗的房屋模型進行能耗分析計算，并與配有同尺寸普通玻璃窗戶(OW)的房屋模型進行比較.所用軟件為清華大學開發(fā)的建筑模擬分析軟件DeST[13].為了驗證該軟件模擬的可靠性，搭建了實驗室.實測房間，如圖1所示.

(a) 外立面圖 (b) 尺寸平面圖圖1 實測房間(單位： mm)Fig.1 Measured room (unit: mm)

實驗室總尺寸為3.40 m (長)×3.50 m(寬)×2.70 m (高)，門尺寸為0.97 m (長)×2.00 m (寬)，窗尺寸為1.20 m (寬)×1.50 m (高).建筑物的圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示.表1中：d為厚度;λ為導(dǎo)熱

表1 建筑物的圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Building envelope structural parameters

系數(shù)；k為傳熱系數(shù).

4種保溫卷簾節(jié)能窗結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示.保溫卷簾裝置由保溫卷簾、保溫卷簾收納箱、保溫卷簾導(dǎo)軌等組成,卷簾內(nèi)填充2.0或2.5 cm厚的聚氨酯，鋁合金外殼彼此鏈接，保溫卷簾覆蓋玻璃窗，總尺寸為1.40 m (寬)×1.90 m (高).

(a) ESIW(A)結(jié)構(gòu) (b) ESIW(B)結(jié)構(gòu) (c) ESIW(C)結(jié)構(gòu) (d) ESIW(D)結(jié)構(gòu)圖2 4種保溫卷簾節(jié)能窗結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure sketch diagram of four types of thermal insulation shutter energy-saving window

4種保溫卷簾結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)置方案，分別如表2，3所示.表2,3中：a為卷簾與玻璃間空氣間隙；w為遮陽板寬度；l為遮陽板長度；ESIW(A)結(jié)構(gòu)、ESIW(B)結(jié)構(gòu)為房間1的保溫卷簾節(jié)能窗；ESIW(C)結(jié)構(gòu)、ESIW(D)結(jié)構(gòu)為房間2的保溫卷簾節(jié)能窗.

表2 4種保溫卷簾結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of four thermal insulations

表3 4種保溫卷簾結(jié)構(gòu)設(shè)置方案 Tab.3 Setup scheme of four thermal insulation structures

圖3 模型軸測圖(單位: mm)Fig.3 Model axonometry (unit: mm)

在房間室內(nèi)離地0.1，1.1，1.8 m高的3個斷面、4條垂線的節(jié)點上布置PT 100型熱電偶[14]，用溫控儀[15]測定和記錄每個節(jié)點19：00到次日07：00的溫度，進而得到室內(nèi)平均溫度.模型軸測圖，如圖3所示，圖3中：房間模型外輪廓為3.40 m(長)×1.84 m(寬)×2.70 m(高)，構(gòu)造參數(shù)與實測房間相同.

在軟件DeST中，選取太原市氣象參數(shù)[15]對上述房間模型室內(nèi)溫度進行模擬，模擬溫度與實測溫度比對，如圖4所示.

由圖4可知：模擬的室內(nèi)溫度值與實測的溫度值曲線走向具有一致性.4種保溫卷簾節(jié)能窗的模擬值與實測值之間的平均偏差分別為 2.71%，3.08%，3.63% 和3.07%，均方根誤差分別為3.05%，4.15%，4.02% 和4.18%.由此可知，利用DeST軟件模擬各種節(jié)能保溫窗的節(jié)能保溫性能具有較好的可信度[16].

(a) ESIW(A)結(jié)構(gòu) (b) ESIW(B)結(jié)構(gòu)

(c) ESIW(C)結(jié)構(gòu) (d) ESIW(D)結(jié)構(gòu) 圖4 模擬溫度與實測溫度比對Fig.4 Comparison between simulated temperature and measured temperature

2 模擬結(jié)果

為全面分析節(jié)能窗在不同安裝條件下房間的溫度場，對模型(圖3)進行單因素分析，然后，對某實際建筑進行正交分析.以最冷日溫度及熱負荷、最熱日溫度及冷負荷，以及全年冷熱負荷等指標作為分析對象，對比分析不同結(jié)構(gòu)的保溫卷簾節(jié)能窗對建筑能耗的影響，保溫卷簾節(jié)能窗全年起落時段為冬季采暖期每個夜間的19：00至次日凌晨的07：00.

2.1 不同結(jié)構(gòu)的保溫卷簾節(jié)能窗對典型日冷熱負荷的影響

對太原市的氣象資料進行調(diào)查，由調(diào)查分析得知：全年最冷日為1月5日，最低溫度為-17.10 ℃，最高溫度為-3.50 ℃，日平均溫度為-10.05 ℃；全年最熱日為7月31日，最低溫度為21.70 ℃，最高溫度為32.70 ℃，日平均溫度為27.03 ℃.OW結(jié)構(gòu)對應(yīng)的最冷日、最熱日室內(nèi)熱負荷，如圖5，6所示.ESIW(C)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的最冷日、最熱日室內(nèi)熱負荷，如圖7，8所示.圖5～8中：η為窗墻比；Qh為熱負荷；Qc為冷負荷.

圖5 OW結(jié)構(gòu)對應(yīng)的最冷日室內(nèi)熱負荷 圖6 OW結(jié)構(gòu)對應(yīng)的最熱日室內(nèi)冷負荷 Fig.5 Indoor heat load distribution of Fig.6 Indoor cold load distribution of OW structure on coldest day OW structure on hottest day

圖7 ESIW(C)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的最冷日室內(nèi)熱負荷 圖8 ESIW(C)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的最熱日室內(nèi)冷負荷Fig.7 Indoor heat load distribution of Fig.8 Indoor cold load distribution of ESIW(C) structure on coldest day ESIW(C) structure on hottest day

由圖5可知：窗墻比對于建筑冷熱負荷有著巨大的影響，OW結(jié)構(gòu)從20：00到次日10：00，最冷日熱負荷隨著窗墻比的增大而增大，意味著這一時段主導(dǎo)規(guī)律是夜間更大的窗戶面積帶來更多的失熱，從10：00到20：00，最冷日熱負荷都隨著窗墻比的增大而減小，意味著這一時段主導(dǎo)規(guī)律是白天有太陽輻射，更大的窗戶面積帶來了更多的太陽輻射得熱.因此，窗墻比并不需要一味予以限制，太小會影響采光，白天窗墻比大一些，反而容易獲取太陽得熱；當夜間放下保溫卷簾后，在保溫時段，不同窗墻比的房間溫度差異不再明顯，也就是說,溫度隨著窗墻比降低的趨勢減弱.當使用OW結(jié)構(gòu)時，冬季室內(nèi)逐時熱負荷在白天不大，不需要額外處理，但在整個夜間都處于高位，因此,防護重點在夜間.

由圖5,7可知：當夜間使用了ESIW(C)結(jié)構(gòu)時，夜間熱負荷高位時段明顯收窄，熱負荷明顯下降.雖然在夏季增加窗墻比，一定程度上增加冷負荷，但是在南側(cè)窗戶上安裝了外置的ESIW(C)結(jié)構(gòu)，就可以起到遮陽的作用.由圖6,8可知：當窗墻比為0.81時，OW結(jié)構(gòu)最熱日的峰值冷負荷從的1.21 kW降為ESIW(C)結(jié)構(gòu)的1.09 kW.如果遮陽板寬度適度增加，遮陽效果更好，冷負荷就會降低，因此，南窗安裝ESIW(C)結(jié)構(gòu)較為適宜.

2.2 不同窗戶結(jié)構(gòu)對建筑全年能耗的影響

以全年各項指標的匯總數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在5種窗墻比條件下，安裝4種窗戶結(jié)構(gòu)，負荷下降率、負荷與窗戶結(jié)構(gòu)的關(guān)系，如圖9所示.圖9中：Rc為冷負荷下降率；Rh為熱負荷下降率.

(a) 全年冷、熱負荷下降率 (b) 全年冷、熱負荷圖9 負荷下降率、負荷與窗戶結(jié)構(gòu)的關(guān)系Fig.9 Relationship among load drop rate， load drop and window structure

由圖9(a)可知：無論哪種窗墻比水平，對于熱負荷下降率都是ESIW(A)結(jié)構(gòu)最低，ESIW(C)結(jié)構(gòu)，ESIW(B)結(jié)構(gòu)，ESIW(D)結(jié)構(gòu)依次增大，代表了各種結(jié)構(gòu)不同的隔熱保溫性能；對于冷負荷下降率都是ESIW(A)結(jié)構(gòu)和ESIW(C)結(jié)構(gòu)相同，ESIW(B)結(jié)構(gòu)和ESIW(D)結(jié)構(gòu)為零，代表了各種結(jié)構(gòu)不同的遮陽降溫性能.

保溫卷簾只是在冬季采暖季夜間放下，其余時間都處于升起狀態(tài)，在冬季夜間可以起到阻止熱量由室內(nèi)向室外逸散的作用，有利于降低房間的熱負荷.安裝于玻璃窗外的ESIW(A)結(jié)構(gòu)和ESIW(C)結(jié)構(gòu)，有10%～25%不等的熱負荷下降率，但由于有冷空氣滲入，以及全年卷簾盒遮陽等因素的影響，普遍低于安裝于窗內(nèi)的ESIW(B)結(jié)構(gòu)和ESIW(D)結(jié)構(gòu)，其有20%～30%不等的熱負荷下降率.安裝于玻璃窗外的ESIW(A)結(jié)構(gòu)和ESIW(C)結(jié)構(gòu)，由于有卷簾盒自身常年對陽光的遮擋效果，都有10%～20%不等的冷負荷下降率，安裝于玻璃窗內(nèi)的ESIW(B)結(jié)構(gòu)和ESIW(D)結(jié)構(gòu)，卷簾盒在室內(nèi)，沒有遮陽效果，所以冷負荷下降率為零.熱負荷下降率都隨著窗墻比的增加而增加，可從11%增加到25%，反映了增加窗墻比對建筑能耗的促進作用，同時，增加窗墻比有利于冬季白天太陽輻射熱量的增加.對于冷負荷下降率，ESIW(B)結(jié)構(gòu)和ESIW(D)結(jié)構(gòu)無論對于哪種窗墻比都沒有遮陽作用，下降率都為零，ESIW(A)結(jié)構(gòu)和ESIW(C)結(jié)構(gòu)都是隨著窗墻比的增加下降率降低，從20%減少到13%，代表了增加窗墻比對夏季遮陽效果的制約作用.

由圖9(b)可知：更多的窗戶面積代表了夏季白天更多的太陽輻射得熱，全年冷負荷也都隨著窗墻比的增加而增加.

2.3 窗戶朝向的對建筑能耗的影響

建筑朝向主要是建筑的主要立面所面對的方向，模型中是指窗戶所在立面所面對的方向.當η=0.66時，對比分析OW,ESIW(A)和ESIW(B)結(jié)構(gòu)3種窗戶分別處于東、南、西、北對建筑能耗的影響.負荷下降率、負荷與窗戶朝向的關(guān)系，如圖10所示.

(a) 全年冷、熱負荷下降率 (b) 全年冷、熱負荷 圖10 負荷下降率、負荷與窗戶朝向的關(guān)系Fig.10 Relationship among load drop rate， load drop and window orientation

由圖10(a)可知:冬季夜間放下卷簾后，無論是哪種保溫卷簾節(jié)能窗，熱負荷下降率在窗戶朝向方面呈現(xiàn)了較為一致的趨勢，在朝向為南時，下降率最高,為22.5%～27.8%，在朝向為北時，下降率最低，為20.9%～24.3%，朝向為東、西時下降率居中；安裝有ESIW(B)結(jié)構(gòu)的房屋，熱負荷下降率要穩(wěn)定地高于安裝了ESIW(A)結(jié)構(gòu)的房屋.

由圖10(b)可知安裝了ESIW(A)結(jié)構(gòu)和ESIW(B)結(jié)構(gòu)的房屋相比于安裝OW結(jié)構(gòu)的房屋，熱負荷隨著朝向的改變走向大體一致，但是明顯下降；當窗戶朝向為西時，安裝有節(jié)能保溫卷簾的房屋熱負荷會相對于安裝OW結(jié)構(gòu)的房屋，會有一個陡降，這也反映了安裝了節(jié)能保溫卷簾后，使得朝向為西時夜間失熱更少，白天得熱成為其主要因素，故而熱負荷下降較為明顯.

夏季全天都不放下卷簾的背景下，安裝了ESIW(B)結(jié)構(gòu)的房屋，沒有任何遮陽措施，每個朝向的冷負荷下降率都為零，安裝了ESIW(A)結(jié)構(gòu)的房屋，在不同的朝向的遮陽效應(yīng)不同，因而在朝向為南時，下降率最高，達到14.8%，朝向為北時，下降率最低，為7.1%，朝向為東、西時下降率居中，分別為8.2%和10.0%.安裝有ESIW(B)結(jié)構(gòu)的房屋曲線與安裝了OW結(jié)構(gòu)的房屋曲線重合，驗證了其冷負荷下降率為零的結(jié)論.安裝了ESIW(A)結(jié)構(gòu)的房屋冷負荷相比安裝OW結(jié)構(gòu)的房屋，隨朝向的改變走向大體一致，冷負荷值則有較為明顯的下降.由于太陽西曬的作用，普通窗戶房屋的冷負荷在窗戶朝向為西時最高，因此，在這個方位有遮陽效應(yīng)，冷負荷下降量實際上是比較大的，但是由于基數(shù)太大，所以冷負荷下降率比較??；而在南向常年有太陽輻射，遮陽效應(yīng)同樣會帶來較大的冷負荷下降，但是由于沒有下午西向的西曬集中，未遮陽時，冷負荷下降率最大.

2.4 遮陽板寬度對建筑能耗的影響

遮陽板寬度是指遮陽板邊緣與窗戶的距離，是遮陽功能最重要的參數(shù).當η=0.53時，對比分析OW結(jié)構(gòu)、ESIW(A)結(jié)構(gòu)和ESIW(C)結(jié)構(gòu)3種窗戶分別在遮陽板寬度為0.5，1.0，1.5 m對建筑能耗的影響.建筑全年負荷下降率、負荷與遮陽板寬度的關(guān)系，如圖11所示.

(a) 全年冷、熱負荷下降率 (b) 全年冷、熱負荷圖11 負荷下降率、負荷與遮陽板寬度的關(guān)系Fig.11 Relationship among load drop rate， load drop and visor width

由圖11(a)可知：兩種安裝于玻璃之外的ESIW(A)結(jié)構(gòu)和ESIW(C)結(jié)構(gòu)的房間，隨著結(jié)構(gòu)外置卷簾盒遮陽板寬度的增加，阻擋了一部分太陽光，減少了冬季白天太陽輻射得熱，從而降低了房間自然溫度，進而增加了熱負荷；而沒有遮陽板的普通窗戶的熱負荷未發(fā)生變化，導(dǎo)致了熱負荷下降率的減少.

由圖11(b)可知：在夏季白天，兩種安裝于玻璃之外的ESIW(A)結(jié)構(gòu)和ESIW(C)結(jié)構(gòu)的房間，可以有效利用結(jié)構(gòu)外置卷簾盒遮陽板寬度阻擋部分太陽光，減少了夏季白天太陽輻射得熱，降低了房間溫度，減少了冷負荷，由于整個夏季并不放下卷簾，對熱負荷無影響，所以遮陽板寬度是唯一制約作用，ESIW(A)結(jié)構(gòu)和ESIW(C)結(jié)構(gòu)的冷負荷曲線是重合的.冷負荷隨遮陽板寬度增加而減少，而沒有遮陽板的普通窗戶的冷負荷未變化，故冷負荷下降率隨之增大.

2.5 3因素4水平正交分析

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，以太原市全年氣候參數(shù)為環(huán)境背景，對一棟5層實際公共建筑進行3因素4水平正交分析.標準層，如圖12所示.

(a) 平面圖 (b) 軸測圖 圖12 標準層示意圖(單位：mm)Fig.12 Standard floor (unit: mm)

實際建筑外立面結(jié)構(gòu)尺寸為20.0 m(長)×20.0 m(寬)×18.5 m(高)；樓層數(shù)為5層；每層窗戶數(shù)量為4個；層高為3.6 m.實際建筑物圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表4所示.正交因素和水平配置表，如表5所示.以建筑全年的單位面積冷、熱負荷為考核指標，得出節(jié)能保溫卷簾的最佳安裝模式.

表4 實際建筑物圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.4 Actual building envelope structural parameters

正交結(jié)果表明:對于冬季的熱負荷，3種因素的權(quán)重依次為窗墻比、保溫卷簾安裝結(jié)構(gòu)、保溫卷簾安裝朝向.窗墻比是第1關(guān)鍵因素，最好水平是0.38，平均熱負荷僅為36.17 W·m-2;保溫卷簾安裝結(jié)構(gòu)是第2關(guān)鍵因素，ESIW(D)具有相對最低的熱負荷，僅為38.00 W·m-2；保溫卷簾安裝朝向也比較重要，其最好水平是北向，熱負荷僅為38.80 W·m-2，說明將保溫卷簾安裝于北向窗戶的意義最大，其次為南向，安裝在東、西向窗戶外邊的實用性相對較??；采用ESIW(D)結(jié)構(gòu)，當窗墻比從0.38增到0.81，全年熱負荷指標僅從35.63 W·m-2增加到41.39 W·m-2，并沒有大幅增加，所以采用了節(jié)能保溫卷簾后，冬季南、北兩個方向都可適當擴大窗墻比.

表5 正交因素和水平配置表Tab.5 Orthogonal factors and levels profile

對于夏季的冷負荷，3種因素的權(quán)重依次為窗墻比、保溫卷簾安裝結(jié)構(gòu)、保溫卷簾安裝朝向.窗墻比是第1關(guān)鍵因素，其最好水平是0.38，平均冷負荷僅為11.40 W·m-2;保溫卷簾安裝結(jié)構(gòu)是第2關(guān)鍵因素，ESIW(A)和ESIW(C)結(jié)構(gòu)由于有遮陽板的存在，為最佳水平，平均冷負荷僅為17.76 W·m-2;保溫卷簾安裝朝向也比較重要，其最好水平是南向，冷負荷僅為17.86 W·m-2，說明將保溫卷簾安裝于南向窗戶時夏季遮陽的意義最大，其次為西向，安裝在東、北向窗戶外邊對于遮陽效果相對較小；采用ESIW(C)結(jié)構(gòu)，當窗墻比從0.38增加到0.81，全年冷負荷指標僅從11.22 W·m-2增加到24.10 W·m-2，所以采用自帶遮陽效能的節(jié)能保溫卷簾，即使夏季窗戶朝向為南向，也可適度擴大窗墻比.

綜合上述正交分析結(jié)果，在北向窗戶，最佳保溫卷簾的結(jié)構(gòu)為ESIW(D)結(jié)構(gòu)；而在南向窗戶，最佳保溫卷簾的結(jié)構(gòu)為ESIW(C)結(jié)構(gòu)，都可以適度突破現(xiàn)行規(guī)范中的窗墻比限制.

3 結(jié)論

1) 安裝于窗內(nèi)的ESIW(B)結(jié)構(gòu)和ESIW(D)結(jié)構(gòu)全年熱負荷下降率更大，可以達到20%～30%；熱負荷下降率隨著窗墻比的增大而增加，冷負荷下降率隨著窗墻比的增大不變.

2) 安裝于窗外的ESIW(A)結(jié)構(gòu)和ESIW(C)結(jié)構(gòu)全年冷負荷下降率更大,達到10%～20%；熱負荷下降率隨著窗墻比的增大而增加，冷負荷下降率隨著窗墻比的增大而下降；熱負荷下降率隨著遮陽板寬度的增大而減少，冷負荷下降率隨著遮陽板寬度的增大而增大.

3) 保溫窗安裝于建筑南向時，全年冷負荷下降率及全年熱負荷下降率都最大，全年熱負荷最大.

4) 南向窗戶可以安裝ESIW(A)結(jié)構(gòu)或ESIW(C)結(jié)構(gòu)，在窗墻比為0.6和遮陽板框至少為1 m的情況下，可以有效降低冷、熱負荷；北向窗戶可以安裝ESIW(B)結(jié)構(gòu)或ESIW(D)結(jié)構(gòu)，配置0.4左右的窗墻比，可以有效降低冬季熱負荷.

5) 結(jié)合單因素和正交分析結(jié)果，普通玻璃窗使用了節(jié)能保溫卷簾，可適度突破現(xiàn)有規(guī)范中對各個朝向窗墻比的限制；如果升級為以中空玻璃為基礎(chǔ)，配置節(jié)能保溫卷簾后，白天升起卷簾采光得熱，夜間放下卷簾以減少失熱，能起到更好的隔熱保溫效果，是一種較為靈活和理想的保溫模式.