居住建筑外窗節(jié)能設計研究

孫海玲,涂勁松

(皖西學院 建筑與土木工程學院，安徽 六安 237012)

我國建筑節(jié)能起步較晚，于20世紀80年代開始在寒冷的北方地區(qū)實施，直到90年代末[1]才在夏熱冬冷的南方地區(qū)實施。近些年，國內(nèi)外學者在建筑節(jié)能方面做了大量的研究工作，在外窗節(jié)能方面取得豐富的研究成果。美國LBNL實驗室開發(fā)的THERM、WINDOW軟件，專門計算門窗及幕墻的熱工性能，可以選擇不同的玻璃源、不同地區(qū)環(huán)境邊界[2]，模擬的結果更接近實地工程；天津大學房濤[3]利用能耗模擬軟件DesignBuilder進行模擬分析，確立了天津地區(qū)零能耗住宅設計的最佳朝向、外圍護結構的構造形式、熱工性能的參數(shù)選擇，外窗設計過程中選擇適宜的窗墻比及外窗遮陽形式等；重慶大學顧順欽[4]選定DeST作為研究的工具,從選址、建筑體型、窗墻等設計因素進行分析，利用DeST軟件進行能耗模，為前期的建筑設計方案階段提供參考。隨著我國建立和健全建筑節(jié)能的標準體系，節(jié)能建筑技術的不斷進步，為建設資源節(jié)約型社會提供了保障，但也存在不少問題，如建筑節(jié)能工作推進速度與城市化建設發(fā)展不適應；建筑節(jié)能技術在實地工程沒有真正落實；節(jié)能工程質量粗糙，影響節(jié)能效果。真正落實了建筑節(jié)能措施，有利于提高建筑保溫隔熱性能，改善居住舒適度。在建設及使用過程中對土地、能源、材料等的浪費更為嚴重,其能耗占建筑總能耗已經(jīng)超過80%。在居住建筑中，外窗面積占建筑外圍護結構表面積的1/4左右，有時設計師為了追求建筑立面造型效果，開窗面積可能會更大，外窗的耗熱達到了建筑圍護結構能耗的50%以上。所以開窗系統(tǒng)必須在設計時就要優(yōu)化建筑熱負荷，同時達到預期的視覺和熱舒適水平。窗戶的熱能消耗主要是溫差傳熱、空氣滲透兩方面原因帶來的，控制窗戶的得熱和失熱，是設計節(jié)能窗戶的主要措施。

1 創(chuàng)建外窗節(jié)能模型

1.1 皖西地區(qū)氣候分析

在我國的《民用建筑設計規(guī)范》(GB50176-2016)條文中，建筑熱工設計區(qū)劃分為兩級[5]。從一級區(qū)劃中可以看出每個熱工一級區(qū)劃面積非常大，因此在熱工設計二級分區(qū)，采用“HDD18”“CDD26”作為區(qū)劃指標，把5個氣候分區(qū)劃分11個氣候區(qū)屬。皖西地區(qū)北緯31.74°，東經(jīng)116.54°，海拔28 m，與合肥的氣象站數(shù)據(jù)較為接近，又進一步參照與六安東經(jīng)、北緯比較接近的南京、馬鞍山，得出皖西地區(qū)屬于3A氣候屬區(qū)，應滿足保溫、隔熱設計要求，重視自然通風、遮陽設計[6]。

1.2 模型創(chuàng)建

窗戶整體傳熱的特點是U-factor，這一特性反映了窗戶結構(玻璃、間隔、框架)的固有性能，以及空氣薄膜對室內(nèi)外表面的影響。在研究中關注兩個主要組件：窗框和玻璃系統(tǒng)。在WINDOW中創(chuàng)建需導入到THERM中的玻璃，環(huán)境條件設置以皖西地區(qū)為例，根據(jù)《民用建筑熱工設計規(guī)范GB50176-2016》所規(guī)定的參數(shù)[7]，如圖1、圖2所示。在WINDOW中創(chuàng)建玻璃系統(tǒng)，選用了透明玻璃、吸熱玻璃、熱反射玻璃、低輻射鍍膜玻璃作為原片，選用不同的玻璃間隔層內(nèi)的氣體、密封材料，進行分析比較，得出不同玻璃類型參數(shù)，如圖3、圖4所示。在WINDOW7.7完成玻璃系統(tǒng)創(chuàng)建，進行保存。

圖1 室內(nèi)環(huán)境設置 圖2 室外環(huán)境設置

圖3 玻璃系統(tǒng)計算結果 圖4 可見光透射率

在AutoCAD中繪制外窗截面，對截面節(jié)點進行處理，將弧線轉化為直線，保留完整的節(jié)點，如圖5所示。把繪制的外窗截面圖導入到THERM中，設置繪圖參數(shù)，對截面圖形進行編輯。導入WINDOW中的玻璃系統(tǒng)，確定玻璃導入的位置。定義模型中每個多邊形的材料，窗框的材料主要有鋁合金、木材、塑鋼，如圖6所示。

圖5 外窗截面圖形圖 圖6 外窗框定義材料

1.3 保溫與隔熱節(jié)能模擬計算分析

模型創(chuàng)建結束后進行計算，結果顯示了窗框的模型框和邊緣的U值、彩色紅外圖、等溫線、溫度場分布圖、彩色紅外圖等計算結果，如圖7、8所示。

圖7 外窗截面U值 圖8 外窗截面等溫線

在模擬的過程中根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)居住建筑的外窗使用現(xiàn)狀，模擬常用窗框型材和玻璃類型的整體性能，再重新組合玻璃、變化玻璃厚度、更換窗框型材、玻璃與窗框之間的密封材料，分析性能指標的變化，得出計算結果，見表1。

表1 模型計算結果

2 外窗節(jié)能措施與設計方法

夏熱冬冷地區(qū)的外窗節(jié)能設計既要滿足保溫與隔熱節(jié)能要求，又要重視自然通風、遮陽設計，從三個方面提出節(jié)能措施：(1)冬季太陽從東南方升起，西南方落下；夏季從東北方升起，西北方落下[8]，在考慮冬夏太陽高度角和建筑朝向的情況下，南向可以設計增大開窗面積，大面積的南向窗子可適當增加固定窗、懸窗。固定窗和懸窗、窗框的典型面積比，如圖9所示。同時，外墻與窗戶的面積比，對節(jié)能的有顯著影響，如圖10所示。在模擬的過程中是選用一棟居住建筑的外立面南向窗戶2.7 m2計算，窗墻比積比是0.28～0.40時，并設置建筑外遮陽，節(jié)能效果明顯；(2)玻璃的使用可以選用不同類型的組合，來滿足不同氣候特點的外窗節(jié)能設計要求。在WINDOW中模擬，根據(jù)夏熱冬冷的地區(qū)環(huán)境，相同的玻璃原片，室內(nèi)玻璃厚、室外薄，U值有所下降。中空玻璃中選擇薄Lowe玻璃，U值下降，SC、SHGC上升，說明薄Lowe玻璃保溫性能好，但遮陽效果差；改變玻璃中間層填充的氣體的類型及厚度，選用惰性氣體，分析性能變化，玻璃間的間隙應為12 mm以上，中間層的厚度在20～30 mm時U值下降，最佳厚度是20～25 mm；(3)在相同的玻璃類型中，由表1可見，外窗框型材傳熱系數(shù)差距很大。此外，居住建筑將尋求最大限度地利用日光，這對太陽能增益和眩光之間的權衡帶來了挑戰(zhàn)。窗戶外框和玻璃系統(tǒng)可以顯著降低與建筑圍護結構相關的加熱和冷卻成本，同時增加居住者的舒適度。通過優(yōu)化外部遮陽，窗戶低+高開口之間的疊加效應增強了自然空氣流動。

圖9 窗框與玻璃面積比例 圖10 南向開窗面積

3 應用實例

六安市黨校學員宿舍位于安徽省六安市，此建筑南偏東58°，結構類型是框架結構，要求每間4人使用，開間、進深尺寸設計尺寸是3.3 m×5.1 m。體形系數(shù)0.22。在設計初期階段選用六安地區(qū)常用的外窗規(guī)格型號，采用空調(diào)制冷、采暖，見表2。

表2 外窗類型

原方案設計中外窗使用的是普通鋁合金外框、普通中空玻璃(6透明+12空氣+6透明)。在WINDOW中創(chuàng)建中空玻璃，導入到THERM中計算傳熱系數(shù)，結果見表3。窗墻比為組合體普通層的朝向平均值，東、西朝向外窗夏、冬季綜合遮陽系數(shù)加權值不滿足限值要求；南向外窗的夏季綜合遮陽系數(shù)加權值不滿足限值要求。

表3 外窗傳熱系數(shù)、遮陽系數(shù)

該建筑有6層，考慮外窗型材的強度、抗風壓性能原因，外框型材選用斷熱鋁合金，玻璃選用LOW-E3.5+12+3.5，中間隔層從空氣改為氬，南向窗戶掛淺色內(nèi)窗簾。在WINDOW中進行創(chuàng)建玻璃系統(tǒng)，得出此玻璃的SC值是0.128，U值是2.262，優(yōu)于之前設計方案中的玻璃系統(tǒng)，如圖11所示。導入THERM中，結果顯示了窗框的模型框和邊緣的U值。分析得出：東向外窗夏、冬季綜合遮陽系數(shù)為0.35，南向外窗的夏、冬季綜合遮陽系數(shù)為0.54，0.58；西向外窗的夏、冬季綜合遮陽系數(shù)為0.30，節(jié)能效果明顯。同時根據(jù)建筑物參數(shù)，計算了建筑能耗，得到該建筑物的年能耗，節(jié)能率為50.93%，如圖12。

圖11 模擬玻璃系統(tǒng) 圖12 能耗分析圖表

4 結語

建筑節(jié)能設計要對建筑的基本特征做出明智的決定，需要在設計過程中不斷評估這些因素的復雜交互作用對建筑最終性能的影響。實現(xiàn)降低建筑能耗不能僅僅通過提高工程系統(tǒng)的效率來實現(xiàn)，還要求在設計過程中盡早考慮建筑的本質，包括建筑形式、體量、朝向和圍護等因素。外窗節(jié)能設計中良好的采光設計需要優(yōu)化玻璃屬性和窗框型材，軟件模擬工具在提高建筑物能效方面發(fā)揮了關鍵作用，大大提高了經(jīng)濟效益。