嚴寒地區(qū)建筑外窗優(yōu)化設計及其保溫性能研究

趙嵩穎，徐建光，劉星雨

吉林建筑大學 市政與環(huán)境工程學院,長春 130118

0 引言

我國嚴寒地區(qū)冬季氣候惡劣,建筑能耗高.盡管窗戶面積占建筑圍護結構表面積的比例較小,但外窗能耗依然是整個建筑物圍護結構能耗的重要組成部分.外窗耗熱量占到建筑總耗熱量30 %左右,如考慮空氣滲透耗熱量、窗框的溫差傳熱等因素,其總量約占到建筑物采暖總能耗50 %以上[1].因此提高外窗的保溫性能對降低建筑物使用能耗具有重大意義.

國內(nèi)外學者對外窗保溫性能研究主要是從玻璃體系、窗框體系的保溫性能及窗墻比等影響因素進行研究,但針對我國嚴寒地區(qū)農(nóng)村舊有窗戶,其傳熱系數(shù)大、氣密性不好等問題研究相對較少.

本文以降低外窗的傳熱系數(shù)及提高外窗的保溫性能為出發(fā)點,對嚴寒地區(qū)的建筑外窗進行優(yōu)化設計,設計一種新型軟簾窗,用以提高農(nóng)村室內(nèi)溫度，提供熱舒適環(huán)境,并應用Fluent軟件模擬軟簾窗對室內(nèi)熱環(huán)境影響來進一步驗證軟簾窗的保溫性能.

1 軟簾窗設計

1.1 設計理念

關于提高外窗的保溫性,目前常在玻璃、窗框數(shù)量上進行改造,比如增加玻璃的層數(shù)或者增加窗戶的層數(shù)[2].不同條件雙玻窗的最佳空氣層厚度不一樣，一般在12 mm～21 mm之間[3],通常在雙?；A上通過改變夾層厚度、涂上低發(fā)射率的涂層等方式進行保溫優(yōu)化,但其密封性不易控制,保溫效果不佳.通過增加玻璃層數(shù)可以提高外窗保溫效果,但造價較高.軟簾窗是采用兩層柔軟、透明的聚乙烯薄膜材料密封形成不流動空氣層,整體安裝在窗口,這樣既不影響可見光進入室內(nèi)又可以顯著提高外窗的保溫性能,且價格低廉.

1.2 結構設計

軟簾窗結構[4]包括第一框架、夾層框架、第二框架、卷簾倉件、第一窗簾、第二窗簾、卷簾結構以及鎖止結構,如圖1所示.此軟簾窗的工作原理是軟簾窗結構包括夾層框架3、第一窗簾105和第二窗簾106;夾層框架3之內(nèi)限定窗口K 1;在軟簾窗結構關閉狀態(tài)下,第一窗簾105和第二窗簾106被配置成能夠分別位于夾層框架3的兩側和被密封壓合在夾層框架3的對應側,以使第一窗簾105、第二窗簾106及夾層框架3共同圍成封閉的密封空間.第一窗簾105和第二窗簾106兩層窗簾之間的密封空間內(nèi)形成不流動空氣層,從而達到良好的保溫效果.且雙層窗簾結構的空氣滲透大大降低,中間夾有的密封空間內(nèi)有不流動空氣層,減少熱傳導,只有第一窗簾105與墻之間可能存在熱橋,滿足無熱橋的限制幾乎沒有,減少熱傳導;軟簾窗的第一窗簾105和第二窗簾106可采用透明材料,軟簾窗的結構無需窗框作為支撐結構,不影響采光;另外,軟簾可以使用保溫簾,晚上減少熱輻射.

圖1 軟簾窗結構剖析示意圖Fig.1 Schematic diagram of structureanalysis of soft curtain window

2 軟簾窗保溫性能模擬分析

2.1 模型的建立

為探究軟簾窗的傳熱特性及保溫性能,利用Fluent軟件進行模擬分析.利用Fluent進行含空氣夾層的窗系統(tǒng)模擬時,二維三維相差率不到1 %[5],因此對外窗系統(tǒng)進行二維簡化,雙層軟簾之間的空氣夾層厚度為變量,選取的范圍是0.6 cm ～ 3.3 cm,其中兩個厚度的差為0.3 cm.

2.2 邊界條件設置

邊界條件設置考慮嚴寒地區(qū)冬季氣候特點,模擬的邊界條件[6]如表1所示.模擬的輻射邊界條件中,將玻璃表面和PVC表在的發(fā)射率分別設為0.84和0.9.

表1 模擬邊界條件Table 1 Simulated boundary conditions

2.3 模擬結果分析

軟簾間的空氣層厚度決定了軟簾窗的傳熱系數(shù).為探究其規(guī)律,本模擬選擇冬季夜晚工況,軟簾窗空氣層厚度的選取范圍是0.6 cm ～ 3.3 cm,其中兩個厚度的差為0.3 cm,在模擬計算時通過觀察殘差以及冷熱表面的熱量差,一般殘差在10-6以下,冷熱表面之間的熱量差控制在1 %以下,具體模擬值結果如圖2,圖3所示.由圖2可知,隨著空氣層厚度的改變,軟簾窗內(nèi)部溫度也發(fā)生變化.當空氣層厚度在0.6 cm～2.4 cm范圍內(nèi)時,空氣層溫度逐漸升高,說明空氣層內(nèi)部空氣流動很小,受對流傳熱的影響較小.因此,空氣層厚度為0.6 cm～2.4 cm時,軟簾窗的保溫效果逐漸增強,并且當空氣層厚度為2.4 cm時保溫效果最佳,此時軟簾窗室內(nèi)一側表面溫度為286 K左右.當空氣層厚度在2.7 cm～3.3 cm時,空氣層溫度有一個穩(wěn)定值,并且空氣溫度均勻,說明此時空氣層內(nèi)部空氣發(fā)生流動并參與對流傳熱,但其保溫效果相比空氣層厚度為0.6 cm～2.4 cm時明顯下降.圖3為空氣層厚度對軟簾窗系統(tǒng)傳熱系數(shù)的影響.由圖3可知,當空氣層厚度為0.6 cm～2.4 cm時,軟簾窗的傳熱系數(shù)逐漸降低,且在2.4 cm處傳熱系數(shù)為2.14 W/(m2·K),此時傳熱系數(shù)最低,相比優(yōu)化設計前外窗的傳熱系數(shù)降低61.5 %.

圖2 空氣層厚度對軟簾窗傳熱的影響Fig.2 Effect of air layer thickness on heat transferof soft curtain window

圖3 空氣層厚度對軟簾窗系統(tǒng)傳熱系數(shù)的影響Fig.3 Effect of air layer thickness on heat transfercoefficient of soft curtain window system

3 軟簾窗對室內(nèi)熱環(huán)境影響的模擬分析

為進一步驗證軟簾窗的保溫性能,分別取白天與晚上兩種情況下,模擬分析軟簾窗對嚴寒地區(qū)農(nóng)村室內(nèi)熱環(huán)境的影響.

3.1 模型的建立

模擬房間的尺寸為3 900 mm×3 600 mm×2 800 mm(長×寬×高),外窗戶尺寸為1 500 mm×1 200 mm(長×高),室內(nèi)熱源為農(nóng)村火炕.

3.2 模型結果分析

選取Z平面1 m和Y平面1.5 m處作為參考平面. 圖4、圖5分別是模擬房間在未安裝軟簾窗時,夜晚人平躺時頭頂位置Z=1 m,Y=1.5 m處溫度分布圖.

圖4 夜晚無軟簾窗z軸方向中截面(Z=1 m)溫度分布(單位:K)Fig.4 Temperature distribution of mid-section(Z=1 m)z axial direction of window withoutsoft curtain at night(unit:K)

圖5 夜晚無軟簾窗Y軸方向人頭頂部位(Y=1.5 m)截面溫度分布(單位:K)Fig.5 Temperature distribution of cross section(Y=1.5 m)at the top of top part(Y=1.5 m) section temperaturegdistribution(unit:K)

由圖4和圖5可知,夜晚前半夜靠近熱源的小部分房間區(qū)域溫度能達到18 ℃,但由于房間溫度分布不均,因此室內(nèi)熱環(huán)境并沒有得到有效地改善.而后半夜火炕產(chǎn)生的熱量減少,熱源溫度降低,此時房間溫度普遍在-5 ℃～2 ℃,嚴重影響了居民的熱舒適性.

圖6和圖7是模擬房間安裝軟簾窗后,夜晚人平躺時頭頂位置Z=1 m,Y=1.5 m處的溫度分布圖.由圖6、圖7可知,使用軟簾窗后夜晚房間溫度普遍在6 ℃～14 ℃,且溫度分布較均勻,這有效地改善了室內(nèi)熱環(huán)境,和未安裝軟簾窗時相比較,此時房間溫度提高10 ℃以上,這就有效地提高了居民的熱舒適性.

圖6 夜晚有軟簾窗Z軸方向中截面(Z=1 m)溫度分布(單位:K)Fig.6 Temperature distribution of mid-section(Z=1 m)z axial direction of soft curtainwindow at night(unit:K)

圖7 夜晚有軟簾窗Y軸方向人頭頂部位(Y=1.5 m) 截面溫度分布(單位:K)Fig.7 Temperature distribution of the cross section(Y=1.5 m) at the top of the head Y the axial directionof the soft curtain window at night(unit:K)

圖8和圖9分別是模擬房間未安裝軟簾窗時,白天人平躺時頭頂位置Z=1 m,Y=1.5 m處溫度分布圖.由于白天室內(nèi)未燒火炕,房間大部分溫度在10 ℃左右,且靠近外窗區(qū)域溫度有所降低,因此居民在這樣的溫度環(huán)境下會感到不舒適.

圖8 白天無軟簾窗Z軸方向中截面(Z=1 m)溫度分布(單位:K)Fig.8 Temperature distribution of mid-section(Z=1 m)z axial direction of window withoutsoft curtain during the day(unit:K)

圖9 白天無軟簾窗Y軸方向人頭頂部位(Y=1.5 m)截面溫度分布(單位:K)Fig.9 Temperature distribution curtain window duringthe day Y axial direction of the top of the head(Y=1.5 m) section temperature distribution(unit:K)

圖10、圖11是模擬房間安裝軟簾窗后,白天人平躺時頭頂位置Z=1m,Y=1.5m處溫度分布圖.由圖10、圖11可知,使用軟簾窗后白天房間大部分區(qū)域溫度在22 ℃左右,和未安裝軟簾窗時相比較,此時房間溫度提高10 ℃以上,雖然靠近外窗區(qū)域溫度會有所降低,但這樣的熱環(huán)境已經(jīng)足夠滿足居民的需求.

圖10 白天有軟簾窗Z軸方向中截面(Z=1 m)溫度分布(單位:K)Fig.10 Temperature distribution z medium section(Z=1 m) in the axial direction of a soft curtainwindow during the day(unit:K)

圖11 白天有軟簾窗Y軸方向人頭頂部位(Y=1.5 m)截面溫度分布(單位:K)Fig.11 Temperature distribution of cross sectionat the top of the head Y the axial direction direction of(Y=1.5 m) a soft curtain window during the day(unit:K)

4 結論

本文對嚴寒地區(qū)農(nóng)村建筑外窗進行優(yōu)化設計,設計一種新型的軟簾窗,軟件模擬分析在白天和夜晚兩種情況下軟簾窗對室內(nèi)熱環(huán)境的影響,得出以下結論:軟簾窗的空氣層厚度為2.4 mm時,傳熱系數(shù)最低,為2.14 W/(m2·K),保溫效果最好.安裝軟簾窗能使室內(nèi)溫度提升10 ℃以上,明顯地提高了外窗的保溫性能,從而能有效改善室內(nèi)熱環(huán)境,提高室內(nèi)人員的熱舒適性.考慮室內(nèi)熱源為火炕,供熱溫度分布并不均勻,如熱源為地熱等方式,供熱溫度分布均勻,則室內(nèi)熱舒適度會更好.