新型保溫卷簾節(jié)能窗的建筑能耗分析

王志強(qiáng)，田琦

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

窗戶是建筑的重要圍護(hù)結(jié)構(gòu)，也是建筑保溫最薄弱的構(gòu)件，窗戶造成的能耗可占整個建筑使用能耗的40%～50%[1]，所以窗戶的隔熱保溫性能越發(fā)受到人們的關(guān)注。在推行低碳、節(jié)能建筑的背景下，做好窗戶的隔熱保溫既可改善室內(nèi)熱舒適性，又能實現(xiàn)建筑節(jié)能[2]。

目前，關(guān)于節(jié)能窗的文獻(xiàn)大多是機(jī)械地增加玻璃層數(shù)，或粘貼防輻射膜、填充惰性氣體等技術(shù)[3-8]，希望一次性地解決玻璃窗戶傳熱強(qiáng)度大，夏季太陽入射強(qiáng)度大[9]等缺點，但沒有綜合對比窗戶在冬、夏季節(jié)，晝、夜時段不同的得熱、失熱特性。夏季白天，窗戶是得熱部件，易造成室內(nèi)冷負(fù)荷上升，需降低傳熱系數(shù)；夏季夜晚，窗戶又是散熱部件，可以降低室內(nèi)冷負(fù)荷，若降低傳熱系數(shù)，不利于散熱；冬季白天，窗戶接收部分太陽輻射，促進(jìn)室內(nèi)升溫，降低傳熱系數(shù)就會增加熱負(fù)荷；冬季夜晚，窗戶又是散熱部件，此時降低傳熱系數(shù)利于降低熱負(fù)荷。

為克服現(xiàn)有節(jié)能窗的上述缺陷，本文提出一種根據(jù)不同時段進(jìn)行分別調(diào)節(jié)和控制的節(jié)能保溫窗（Energy Saving and Insulation Window，ESIW），通過DEST能耗分析軟件建立分別安裝有ESIW系統(tǒng)和其他幾種常用節(jié)能保溫窗的房屋計算模型，對比最熱日、最冷日和全年冷熱負(fù)荷，結(jié)合窗戶價格，綜合分析7種節(jié)能保溫窗的傳熱性能和經(jīng)濟(jì)成本，得出性價比較高的保溫窗結(jié)構(gòu)，以利于窗戶提升和改造技術(shù)在建筑節(jié)能領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。

1 軟件模型的可靠性驗證

1.1 實驗裝置與方法

為了方便搭建以及考慮實驗室荷載，驗證實驗平臺采用保溫彩鋼板作為墻體和屋頂來搭建，如圖1所示。單間實驗室尺寸為3.4 m（L）×1.8m（W）×3.0 m（H），窗戶尺寸為1.2 m（W）×1.5 m（H），房門尺寸為0.97 m（W）×2 m（H）。在同一年的分析周期內(nèi)，分別安裝3種不同結(jié)構(gòu)的節(jié)能保溫窗，利用PT100型熱電偶溫度傳感器以及溫控儀[10]測試和記錄其0.1、1.1和1.8 m的3個斷面、4條垂線的節(jié)點溫度，進(jìn)而得到室內(nèi)平均溫度，與模擬計算所得數(shù)據(jù)作對比。

圖1 實測房間的外立面和平面尺寸

1.2 軟件模型與設(shè)置

清華大學(xué)開發(fā)的建筑能耗模擬軟件DeST[11]，可以動態(tài)分析建筑物全年的冷熱工況，可用于建筑能耗模擬分析[12]。

為方便對軟件模型的實驗驗證，模型尺寸與已搭建的實驗室設(shè)置為同樣材質(zhì)和同樣尺寸，外輪廓為3.4 m（L）×1.8 m（W）×3.0m（H），門窗尺寸也為同樣尺寸，如圖2所示。模擬實驗平臺圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表1所示，利用DeST進(jìn)行能耗分析時，模型采用的建筑材質(zhì)等邊界條件與所建實驗用房保持完全一致，各個構(gòu)件的熱參數(shù)也是通過儀器測試所建驗證實驗用房得出的結(jié)果。

圖2 模型軸測示意

表1 驗證實驗平臺的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3 驗證與分析

對實驗室進(jìn)行3次、每次12 h的測量，用同樣時段DeST軟件分析計算得到的室溫與實驗監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 模擬溫度與實測溫度對比

由圖3可以看出，實測溫度的變化趨勢與模型溫度變化趨勢的一致性是可以接受的。當(dāng)相對平均偏差的絕對值小于15%，且均方根誤差小于35%時，可以認(rèn)為模擬結(jié)果比較可靠，并在可接受的誤差范圍之內(nèi)[13]。計算所得3種結(jié)構(gòu)下，模擬值與實測值之間的平均偏差分別為2.71%、3.08%和3.63%，均小于15%；均方根誤差分別為3.05%、4.15%和4.02%，均遠(yuǎn)小于35%。由此可知，本文所采用的DeST模型可用來模擬各種結(jié)構(gòu)的節(jié)能保溫窗的自然室溫。

2 建筑能耗分析模型

為了實現(xiàn)對7種窗戶的能耗綜合對比分析，必須簡化搭建房間模型，設(shè)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，選定各種窗戶的結(jié)構(gòu)、參數(shù)。

2.1 房間的物理模型

為了直觀地觀察和分析窗戶對建筑能耗的影響，需要按照以下思路進(jìn)行簡化，將模型設(shè)定為一個房間，在基準(zhǔn)房間相應(yīng)位置設(shè)置窗戶方案[14]。

對于一個住宅小區(qū)，排除規(guī)劃中相互遮擋等因素的影響，以單棟建筑作為考察對象；對于一個單棟建筑，排除相鄰戶型空間的影響，以某一層某一戶作為考察對象；對于某一層某一戶房間，排除相鄰房間的影響，將某一個房間作為考察對象。

單一房間只受到室外大氣環(huán)境影響，在此基準(zhǔn)上進(jìn)行節(jié)能保溫窗的設(shè)置，可直觀準(zhǔn)確地觀察不同類型窗戶的設(shè)置對室內(nèi)熱狀況的影響，模型仍用圖2所示單間模型，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 室內(nèi)熱擾規(guī)定

室內(nèi)溫度上限為26℃，室內(nèi)溫度下限為18℃，氣象數(shù)據(jù)采用清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系開發(fā)的逐時氣象數(shù)據(jù)生成軟件Medpha產(chǎn)生的全年逐時氣象數(shù)據(jù)，本文采用其中的太原市氣象參數(shù)[15]。

2.3 節(jié)能保溫窗的物理模型

本文提出的節(jié)能保溫窗是一種具有特殊設(shè)備的窗戶，主要由保溫卷簾、保溫卷簾收納箱、卷簾導(dǎo)軌等組成。保溫卷簾是其中的核心部件，是一種填充2.0 cm或2.5 cm厚的發(fā)泡聚氨酯于鋁合金外殼內(nèi)部的保溫卷簾片，彼此鏈接而成安裝于玻璃外。搭建的節(jié)能保溫窗模型的組合結(jié)構(gòu)如圖4所示，聚氨酯填充厚度為2.0cm時保溫窗的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。冬季夜間（19:00到次日凌晨07:00）放下卷簾以實現(xiàn)保溫，全年其余時間升起卷簾，在夏季白天，卷簾盒可以順帶起到部分遮陽的作用。

圖4 節(jié)能保溫窗結(jié)構(gòu)示意

表3 發(fā)泡聚氨酯填充厚度為2.0 cm時保溫窗的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.4 其他節(jié)能窗的設(shè)置

對比分析7種窗戶，其中1#～3#為3種單層功能玻璃，4#為雙層中空玻璃，5#為3層低輻射玻璃，6#為填充氬氣的雙層玻璃，7#為ESIW結(jié)構(gòu)的節(jié)能保溫窗。幾種玻璃的具體結(jié)構(gòu)及熱學(xué)、光學(xué)參數(shù)見表4。

表4 不同節(jié)能保溫窗的性能參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

將表4各種參數(shù)依次導(dǎo)入DeST軟件，對比模擬計算分別安裝上述7種不同窗戶結(jié)構(gòu)的房屋，以最冷日和最熱日室內(nèi)自然溫度分布，最冷日熱負(fù)荷、最熱日冷負(fù)荷、全年總負(fù)荷以及窗戶價格與負(fù)荷比等指標(biāo)作為分析對象，比對出這種特殊結(jié)構(gòu)的保溫窗的綜合優(yōu)勢。

3.1 自然室溫對比

對比分析安裝了7種不同結(jié)構(gòu)窗戶的房屋，在全年最冷日（1月5日）和全年最熱日（7月31日）的自然整點室溫，分別見圖5、圖6。

圖5 不同節(jié)能窗安裝條件下最冷日自然室溫變化趨勢

圖6 不同節(jié)能窗安裝條件下最熱日自然室溫變化趨勢

由圖5、圖6可見：

（1）最冷日，安裝3種單層功能玻璃條件下的最低溫度為-4.0～-5.5℃；安裝3層中空玻璃以及填充氬氣低輻射中空玻璃，最低溫度可以達(dá)到-0.98～0.22℃；安裝雙層中空玻璃的最低溫度為-0.98℃；由于保溫卷簾帶來的夜間隔熱效應(yīng)，安裝了ESIW結(jié)構(gòu)保溫窗的房屋，室內(nèi)自然溫度普遍提高，尤其是夜間更加明顯，最低溫度升高0.65℃。

（2）最熱日，安裝3種單層功能玻璃條件下的最高溫度為33～34℃；安裝3層中空玻璃以及填充氬氣低輻射中空玻璃，最高溫度有較為明顯的降低，為32.14～33.42℃；安裝雙層中空玻璃的最高溫度為33.87℃；由于卷簾盒的遮陽作用，安裝了ESIW結(jié)構(gòu)保溫窗的房屋室內(nèi)自然溫度普遍降低，尤其是下午更加明顯，最高溫度降至32.07℃。

3.2 室內(nèi)負(fù)荷對比（見圖7、圖8）

圖7 不同節(jié)能窗安裝條件下最冷日熱負(fù)荷變化趨勢

圖8 不同節(jié)能窗安裝條件下最熱日冷負(fù)荷變化趨勢

由圖7、圖8可見：

（1）最冷日，熱負(fù)荷的差異主要體現(xiàn)在夜間。安裝3種單層功能玻璃，最大熱負(fù)荷為1.18 kW·h左右，累計熱負(fù)荷為14～17 kW·h，安裝3層中空玻璃以及填充氬氣低輻射中空玻璃，熱負(fù)荷倒是有較為明顯的降低，最大熱負(fù)荷為0.75 kW·h左右，累計熱負(fù)荷為8～9 kW·h；安裝雙層中空玻璃房間的最大熱負(fù)荷為0.82 kW·h，累計熱負(fù)荷為9.98 kW·h；由于保溫卷簾帶來的夜間隔熱效應(yīng)，安裝了ESIW結(jié)構(gòu)保溫窗的房屋室內(nèi)熱負(fù)荷普遍降低，尤其是夜間更加明顯，最大熱負(fù)荷為0.56 kW·h，累計熱負(fù)荷為7.12 kW·h。

（2）最熱日，冷負(fù)荷的差異主要體現(xiàn)在11:00～20:00。安裝3種單層功能玻璃，最大冷負(fù)荷為0.60 kW·h左右，累計冷負(fù)荷為4.97～5.35 kW·h，安裝3層中空玻璃和填充氬氣低輻射雙層中空玻璃，冷負(fù)荷有較為明顯的降低，最大冷負(fù)荷為0.45 kW·h左右，累計冷負(fù)荷為3.95～4.51kW·h；安裝普通中空玻璃房間的最大熱負(fù)荷為0.53 kW·h，累計冷負(fù)荷為4.97 kW·h；安裝了ESIW結(jié)構(gòu)保溫窗的房屋，由于明顯的外遮陽結(jié)構(gòu)，室內(nèi)冷負(fù)荷普遍降低，尤其是下午更加明顯，最大冷負(fù)荷為0.41 kW·h，累計冷負(fù)荷為3.93 kW·h。

3.3 綜合性能比對

在分析7種結(jié)構(gòu)各自在全年最熱日和全年最冷日的自然室溫和冷熱負(fù)荷的基礎(chǔ)上，分析其各自累計全年負(fù)荷和單位相對負(fù)荷價格，即窗戶價格與房屋全年累計負(fù)荷的比值，結(jié)果見表5。

表5 不同玻璃窗價格與能耗參數(shù)

由表5可見，安裝2#單層熱反射玻璃的房屋全年能耗為1934.27 kW·h，安裝其余2種單層功能玻璃，全年累計負(fù)荷分別為1908.81、1653.44 kW·h，安裝3層中空玻璃以及填充氬氣低輻射玻璃，熱負(fù)荷有較為明顯的降低，全年累計負(fù)荷為1115.47～1274.39 kW·h；安裝普通中空玻璃房間的全年累計負(fù)荷為1294.21 kW·h；由于保溫卷簾帶來的冬季夜間隔熱效應(yīng)和保溫卷簾外遮陽結(jié)構(gòu)帶來的夏季遮陽效果，安裝了ESIW結(jié)構(gòu)保溫窗的房屋全年累計負(fù)荷普遍降低，為1037.21 kW·h。

統(tǒng)計7種窗戶結(jié)構(gòu)的造價，將其與上述能耗分析結(jié)果結(jié)合起來分析，提出一個綜合指標(biāo)——相對負(fù)荷單價，即以安裝2#單層熱反射玻璃的房屋負(fù)荷為基準(zhǔn)，計算安裝其他6種節(jié)能窗的房屋，下降單位負(fù)荷所需的窗戶成本[元（/kW·h）]，其值越低，代表降低單位負(fù)荷所消耗的成本越低，是比較劃算的一種結(jié)構(gòu)。由表5可見，3種單層功能玻璃，成本較高，能耗也較高，相對負(fù)荷單價為0.071～0.707元（/kW·h）；3層中空玻璃以及填充氬氣低輻射玻璃，雖然能耗性能較為優(yōu)越，成本卻更加高昂，相對負(fù)荷單價分別為0.109～0.110元（/kW·h），普通中空玻璃的相對負(fù)荷單價為0.038元（/kW·h）；安裝了ESIW結(jié)構(gòu)保溫窗的房屋，相對負(fù)荷單價最低，為0.036元（/kW·h），表明ESIW結(jié)構(gòu)相對于普通中空玻璃，冬夏兩季能耗都有明顯地下降，同時費(fèi)用并沒有顯著上升，是一種在現(xiàn)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上行之有效，代價較低的建筑節(jié)能改造和提升方式。

4 結(jié)論

（1）最冷日或最熱日，相比普通中空玻璃，安裝3種單層功能玻璃所屬房間自然室溫普遍不理想；安裝3層中空玻璃以及填充氬氣低輻射中空玻璃所屬房間的自然室溫幾乎相近；安裝了ESIW結(jié)構(gòu)保溫窗的房屋，室內(nèi)自然溫度改善更為顯著，夜間更加明顯。

（2）最冷日或最熱日，相比普通中空玻璃，安裝3種單層功能玻璃，冷、熱負(fù)荷明顯提高；安裝3層中空玻璃以及填充氬氣低輻射中空玻璃，冷、熱負(fù)荷比較接近；由于保溫卷簾帶來的冬季夜間隔熱效應(yīng)和夏季遮陽效應(yīng)，安裝了ESIW結(jié)構(gòu)保溫窗的房屋，室內(nèi)冷、熱負(fù)荷下降更為顯著，夜間更加明顯。

（3）相比普通中空玻璃，安裝3種單層功能玻璃全年總負(fù)荷明顯提高；安裝3層中空玻璃以及填充氬氣低輻射玻璃，總負(fù)荷比較接近，安裝了ESIW結(jié)構(gòu)保溫窗的房屋，由于保溫卷簾的夜間隔熱效應(yīng)和夏季遮陽效應(yīng)，累計全年負(fù)荷下降較為明顯。

（4）3種單層功能玻璃，由于成本較高，能耗也較高，相對負(fù)荷單價為0.071～0.707元（/kW·h）；3層中空玻璃以及填充氬氣低輻射玻璃，雖然能耗較低，成本卻很高，相對負(fù)荷單價為0.109～0.110元（/kW·h）；普通中空玻璃房間的相對負(fù)荷單價為0.038元（/kW·h）；安裝了ESIW結(jié)構(gòu)保溫窗的房屋，相對于普通中空玻璃，價格雖略有增加，但總負(fù)荷顯著下降，相對負(fù)荷單價最低，為0.036元（/kW·h）。

（5）配置節(jié)能保溫窗ESIW，白天照常采光得熱，夜間放下卷簾較少失熱；通過負(fù)荷對比分析，ESIW結(jié)構(gòu)保溫窗可以大幅降低建筑全年負(fù)荷，投入成本較低，是一種較為靈活和理想的保溫模式。