建筑能耗與節(jié)能門窗的熱工性能相關(guān)性研究

王鋒

【摘要】利用WINDOW以及THERM軟件進(jìn)行模擬，以探究典型節(jié)能門窗玻璃和整窗系統(tǒng)的熱工性能，并與模擬場(chǎng)地當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣飨嘟Y(jié)合，總結(jié)出配置不同的節(jié)能門窗建筑的全年能耗情況。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，門窗材料的不同直接影響著門窗的熱工性能，在玻璃的選材上，應(yīng)選用輻射系數(shù)較低的。在木材的選擇上，應(yīng)選擇熱導(dǎo)率較小的材料。才能夠從根本上將門窗的傳熱系數(shù)降至最低。還可以利用增加鋁合金型材的厚度以達(dá)到使門窗傳熱系數(shù)增大的目的，材質(zhì)以及型號(hào)的不同對(duì)地區(qū)建筑的夏季制冷以及冬季采暖能耗有著不同的影響，所以，應(yīng)結(jié)合地區(qū)氣候的特點(diǎn)以選擇節(jié)能門窗的類型。

【關(guān)鍵詞】建筑能耗；節(jié)能門窗；熱工性能

作為建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)開口部位的門窗，能夠起到阻隔外界氣候干擾的作用，據(jù)研究數(shù)據(jù)顯示，外窗以及外門的傳熱系數(shù)大約為4.70W（m2·K），屋面的傳熱系數(shù)為0.80W（m2·K），墻體的傳熱系數(shù)為1.40W（m2·K），地面的傳熱系數(shù)為0.52W（m2·K），也就是說門窗系統(tǒng)的能耗大約占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能量的一半之多，由此證明，對(duì)于門窗的節(jié)能建設(shè)已經(jīng)成為了建筑節(jié)能中的主要構(gòu)成部分。

一、門窗節(jié)能技術(shù)的發(fā)展以及模擬軟件

在研究以及開發(fā)節(jié)能門窗時(shí)，采用傳統(tǒng)的工藝來制作以及檢測(cè)門窗，不僅耗費(fèi)了大量的人力物力，而且較長(zhǎng)的試驗(yàn)流程，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲得更加困難。在現(xiàn)代科技發(fā)展下，計(jì)算機(jī)技術(shù)也隨之發(fā)展起來，而且已經(jīng)滲透至建筑行業(yè)中，計(jì)算機(jī)的模擬計(jì)算在建筑計(jì)算中被廣泛的應(yīng)用，對(duì)建筑能耗水平的評(píng)價(jià)、建筑能耗特性的研究以及建筑能耗趨勢(shì)的預(yù)測(cè)有著重要的作用，計(jì)算機(jī)模擬軟件在設(shè)計(jì)與優(yōu)化建筑構(gòu)件，改造節(jié)能建筑中占有重要地位，其是通過將已知數(shù)據(jù)輸入設(shè)計(jì)制作好的模擬軟件中，通過計(jì)算機(jī)的計(jì)算，得出對(duì)應(yīng)結(jié)果，以對(duì)現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行模擬。

傳熱系數(shù)（U或K）、太陽(yáng)得熱系數(shù)（SHGC）以及遮陽(yáng)系數(shù)（SC）是門窗熱工性能的重要參數(shù)。在傳熱條件相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的空氣溫差為1℃，其在一秒內(nèi)通過一平方米的面積所傳遞的熱量就是傳熱系數(shù)（U或K），W（m2·K）為其單位。對(duì)傳導(dǎo)、對(duì)流以及表面輻射進(jìn)行綜合考慮，U的數(shù)值越小，門窗的保溫隔熱能力越好，通過門窗所消耗的熱量也就越少。在外界條件相同的情況下，太陽(yáng)輻射透過玻璃和在無(wú)玻璃的狀態(tài)下能夠進(jìn)入到室內(nèi)的熱量的比值就是太陽(yáng)得熱系數(shù)（SHGC）。太陽(yáng)輻射的總透射比和透過平板玻璃的太陽(yáng)輻射的比值就是遮陽(yáng)系數(shù)（SC），但需保證使用的平板玻璃是3毫米厚且需是普通無(wú)色透明的。門窗熱工性能中的氣候、朝陽(yáng)以及遮陽(yáng)因素均在SHGC與SC中體現(xiàn)出來，SHGC與SC的數(shù)值越大，門窗能夠遮擋陽(yáng)光輻射的性能也就越差。

對(duì)于評(píng)價(jià)門窗熱工性能的WINDOW和THERM軟件的功能豐富、計(jì)算準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在國(guó)際上被認(rèn)可，同時(shí)也是中國(guó)建設(shè)部門指定使用的模擬軟件。而DeST軟件是一個(gè)將空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)與建筑環(huán)境或供熱通風(fēng)相模擬的平臺(tái)，方便了對(duì)建筑環(huán)境性能評(píng)估以及模擬預(yù)測(cè)，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。DeST軟件就是利用對(duì)建筑氣象、房間內(nèi)擾以及空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，以計(jì)算出建筑能耗以及室內(nèi)的溫度，最后將氣象、房間逐時(shí)空調(diào)室溫以及建筑逐時(shí)冷熱負(fù)荷等數(shù)據(jù)利用Excel表現(xiàn)出來。

二.對(duì)門窗玻璃的詳細(xì)分析

整個(gè)門窗面積的70%～80%都被玻璃占據(jù)著，在門窗損失的總熱量中，玻璃所損失的就占70%以上，由此可以說明，在門窗的整體性能中，玻璃的熱工性能占據(jù)重要地位。目前，玻璃幕墻行業(yè)中使用較多的就是中空玻璃，因?yàn)槠涞谋馗魺嵝阅茌^好，其的制作是由2片或多片平板玻璃在周邊密封粘接，中間部位均勻隔開，在夾層中有干燥的氣體空間，因氣體熱導(dǎo)率較低，所以此方式的隔熱效果良好。在最初的制造中，玻璃夾層間僅僅是干燥的空氣，但是為了使中空玻璃的隔熱性能更好，在研究中將低于空氣熱導(dǎo)率的惰性氣體充入夾層，其需保證夾層寬度大于等于6mm，以使隔熱性能更加明顯。如果間隙過于寬大，夾層中的氣體形成對(duì)流，就會(huì)使隔熱性能明顯減低，也會(huì)導(dǎo)致制作出過厚的中空玻璃，在實(shí)際使用中造成不良影響，一般標(biāo)準(zhǔn)化的中空玻璃間隙寬度為6，9，12mm。

據(jù)研究數(shù)據(jù)得出，中空玻璃的厚度以及間隙都相同時(shí)，將其中一層的玻璃換為輻射較低的玻璃時(shí)，就可以使中空玻璃的傳熱系數(shù)、遮陽(yáng)系數(shù)以及太陽(yáng)得熱系數(shù)有效降低，同時(shí)也會(huì)將可見光透過率降低。在相同厚度的玻璃下，增大中空玻璃的間隙，就能夠使系統(tǒng)的傳熱系數(shù)降低，但是中空玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)以及太陽(yáng)得熱系數(shù)、可見光透過率就不會(huì)有太大的影響。另外，使用厚度不同的低輻射玻璃就會(huì)影響中空玻璃的各項(xiàng)性能，但是對(duì)普通玻璃增加其厚度就不會(huì)對(duì)中空玻璃的各項(xiàng)系數(shù)造成太大的影響。

三、氣候差異異同時(shí)降低能耗的措施

在較為寒冷北方的地區(qū)，例如哈爾濱，應(yīng)盡量使門窗玻璃的傳熱系數(shù)降低，增加太陽(yáng)得熱系數(shù)，能夠有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

在夏熱冬暖的南方地區(qū)，例如廣州，門窗玻璃的太陽(yáng)得熱系數(shù)能夠在很大程度上影響建筑的能耗，但是傳熱系數(shù)對(duì)其影響較小。

在夏熱冬冷的地區(qū)，例如上海，若想有效的實(shí)現(xiàn)建筑物節(jié)能，就應(yīng)用最大限度的降低門窗玻璃的傳熱系數(shù)以及太陽(yáng)得熱系數(shù)。尤其作用在較大的墻體上時(shí)，作用更加明顯。

在較溫和的地區(qū)，例如重慶，可通過增大墻體面積使傳熱系數(shù)以及太陽(yáng)得熱系數(shù)均降低，以達(dá)到最終降低能耗的目的。

在寒冷的地區(qū)，例如北京，降低門窗玻璃的傳熱系數(shù)就能夠有利于建筑節(jié)能建設(shè)，當(dāng)墻體大于等于0.5時(shí)，就應(yīng)該將玻璃的太陽(yáng)得熱系數(shù)降低，而當(dāng)窗體小于等于0.3時(shí)，就應(yīng)該使太陽(yáng)得熱系數(shù)增加以降低能耗。

結(jié)語(yǔ)：

綜合以上分析得出，傳熱系統(tǒng)的系數(shù)越高，室內(nèi)外能量的交換就會(huì)越多，門窗的保溫性能就會(huì)越差，太陽(yáng)得熱系數(shù)越高，室內(nèi)環(huán)境接收的太陽(yáng)能量就會(huì)越多。由此證明，門窗的傳熱系數(shù)、太陽(yáng)得熱系數(shù)的變化與建筑制冷能耗有著一致的變化趨勢(shì)。為了節(jié)能提高節(jié)能效果，就需要在建筑中使用低輻射系數(shù)的玻璃以及選擇較小熱導(dǎo)率的木材以使門窗的傳熱系數(shù)降低。因門窗的材料選擇直接影響著建筑的節(jié)能保溫性能，所以，在制作門窗時(shí)應(yīng)盡量選擇小熱導(dǎo)率的材料，以使門窗的保溫性能得到提高，使能耗降至最低，玻璃材料的傳熱系數(shù)以及太陽(yáng)得熱系數(shù)能否降低直接影響著夏季制冷能耗能否降低，但在建筑中，使用鋁合金窗框增加了厚度，在夏季制冷能耗降低的同時(shí)，卻使冬季采暖能耗增加，所以，針對(duì)于夏季制冷需求較大的地區(qū)，就可以利用使太陽(yáng)得熱系數(shù)降低以達(dá)到節(jié)能的目的。針對(duì)于寒冷地區(qū)，采用低輻射的玻璃難以實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。

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