外窗对寒冷地区居住建筑节能的影响

摘 要

摘要：采用EnergyPlus软件对石家庄某居住建筑5种外窗在不同朝向、窗墙比下对单位建筑面积冷热负荷、供冷热能耗的影响进行了模拟分析。在特定窗墙比下，筛选出5种外窗中节能性较
摘要：采用EnergyPlus软件对石家庄某居住建筑5种外窗在不同朝向、窗墙比下对单位建筑面积冷热负荷、供冷热能耗的影响进行了模拟分析。在特定窗墙比下，筛选出5种外窗中节能性较好的1种。
关键词：外传；寒冷地区；居住建筑；窗墙比；能耗
Influence of External Window on Energy Saving of Residential Building in Cold Region
WANG Lan，WANG Yun-shan，GAO Ling
Abstract：The influence of five kinds of external windows of a residential building in Shijiazhuang City on cooling and heat load and energy consumption for cooling and heating per unit floor area under different orientations and different area ratios of window to wall is simulated and analyzed. A kind of external window with better energy saving effect from five kinds of external windows is screened at a given area ratio of window to wall.
Key words：external window；cold region；residential building；area ratio of window to wall；energy consumption
   为实现建筑节能降耗，河北省节能率为65%的地方标准DB13(J)63—2007《居住建筑节能设计标准》自2009年1月1日在全省施行。在建筑围护结构的门窗、墙体、屋顶、地面中，门窗的绝热性能较为薄弱，是影响室内热环境与建筑节能的主要因素。对于我国典型的围护结构，门窗的能耗约占围护结构能耗的40%～50%，因此改善门窗的绝热性能，是改善室内热环境和建筑节能的重要环节[1～3]。本文对外窗对寒冷地区居住建筑节能的影响进行探
讨。
1 研究对象
   石家庄某新建6层砖混结构居住建筑，体型系数为0.36，每户建筑面积均为92.9m2，取标准层(3层)的东、西、南、北4个朝向的房间为研究对象。墙体厚度为370mm，墙体结构为水泥砂浆抹灰加喷浆+空心砖+膨胀珍珠岩(60mm厚)+抹灰，传热系数为0.57W/(m2·K)，满足JGJ 26—95《民用建筑节能设计标准》对寒冷地区体型系数大于0.3时，传热系数小于0.6W/(m2·K)的要求。5种窗型的相关参数见表1，普通中空玻璃由两层6mm玻璃和1层12mm空气层构成。冬季供暖期为每年的11月15日至次年的3月15日，供热方式为集中供热。夏季空调开启时间为6月1日至8月31日，空调设备为分体式空调，冬季供暖室内设计温度为18℃，夏季空调室内设计温度为26℃，采用EnergyPlus软件进行模拟计算。
表1 5种窗型的参数
编号
窗框材料
玻璃
传热系数/(W·m-2·K-1)
1
PVC
普通中空玻璃
2.7
2
镀LOW-E薄膜玻璃
2.0
3
铝合金
普通中空玻璃
3.6
4
镀LOW-E薄膜玻璃
2.7
5
断热铝合金
镀LOW-E薄膜玻璃
2.3
2 研究结果与分析
    ① 窗墙比对冷热负荷的影响
    以1号外窗为例，在不同窗墙比下用户单位面积平均冷热负荷见表2、3。由表2、3可知，在同一窗墙比下，北向窗用户单位面积平均热负荷最大，单位面积平均冷负荷最小。不同窗墙比下，东、西、北向窗用户单位面积平均热负荷随着窗墙比的增大而增大。南向窗用户单位面积平均热负荷随着窗墙比增大而减小，这是由于虽然随着窗面积增大，日落以后耗热量增大，但是白天日照得热量增大，使热负荷减小。用户单位面积冷负荷在4个朝向上，随着窗墙比的增大均增大，其中西、南向窗用户增大较多，这是由于西、南向窗用户日照得热量比北、东向窗用户多[4]。
表2 不同窗墙比下用户单位面积平均热负荷   W/m2
朝向
窗墙比
0.2
0.3
0.4
0.5
东
19.96
19.98
20.02
20.05
西
19.77
19.79
19.80
19.83
南
18.26
17.77
17.12
16.70
北
20.48
21.61
22.96
24.12
表3 不同窗墙比下用户单位面积平均冷负荷 W/m2
朝向
窗墙比
0.2
0.3
0.4
0.5
东
16.1l
18.09
20.21
22.13
西
17.67
19.81
22.69
24.80
南
15.91
17.56
21.25
23.50
北
13.17
14.20
15.29
16.39
    ② 窗墙比对供冷热能耗的影响
    仍以1号窗为例，煤的低位发热量取29.3MJ/kg，热网输送效率取0.9，锅炉热效率取0.68，分体式空调能效比取2.3，空调开启时间按平均每日8h计。不同窗墙比下用户全年单位面积供冷热能耗见表4。由表4可知，同一窗墙比(取0.3、0.4、0.5)下，北向窗用户全年单位面积供冷热能耗最大。东、北向窗用户全年单位面积供冷热能耗随着窗墙比的增大而增大，南、西向窗用户的全年单位面积供冷热能耗在窗墙比为0.3时最小[5]。
表4 不同窗墙比下用户全年单位面积供冷热能耗    MJ/m2
朝向
窗墙比
0.2
0.3
0.4
0.5
东
123.98
126.36
129.02
131.36
西
125.42
123.73
130.72
133.31
南
114.77
114.08
114.91
115.27
北
123.30
130.46
138.85
146.23
3 节能外窗的筛选
    ① 窗型对冷热负荷的影响
    JGJ 26—95《民用建筑节能设计标准》要求各朝向的窗墙比不应超过以下规定值：东、西向窗墙比0.30，南向窗墙比0.35，北向窗墙比0.25。这里，东、西向采用窗墙比取0.3，南向窗墙比取0.35，北向窗墙比取0.25。4个朝向窗分别采用5种窗型时，用户的单位面积平均热冷负荷见表5、6。由表5、6可知，在5种窗型中，用户单位面积平均热负荷从小到大的排序基本为2、5、1、4、3；单位面积平均冷负荷从小到大的排序为2、5、4、1、3。窗型1、4虽然传热系数相同，但是由于窗型4采用镀LOW-E薄膜玻璃，能阻挡一部分太阳光，因此用户单位面积平均冷负荷要比窗型1低，而热负荷比窗型1要高[6]。
表5 5种窗型下用户的单位面积平均热负荷    W/m2
朝向
窗型编号
1
2
3
4
5
东
19.98
19.78
20.96
20.01
19.85
西
19.79
19.55
20.68
19.88
19.69
南
17.42
17.34
18.35
17.80
17.38
北
20.91
20.26
21.84
20.94
20.43
表6 5种窗型下用户的单位面积平均冷负荷    W/m2
朝向
窗型编号
1
2
3
4
5
东
18.09
17.15
19.0l
17.90
17.58
西
19.81
17.52
20.24
18.90
18.54
南
17.90
16.02
18.89
17.45
17.07
北
13.67
12.87
14.61
13.91
13.23
② 窗型对供冷热能耗的影响
5种窗型下用户全年单位面积供冷热能耗见表7。由表7可知，5种窗型的供冷热能耗由低到高的排序基本为2、5、4、1、3。
表7 5种窗型下用户全年单位面积供冷热能耗    MJ/m2
朝向
窗型编号
1
2
3
4
5
东
126.36
124.24
132.59
126.29
125.10
西
127.33
123.44
132.55
126.76
125.35
南
112.64
110.05
118.66
114.08
111.46
北
126.14
121.82
132.19
126.61
123.12
4 结论
① 北向窗随窗墙比的增大，供冷热能耗增大，因此宜减小北向开窗面积。寒冷地区东、西向窗的能耗很大，没有采光要求尽量不开窗，南向窗墙比也不宜过大，宜取0.3。
② 在5种典型窗型中，窗框材料为PVC，玻璃采用镀LOW-E薄膜玻璃的外窗最节能。
参考文献：
[1] GB/T 8484—2008，建筑外门窗保温性能分级及检测方法[S].
[2] 倪吉，李念平，周慧，等.长沙居住建筑外窗能耗的模拟研究[J].煤气与热力，2008，28(3)：A15-A19.
[3] 姚健，闫成文，周燕，等.夏热冬冷地区外窗传热系数对建筑能耗的影响[J].煤气与热力，2008，28(9)：A09-A11.
[4] 金招芬，朱颖心.建筑环境学[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.
[5] 洪丽娟，刘传聚.空调冷负荷频数及时间应用[J].制冷与空调，2004，(6)：63-65.
[6] 陆耀厌.实用供热空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1993.
 
(本文作者：王兰1 王云山2 高玲1 1.石家庄铁道学院河北石家庄 050043；2.河北嘉通建筑设备安装公司 河北石家庄 050011)