住宅窗户的节能研究
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狄洪发 陈亚芹 王苏颖
摘要： 窗户系统的选择不仅很大程度地影响着建筑能耗，同时显著影响室内环境的热舒适性。制定科学可行的窗户能耗等级评价体系，从而合理选择窗户材料和设计窗户结构，对降低建筑耗能、节约费用和设计开发节能新产品都具有十分重要的意义。本文通过研究窗户热工参数的模拟计算方法，开创性地定义了表征窗户节能效果的两个参数：ER和ERC，并根据典型的建筑平面图，计算分析了多种因素对建筑节能的影响，得出了北京和哈尔滨两个城市的判断住宅窗户节能效果的经验回归公式，为设计人员和普通用户因地制宜地选择节能窗户提供了便捷有效的计算方法。
关键词： 窗户节能 传热系数 太阳得热系数
1 引言 窗户是建筑必不可少的组成部分，其长期使用能耗约占整个建筑长期使用能耗的50％，十分可观，因此窗户的节能是建筑节能的重要突破口。近年来我国窗户节能领域出现了很多的新技术，使得过去品种单一的窗户不仅变得形式多样，热工性能也更为复杂。此时单凭窗户的玻璃层数，或是窗户的传热系数甚至已知窗户的所有热工参数，也无法衡量不同窗户在具体使用条件下各自的节能效果。如何根据不同地区的气象条件，合理选择窗户材料、形式以达到最佳节能，则需要深入研究窗户的热工特性从而科学合理地制定出窗户节能效果优劣的标准。
住宅窗户的主要评价参数有：太阳得热系数G、整窗传热系数U和空气渗透率AL，为综合考虑这些参数的影响，建立一套合适标准来评价、区分各种窗户产品，本文提出了两个新的参数：ER和ERC，并选取19种典型窗户，分别计算它们应用在北京和哈尔滨的不同朝向时的能耗值，线性回归得到ER和ERC关于U和G的公式（当窗户密闭等级符合设计标准的要求时，空气渗透率AL对于窗户能耗的影响很微小，故本文不将其列入研究），直观反映了具体朝向和具体气象参数下窗户的节能情况。ER和ERC越大，该窗户的节能效果越好。
2 窗户的热工参数研究 2.1 窗户主要热性能指标
窗户的得热和失热形式包括：太阳得热、热传导和空气渗透，相对于这些形式各有对应的评价参数，即太阳得热系数G、传热系数U和空气渗透率AL。
太阳得热系数G是指透过窗户进入室内的太阳能量与入射到窗户外表面的太阳能量的比值。该值越小，窗户的太阳辐射得热量就越少。传热系数U定义为：在单位温差下通过单位面积窗户所传递的热量。在相同的室内外温差下，U值越低则通过对流传导传递的热能越少。本文讨论的窗户传热系数，是指整窗的综合传热系数。
空气渗透率AL是与窗户密闭性能有关的量，以目前国内门窗的生产水平，要达到设计标准要求的密闭等级并不难。根据国外的研究成果，当窗户密闭等级符合设计标准的要求时，它对于窗户能耗的影响很微弱，所以本文不将其列入研究，默认窗户的密闭性能达到了设计规范的要求。
2.2 窗户热工参数的模拟计算
由于不可能对所研究窗户的热工参数一一测试，所以，在本文研究中提出了模拟计算的方法。模拟计算方法是基于玻璃窗的传热物理模型，通过计算求得窗户的热工性能参数。
在模拟计算中，一般把窗户分为三个部分：中心玻璃，边缘玻璃和窗框。对于窗户的中心玻璃部分，一维传热模型与实际情况已很接近，而窗户的玻璃边缘，尤其是双层窗两层玻璃边缘之间的垫片材料的导热能力比玻璃间气体层的导热能力要大很多，产生“热桥”效应，必须采用二维传热模型，窗框的传热也可近似为一维传热。在求得各个部分的传热系数和已知各部分面积的基础上，对这三个部分的传热系数进行面积的加权平均，就得到窗户整体的传热系数。本文应用了WINDOW4.1软件来计算窗户玻璃的U值和G值。
2.3 窗户能耗评价体系
目前我国常用的窗户玻璃的选型依据是遮阳系数Sc，Sc的定义是：透过该玻璃的太阳能与相同条件下透过3mm普通透明玻璃的太阳能量的比值。反映了窗户对阳光的遮蔽效果，Sc越高则透过窗户的太阳能越多，反之则越少。但这种评价方法有着明显的不足之处。首先，遮阳系数Sc只能反映窗户夏季遮阳节能，没有考虑冬季透光节能，因此很不全面。其次，它不能从长期角度如整个空调期或供暖期来分析窗户节能效果。
文献(1)中介绍了美国和加拿大的窗户能耗等级评价体系。虽然这两个国家的评价体系的计算方法和结果表现形式都不相同，美国的HR和CR体系是通过动态模拟计算窗户的能耗，而加拿大的ER体系则是稳态计算窗户的传热量。但两者的评价要素都是太阳得热系数、窗户的传热系数和空气渗透系数。由此我们可以得到启发：综合考虑太阳得热系数、窗户得热系数及渗透系数是设计和选择窗户得关键。
3 建筑能耗计算 3.1 计算软件简介
为了准确的得到与窗户有关的建筑能耗，本文选用了动态能耗模拟计算软件Dest Housing，对建筑物进行逐时的模拟计算。
DeST是Designer's Simulation Toolkit的缩写，中文名为建筑热环境设计模拟工具包。是清华大学空调实验室在十余年的科研成果的基础上，研制开发的面向暖通空调设计者的集成于AutoCAD R14上的辅助设计计算软件。DeST能够模拟计算建筑在逐时外温、太阳辐射、室内热扰、长波辐射、邻室影响等综合作用下的逐时自然室温和耗冷耗热量。
3.2 窗户计算原理
在DeST Housing中，窗户在建筑整体的计算中是作为围护结构的一部分嵌入的，由于DeST是运用状态空间法进行传热计算，因此窗户跟墙一样，要分层并给定温度节点，已有的算法认为每片玻璃的中心为一个温度节点，根据这一原则进行分层，列出整个窗户的热平衡方程组，在此基础上将其与整个建筑的热平衡方程组联立，就能进行各种计算。
窗户的特殊之处在于它不仅是类似于墙的一种传热构件，还是一种透光构件，这一特殊之处表现在整个算法当中就是将窗户的计算分为两个独立的部分：传热和导光，两者的交叉之处在于消光得热的计算。传热部分由窗户的热平衡方程组解决，导光部分单独计算，并把窗户吸收的热量放到热扰矩阵中去。
3.3 计算过程
3.3.1 定义表示窗户节能效果的参数：ER/ERC
DeST Housing虽然可以计算出房间的采暖能耗和空调能耗，但是房间能耗并不能直观地反映窗户的节能效果。在本文中，定义一种单层透明玻璃窗为基准窗，这个基准窗的具体热工参数为：U＝6.17 W/ m2. ℃，G＝0.86。假设使用这个窗户时，房间的采暖季全年累计能耗为（KWh/m2），而使用某一种窗户n的房间采暖季全年累计能耗为（KWh /m2），房间面积为（m2），窗户面积（m2），则采暖季累计每平方米窗户节省的能耗为：，定义：
（KWh/m2） (1)
由于房间能耗从变化到，除了窗户改变以外，其它条件均保持不变，故ER反映了该窗户相对于基准窗的采暖季节能量。而任意两个窗户的ER的差，则反映了它们之间节能量的差异。ER越大，该窗户的采暖季节能效果就越好。
同样假设使用基准窗时，房间的空调季全年累计能耗为（KWh/m2），而使用某一种窗户n的空调季全年累计能耗为（KWh /m2），则空调季累计每平方米窗户节省的能耗为，定义ERC如式(2)，则ERC就是一个可以表征窗户空调季节能效果的数了。
（KWh/m2） (2)
在本文以后的计算分析中，就以ER/ERC来计量某一窗户的节能效果。
3.3.2 计算条件设定
本文在接近实际情况的基础上，取了一个实际塔楼建筑的平面图，该建筑有四个分别朝向东、西、南、北的房间，每个房间有一扇外窗，且这四个房间除了外窗朝向不同外，其它条件基本一致。围护结构的材料和参数取常用值。
通过改变窗户玻璃的参数及其玻璃组合，设定了19种玻璃窗并模拟计算的其传热系数U和太阳得热系数G，如表1所示, 其中玻璃g4为有色玻璃，g5为低辐射镀膜玻璃。空气层厚度是指两片玻璃之间的空气层厚度，单层玻璃窗不存在空气夹层。
表1 典型玻璃窗结构及其热工参数 窗户编号
玻璃组合①
空气层厚度（mm）
U(W/ m2. ℃)
G
W0
g1
——
6.17
0.86
W1
g4
——
6.17
0.61
W2
g3
——
6.12
0.75
W3
g7+g7
6
3.28
0.83
W4
g2+g2
6
3.27
0.76
W5
g1+g3
6
3.19
0.71
W6
g3+g3
6
3.17
0.61
W7
g6+g6
6
3.07
0.57
W8
g7+g7
12
2.82
0.83
W9
g2+g2
12
2.81
0.76
W10
g1+g1
12
2.75
0.76
W11
g4+g4
12
2.75
0.44
W12
g1+g3
12
2.74
0.71
W13
g3+g4
12
2.74
0.56
W14
g3+g3
12
2.73
0.61
W15
g6+g6
12
2.65
0.57
W16
g2+g5
12
2.24
0.72
W17
g7+g7+g7
12
1.82
0.77
W18
g2+g2+g2
12
1.81
0.68