節能門窗熱工性能對建筑能耗影響的模擬研究

郭興忠， 楊 闖， 張 超， 楊 輝， 楊庭貴

（1.浙江大學材料科學與工程系，浙江杭州310027；2.浙江加蘭節能科技股份有限公司，浙江杭州311251）

門窗是建筑外圍護結構的開口部位，是阻隔外界氣候侵擾的基本屏障.數據研究表明，外窗和外門的傳熱系數約為4.70W／（m2·K），而墻體、屋面和地面的傳熱系數分別為1.40，0.80，0.52W／（m2·K）.在門窗、墻體、屋面、地面4大圍護部件中，占外圍護結構表面積1／6～1／8的門窗系統的能耗約為墻體體系的4倍、屋面體系的5倍、地面體系的20倍，約占建筑圍護結構總能耗的40%～50%，門窗節能已成為建筑節能的重要組成部分[1].

針對門窗節能的研究與開發，采用制作、檢測等傳統試驗手段需花費大量人力物力，且試驗流程長，難以獲得充足的試驗數據.隨著計算機技術的飛速發展，采用計算機模擬計算的方法被越來越廣泛地應用到建筑計算中，成為評價建筑能耗水平、研究建筑能耗特性、預測建筑能耗趨勢的一個強有力工具[2].通過設計制作專業的模擬軟件，輸入已知數據，經過計算機快速計算，模擬現實試驗環境及條件，可快速得出相應試驗結果，指導研究繼續進行.目前，軟件模擬已成為建筑構件設計與優化、建筑節能改造、綠色建筑評價體系中的重要組成部分.

本文首先采用WINDOW軟件對門窗玻璃熱工性能進行模擬計算，將其結果導入THERM軟件中，計算得到特定型材的模擬結果，然后再利用WINDOW軟件計算出整窗的熱工數據，最后結合杭州市氣候特點，利用DeST建筑能耗模擬軟件研究配置不同節能門窗建筑的全年建筑能耗，進而研究節能門窗對建筑節能的影響.

1 門窗熱工性能參數及模擬軟件

門窗的熱工性能參數主要包括傳熱系數（U）、太陽得熱系數（SHGC）和遮陽系數（SC）.U是指在穩定傳熱條件下，圍護結構兩側空氣溫差為1℃，1s內通過1m2面積傳遞的熱量，單位是W／（m2·K）. SHGC是指在相同條件下，太陽輻射能量透過玻璃進入室內的熱量（既包括直接透過的部分，也包括吸收后放出的熱量）與通過相同尺寸但無玻璃的開口進入室內的太陽能熱量的比率.SC是指太陽輻射總透射比與透過3mm厚普通無色透明平板玻璃的太陽輻射的比值.U是門窗熱工性能中綜合考慮傳導、對流和表面輻射3種傳熱方式的重要參數，U值越大，門窗保溫隔熱能力越差，通過門窗損失的熱量也就越多.SHGC與SC則體現了門窗熱工性能中氣候、朝向和遮陽的因素，SHGC與SC越小，表明門窗阻擋陽光直接輻射的性能越好[3].

門窗模擬常用軟件WINDOW和THERM是國際上公認的功能豐富、計算準確的門窗熱工模擬軟件，也是中國建設部《建筑門窗節能性能標識》指定使用的模擬軟件.DeST是建筑環境及供熱通風與空氣調節系統模擬的軟件平臺，為建筑環境的相關研究如模擬預測、性能評估提供了方便實用可靠的工具，是目前國內應用廣泛的建筑能耗模擬軟件. DeST軟件通過設置建筑氣象、房間內擾、空調系統等參數，進行建筑能耗和室內溫度的計算，其計算結果通過Excel展示，內容包括建筑逐時氣象數據、房間逐時空調室溫數據、建筑逐時冷熱負荷等[4].

2 模擬計算與分析

2.1 門窗材料及整窗的熱工模擬

2.1.1 門窗玻璃

玻璃面積占整個門窗面積的70%～80%，通過玻璃損失的熱量占門窗損失總熱量的70%以上，因此，玻璃的熱工性能對門窗整體性能極為重要.中空玻璃憑借其良好的保溫隔熱性能，目前被廣泛應用于玻璃幕墻行業.中空玻璃是由2片或多片平板玻璃以有效支撐邊框均勻隔開并在周邊粘接密封，使玻璃夾層之間形成干燥氣體空間，利用氣體熱導率低的特點達到良好的隔熱效果.最初，夾層中的氣體為干燥的空氣，為進一步提高中空玻璃的隔熱性能，目前常在夾層中充入比空氣熱導率低的惰性氣體.中空玻璃間隙寬度應不小于6mm，否則隔熱性能不明顯.另外，間隙過寬會導致夾層中氣體形成對流，降低隔熱性能，同時也會導致中空玻璃過厚，從而影響其實際應用.目前，在中空玻璃標準化生產中，間隙寬度常見為6，9，12mm[5].

利用WINDOW6.0軟件計算6種常見中空玻璃門窗系統的熱工性能參數，計算結果如表1所示.

表1 中空玻璃熱工性能參數計算結果Table 1 Thermal performance parameters of insulating glass calculated by WINDOW6.0

以（6＋12＋6）Low－E中空玻璃系統為例：2層玻璃各厚6mm，中間間隙為12mm，Low－E指有1層玻璃為低輻射Low－E玻璃.common指中空玻璃系統的2層玻璃均為普通玻璃.由相鄰兩組中空玻璃系統的計算結果可以看出，相同玻璃厚度和間隙的中空玻璃系統中，采用Low－E玻璃可大幅降低其傳熱系數、遮陽系數和太陽得熱系數，但同時也會降低可見光透過率.由G3和G5，G4和G6計算結果對比可知，在玻璃厚度固定的情況下，中空玻璃間隙從9mm增大到12mm，可減小系統傳熱系數，但是對遮陽系數、太陽得熱系數和可見光透過率影響不大.從G1和G3計算結果中可看出，采用不同厚度的Low－E玻璃對中空玻璃系統各項性能均有較大影響，而由G2和G4計算結果可知，增加普通玻璃厚度對中空玻璃系統各項性能影響不大.

2.1.2 門窗型材

型材的保溫隔熱性能對門窗整體熱工性能同樣具有決定意義.目前常用的型材為木集成材（純木）、斷橋鋁合金型材以及鋁木復合型材（鋁包木）.木集成材以小徑木料為生產原料，具有熱導率低、保溫性能高等優點.斷橋鋁合金型材是在鋁合金型材基礎上為了提高門窗保溫性能而推出的改進型，利用PA66將室內外兩層鋁合金既隔開又緊密連接成一個整體，構成一種新的隔熱型的鋁型材.鋁木復合型材將木集成材保溫性好、視覺美觀與鋁合金型材強度高、耐腐蝕等優點結合起來，又彌補2種材料各自的不足，是目前常用的中高檔節能門窗型材.

由于位置和功能的差異，不同位置處型材的傳熱系數也不相同，通過門窗不同位置散失的熱量也不一樣.利用THERM6.0軟件可計算門窗不同位置處型材的U值.

如圖1所示，以1 500mm×1 500mm內開鋁包木標準窗為例，左側為內開啟扇，右側為固定窗，計算Ah，Aj，As，Bh，Bj，Bs，C這7個位置節點的傳熱系數，結果列于表2.邊界條件按照JGJ／T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》：室內溫度tin為20℃，室外溫度tout為－20℃，室內對流換熱系數hc，in為3.6W／（m2·K），室外對流換熱系數hc，out為12W／（m2·K），太陽輻射照度E為0W／m2.由表2可進一步證實，不同位置處型材的傳熱系數不盡相同，并且受密封條件影響，型材框體傳熱系數均小于框體邊緣傳熱系數.

圖1 1 500mm×1 500mm鋁包木標準窗結構示意圖Fig.1 Structure of aluminum－wood standard window

表2 鋁包木標準窗各節點U值計算結果Table 2 Uvalue in different positions of aluminum－wood standard window profile

2.1.3 整窗系統

將通過THERM6.0軟件模擬的各節點計算結果導入WINDOW6.0軟件中，分別計算窗框型材為68純木、86鋁包木和60，90斷橋鋁合金以及玻璃系統為（6＋12＋6）Low－E玻璃（G1）和（6＋12＋6）common玻璃（G2）的整窗系統的熱工參數.各型材前數字表示其斷面厚度，單位為mm.各窗計算結果如表3所示.

表3 整窗系統熱工性能參數計算結果Table 3 Thermal performance parameters of entire window calculated by WINDOW6.0

由表3前4組計算結果可看出，采用純木、鋁包木等可顯著降低門窗傳熱系數；由3＃和5＃，4＃和6＃計算結果對比可知，使用Low－E玻璃對降低門窗傳熱系數和太陽得熱系數有顯著效果，卻對可見光透過率有不利影響；通過3＃和4＃，5＃和6＃模擬結果發現，增加斷橋鋁合金型材厚度并不能明顯提高門窗的保溫性能.

由表3還可看出，采用純木門窗和Low－E玻璃可大幅降低門窗傳熱系數，Low－E玻璃的使用還可降低門窗太陽得熱系數，但其可見光透過率也在一定程度上減小.90鋁合金門窗＋普通玻璃的傳熱系數最高，但有較高的可見光透過率，而86鋁包木門窗＋Low－E玻璃傳熱系數最低，說明其具有良好的保溫隔熱性能.

2.2 建筑全年能耗模擬

利用DeST軟件，建立建筑模型，計算安裝不同門窗的建筑能耗.圖2為建筑模型平面圖及三維視圖，圖中箭頭方向為正北方向.該建筑模型尺寸為12m×8m，層高3.5m，共2層，每層有3間房屋，1間樓梯間，總建筑面積為192m2，外圍護結構中墻體為240mm磚墻，內置聚苯板保溫層，外門1扇，外窗11扇.

圖2 建筑模型示意圖Fig.2 Structure of building model

該建筑模型地點設置為杭州，坐標設置為東經120°12′，北緯30°14′，圖3為杭州全年平均氣溫圖.功能設置為普通辦公室，采用空調系統，夏季控制室內溫度為24～26℃，空調季起始時間為6月1日至8月31日；冬季控制室內溫度為20～22℃，采暖季起始時間為11月15日至次年3月15日.改變11扇外窗的材質，型材采用純木、鋁包木和鋁合金材質窗框，玻璃系統采用Low－E和普通中空玻璃，計算該建筑模型全年內制冷采暖能耗.計算結果如圖4所示.

圖3 杭州全年平均氣溫Fig.3 Average annual temperature of Hangzhou

由圖4（a）和表3可看出，建筑夏季制冷能耗隨門窗傳熱系數和太陽得熱系數的增加而升高.裝配Low－E中空玻璃的鋁包木門窗傳熱系數和太陽得熱系數最小，夏季制冷能耗最低；裝配普通中空玻璃的60斷橋鋁合金門窗傳熱系數和太陽得熱系數最大，夏季制冷能耗最高；裝配Low－E中空玻璃的60，90斷橋鋁合金門窗比裝配普通中空玻璃的同系列窗型的制冷能耗顯著降低.在裝配相同類型中空玻璃的情況下，90斷橋鋁合金門窗制冷能耗均低于60系列同產品制冷能耗.

由圖4（b）結合表3可知，裝配Low－E中空玻璃的90斷橋鋁合金門窗冬季采暖能耗最高，裝配普通中空玻璃的60斷橋鋁合金門窗冬季采暖能耗最低；裝配Low－E中空玻璃的60，90斷橋鋁合金門窗的采暖能耗大幅高于裝配普通中空玻璃的同系列門窗的采暖能耗.在裝配相同類型中空玻璃的情況下，90斷橋鋁合金門窗采暖能耗均高于60系列門窗采暖能耗.相比于斷橋鋁合金系列門窗，裝配Low－E中空玻璃的純木門窗和鋁木復合門窗的采暖能耗居于中間水平.從圖4（c）看出，處于長江中下游地區的杭州，氣候屬于夏熱冬冷區，建筑要分別滿足采暖與制冷需求，尤以夏季制冷為主，夏季制冷能耗約占全年總能耗的2／3.

傳熱系數越低，表明室內外能量交換越少，門窗保溫性能越好；太陽得熱系數越低，表明室內環境接收太陽能量越少.因此，門窗傳熱系數與太陽得熱系數的變化趨勢與建筑制冷能耗的變化趨勢一致，門窗傳熱系數高，太陽得熱系數高，建筑制冷能耗也就越高.門窗太陽得熱系數越低，接收太陽能越少，為維持室內環境的舒適度，冬季采暖能耗就要相應提高，因此冬季采暖能耗與傳熱系數和太陽得熱系數的變化規律并沒有明顯的一致性，而是受二者的共同影響.裝配同款中空玻璃的90斷橋鋁合金門窗比同類型60系列門窗的冬季采暖能耗高，這是因為增加型材厚度可以減小其太陽得熱量；同種鋁合金型材，裝配Low－E中空玻璃使得門窗太陽得熱系數顯著降低，因而導致太陽得熱量的減少，最終導致建筑采暖能耗的增加.

圖4 建筑能耗模擬計算結果Fig.4 Simulation results of building energy consumption

根據全年總能耗計算結果，針對杭州地區，夏季制冷對建筑能耗的影響最大，建筑模型全年總能耗與所用門窗的傳熱系數和太陽得熱系數正相關.采用低傳熱系數窗框和低輻射玻璃可顯著降低建筑能耗.

3 結論

（1）采用低輻射系數的Low－E玻璃和選用熱導率較小的木材等材料均可顯著降低門窗傳熱系數，提高節能效果.純木門窗和鋁包木門窗的傳熱系數U值小于2.0W／（m2·K），滿足中國“十二五”規劃中關于建筑節能的最新要求.窗框材料的選擇對建筑節能保溫性能影響顯著，采用熱導率小的材料制作門窗能大幅提升門窗保溫性能，從而降低能耗.降低玻璃材料的傳熱系數和太陽得熱系數對夏季制冷能耗的降低有顯著影響.

（2）針對杭州地區，夏季制冷對建筑能耗影響最大，建筑模型全年總能耗與所用門窗的傳熱系數和太陽得熱系數變化趨勢一致.傳熱系數和太陽得熱系數越小，夏季制冷能耗越低.增加鋁合金窗框厚度，可降低夏季制冷能耗，但由于增加了窗框表面積，同時會增加冬季采暖能耗.在夏季制冷需求較大地區，減小太陽得熱系數對建筑節能具有重要意義.而針對寒冷地區，使用Low－E玻璃并不利于建筑節能.

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