成都地區外窗傳熱系數與遮陽系數對建筑能耗的影響

高曉璐，李曉虹，封海輝

(西華大學能源與環境學院，四川 成都 610039)

成都屬夏熱冬冷地區。夏季炎熱，太陽輻射強度大；冬季寒冷，太陽輻射強度低。最冷月典型日太陽輻射量最高僅為20.85 W/m2[1]，所以建筑室內熱環境差，采暖空調能耗驚人，現階段夏熱冬冷地區建筑節能承擔著改善建筑室內熱環境的重任。改善建筑室內熱環境關鍵一環在于改善建筑圍護結構。在建筑圍護結構的部件中，窗戶的熱工性能最差，建筑通過外窗損失的能耗往往占圍護結構總能耗的50%左右[2]。窗戶的得熱量受太陽輻射和室外氣溫2個熱源的共同作用，其中氣溫對任何朝向的窗戶影響是相同的，而太陽輻射熱的影響就不同了；因此，夏熱冬冷地區居住建筑節能不僅與外窗的傳熱性能，而且與建筑各個朝向外窗的遮陽系數緊密相關。本文利用清華大學主持開發的建筑環境設計模擬分析軟件DeST-h，研究成都地區居住建筑不同朝向外窗傳熱系數與遮陽系數對建筑能耗的影響。

1 建筑模型

研究對象是成都地區一典型居民住宅樓，建筑模型平面如圖1所示。該建筑為塔式住宅樓，共10層，樓層層高3.2 m。一梯四戶，每戶三室兩廳，面積約90 m2。南北向窗墻面積比0.4，東西向窗墻面積比0.25。建筑形體系數0.256 m-1。建筑圍護結構參數如表1所示。

圖1 建筑模型平面圖

圍護結構名稱圍護結構材料傳熱系數/(W/(m2·K))外墻混凝土墻+瀝青膨脹珍珠巖保溫0.5屋面加氣混凝土保溫屋面0.37分戶墻混凝土隔墻2.0樓板鋼筋混凝土2.0外窗普通6mm塑料框單玻4.7

2 計算模式

2.1 室內熱擾

每套住宅臥室、客廳考慮空調。空調控制溫度18～26 ℃，相對濕度20%～80%，容忍溫度16～29 ℃[3]。換氣次數1次/h，室內照明得熱0.5875 W/m2，其他得熱平均強度4.3 W/m2。制冷時額定能效比取2.3，采暖時額定能效比取1.9。采暖計算期為當年12月1日至次年2月28日，空調計算期為當年6月15日至8月31日[4]。氣象參數選取成都典型氣象年數據。

2.2 模擬工況與方法

為了研究成都地區居住建筑不同朝向外窗傳熱系數與遮陽系數對建筑能耗的影響，本文使用清華大學主持開發的建筑環境設計模擬分析軟件DeST-h，在分析外窗傳熱系數對建筑能耗影響的基礎上，研究不同朝向外窗遮陽系數對建筑能耗的影響[5]。

窗戶由窗框和玻璃系統組成，因此根據文獻[5]，窗戶傳熱系數U值由公式(1)、(2)計算得到。

(1)

U=Ug+ηf(Uf+ηg)

(2)

式中：ηf為窗框面積與整窗面積之比；Fg為玻璃的面積， m2；Ff為窗框的面積， m2；U為窗戶的傳熱系數，W/(m2·K)；Ug為玻璃的傳熱系數，W/(m2·K)；Uf為窗框的傳熱系數，W/(m2·K)。

本文根據《實用供熱空調設計手冊》[6]，直接選定5種外窗模擬工況(如表2所示)，其中工況1為原始外窗，其余工況分別為4種材料外窗。首先模擬計算外窗傳熱系數對建筑能耗的影響，選出最適宜的外窗傳熱系數之后，再研究東、西、南、北4個方向外窗遮陽系數對整個建筑能耗的影響。保持其余設定參數不變，只改變其中一個方向外窗遮陽系數，動態模擬計算得到東、西、南、北4個方向遮陽系數對整個建筑能耗影響。

表2 模擬工況

3 模擬結果與分析

成都屬于夏熱冬冷地區，住宅建筑能耗應以建筑物采暖和空調年耗電量之和為控制目標。根據成都地區典型氣象年氣象資料：采暖度日數HDD18=1371.23 ℃·d，空調度日數CDD26=31.8 ℃·d，查閱文獻[7]，計算得到采暖年耗電量指標Eh=23.9 kWh/m2，空調年耗電量指標Ec=14.2 kWh/m2，所以成都地區居住建筑采暖與空調年總能耗指標為38.1 kWh/m2[4,7]。而根據文獻[8]，求得成都地區熱負荷指標qh=14.8 W/m2，冷負荷指標qc=18.8 W/m2。

3.1 外窗傳熱系數對建筑能耗的影響

統計5種不同外窗傳熱系數模擬工況計算數據，不同工況條件下建筑冷熱負荷統計結果見表3。由計算結果可知：原始工況條件下建筑熱負荷指標qh=22.33 W/m2，高于文獻[8]計算結果14.8 W/m2；而冷負荷指標qc=12.60 W/m2，比文獻[8]計算結果18.8 W/m2低。而成都地區居住建筑能耗是以建筑物采暖和空調年耗電量之總和為控制目標[4]。

表3 不同工況條件下建筑負荷統計結果

根據制冷能效比取2.3，采暖能效比1.9計算得到建筑采暖、空調耗電能耗和總能耗(統計結果見表4)。建筑采暖、空調能耗和總能耗的變化曲線如圖2所示。

表4 不同工況條件下建筑各項能耗統計結果比較

圖2 外窗傳熱系數對采暖能耗、空調能耗和總能耗的影響

在外窗采用普通6 mm單玻材料的情況下(工況1)，原始建筑年采暖能耗28.16 kWh/m2，年空調能耗11.77 kWh/m2，全年采暖與空調能耗總和39.93 kWh/m2，稍高于成都地區居住建筑年采暖與空調總能耗指標值38.1 kWh/m2。

從圖2和表4可知，隨著外窗保溫性能的改善，冬季采暖能耗逐漸降低，但是夏季空調能耗隨之增加。當外窗傳熱系數由4.7 W/(m2·K)(工況1)降到3.2 W/(m2·K)(工況3)時，年采暖能耗降低24.5%，之后隨著傳熱系數的減小采暖能耗降低幅度減小；當外窗傳熱系數由4.7 W/(m2·K)降到3.2 W/(m2·K)時，年空調能耗增大3.8%，增幅較小，年采暖空調總能耗降低16.2%。在工況4、工況5，當外窗傳熱系數由3.2 W/(m2·K)進一步降低時，年采暖能耗降低幅度減小，而年空調能耗大幅度升高，總能耗進一步降低不多，而外窗投資增幅增大，從采暖空調年總能耗變化趨勢看，建筑外窗取9 mm空氣層厚單框中空玻璃節能效果較明顯。

3.2 外窗遮陽系數對建筑能耗的影響

遮陽系數指整個窗戶的垂直入射的輻射熱透過率與3 mm單玻窗的垂直輻射熱透過率的比值。遮陽系數越大，窗玻璃太陽輻射得熱量越大。外窗綜合遮陽系數等于窗本身的遮陽系數與外遮陽系數的乘積，當無外遮陽時等于窗本身的遮陽系數[9]。綜合遮陽系數越小，阻擋太陽輻射熱量向室內輻射的性能越好。為了研究不同朝向外窗遮陽系數對建筑能耗的影響，外窗傳熱系數取3.2 W/(m2·K)，在保證室內有足夠采光的情況下，東、西、南、北4個方向上外窗綜合遮陽系數范圍均取0.4～0.8。在模擬計算時保持其他方向上遮陽系數0.4不變，只改變其中一個方向外窗遮陽系數(0.4～0.8)，根據動態模擬計算結果，繪制了遮陽系數對建筑采暖能耗和空調能耗的影響曲線圖(圖3-4)。

圖3 遮陽系數對采暖能耗的影響

圖4 遮陽系數對空調能耗的影響

由圖3—4可以看出，在東、西、南、北4個方向上，居住建筑能耗與外窗的隔熱性能是密切相關的。隨著遮陽系數的增大，建筑采暖能耗呈線性降低，而空調能耗則呈線性增長。冬季采暖能耗在南向降低的幅度最大，外窗綜合遮陽系數從0.4增大到0.8時，全年采暖能耗降低10.7%，北向次之，能耗降低6.1%，東西向能耗降低值最小。夏季空調能耗在南向升高的幅度最大，外窗綜合遮陽系數從0.4增大到0.8時，全年空調能耗增加31.4%，北向次之，能耗增加26.6%，東西向能耗增加值較小。由此可見，南向外窗遮陽系數的改變對整個建筑能耗的影響最大，北向次之，東西向最小。因為從圖1可知，東西2個方向空調房間數比南向空調房間數少很多，而且東、西向外窗窗墻面積比0.25也較南北向0.4小；所以東西向外窗遮陽系數的變化對建筑能耗的影響不如南北方向。總的來說，對于夏熱冬冷的成都地區居住建筑而言，外窗綜合遮陽系數對夏季空調能耗的影響大于冬季采暖能耗。

3.3 合理選擇外遮陽提高外窗遮陽性能

文獻[10]提到，窗口外遮陽按使用方式可分成活動遮陽和固定遮陽，活動遮陽有外置卷簾和遮陽蓬等，固定遮陽有水平式、垂直式、擋板式外遮陽等[10]。成都所屬的夏熱冬冷地區夏季高度角較大，水平式遮陽板能夠有效地阻擋陽光進入室內，但是對于居住建筑而言，采光、使用方便和節能是居民對遮陽產品的最大需求；因此和固定遮陽板比較而言，活動遮陽，特別是遮陽蓬以其使用靈活，時尚美觀等優點更能滿足用戶。

4 結束語

1)外窗保溫性能的提高，對成都地區居住建筑節能是有利的。在東、西、南、北4個方向上，外窗傳熱系數對能耗的影響都起到同樣重要作用。當外窗傳熱系數從4.7 W/(m2·K)減小到3.2 W/(m2·K)，年采暖能耗降低24.5%，年空調能耗增大3.8%，年采暖空調總能耗降低16.2%，該工況建筑節能效果相對較好；因此，綜合考慮外窗應優選9 mm空氣層厚度的單框中空玻璃。

2)成都地區居住建筑外遮陽對建筑能耗的影響很大。隨著遮陽系數增大，建筑采暖能耗線性降低，而空調能耗線性增加。在東、西、南、北4個方向上，外窗綜合遮陽系數從0.4增大到0.8時，南向外窗遮陽系數的改變對建筑采暖、空調能耗的影響最大，年采暖能耗降低10.7%，年空調能耗增加31.4%，北向次之，東西向最小。因此，建筑在考慮外遮陽時應最先考慮南向，且設置活動遮陽蓬最為適宜，夏季通風阻隔太陽輻射進入室內，冬季防風增加采光面積。

[1]陳睿智,董靚.面向低碳景觀的四川地域氣候舒適度區劃研究[J].建筑科學,2012(6)：57-60.

[2]涂逢祥.建筑節能-當代建筑科技發展的一個重要方向[J].建筑技術,1996(11)：731-733.

[3]江憶.建筑環境系統模擬分析方法—DEST[M].北京：中國建筑工業出版社,2006.

[4]郎四維.JCJ134—2010 夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準[S]. 北京：中國建筑工業出版社,2010.

[5]董子忠,許永光,陳啟高，等.窗戶傳熱系數的簡化計算方法[J].新型建筑材料,2002(9)：40-44.

[6]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,2008.

[7]袁振隆.GB50386—2005 住宅建筑規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社,2005.

[8]吳慧娟.全國民用建筑工程設計技術措施節能專篇：暖通空調動力[M].北京：中國計劃出版社,2007.

[9]郎四維.GB50189—2005 公共建筑節能設計標準[S]. 北京：中國建筑工業出版社,2005.

[10]余曉平,付祥釗,黃光德，等.夏熱冬冷地區外窗性能對居住建筑能耗限值的影響[J].住宅科技,2007(4)：4-8.