夏熱冬暖地區(qū)居民住宅窗戶節(jié)能影響因素分析

楊順福 張海濤

1.四川鼎能建設(shè)（集團(tuán)）有限公司；2.四川鼎能房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司

1 引言

通過(guò)對(duì)我國(guó)夏熱冬暖地區(qū)的全面調(diào)查，可知窗戶能耗在居民住宅建筑室內(nèi)能耗中占據(jù)相當(dāng)大的比例，約為40%，其中因空氣滲透而引發(fā)的用能損耗則達(dá)到了17%。這種現(xiàn)象可以用建筑熱工學(xué)來(lái)解釋，在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，窗戶作為其中最為薄弱的環(huán)節(jié)，會(huì)使得采暖空調(diào)的大部分負(fù)荷通過(guò)窗戶流失。相較于其他結(jié)構(gòu)對(duì)建筑能耗的影響，窗戶性能最為重要，具體包括：①保溫性能；②隔熱性能；③空氣滲透性能；④窗墻面積比；⑤其他建筑熱工學(xué)要求。

2 工程概況

西昌市西部城區(qū)C2-31 地塊項(xiàng)目用地位于四川省西昌市，地塊位于西昌火車西側(cè)500m 左右，用地形態(tài)呈不規(guī)則長(zhǎng)方形，南北最長(zhǎng)約104m，東西寬約170m，凈用地面積約17619.02m2。該項(xiàng)目用地東側(cè)和袁馬路之間，有一處15m 寬的帶狀綠地。而圍繞該地塊四周所規(guī)劃的道路，其高程整體由東到西緩慢下降，高差約為1.2m。

西昌市光熱資源豐富，年降雨量充沛，夏季與過(guò)渡季節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，屬夏熱冬暖地區(qū)。窗戶耗能高低可折射出該地區(qū)整體居民住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗大小，為使建筑節(jié)能達(dá)標(biāo)，提高能源利用率，必須合理完善居民建筑的窗戶性能。一方面為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，另一方面也為了降低損耗、減少成本，因此該項(xiàng)目民居建筑窗戶的隔熱以及隔濕性能必須得到保證。

3 節(jié)能住宅的窗戶要求

如前言中各標(biāo)準(zhǔn)所提到的，應(yīng)控制窗墻面積比、提高自身保溫性和密閉性、增設(shè)窗玻璃及其外部遮陽(yáng)設(shè)施，具體應(yīng)達(dá)到以下要求。

3.1 提高窗戶的氣密性

一般的窗戶由于設(shè)計(jì)或施工缺陷，都會(huì)留有縫隙，導(dǎo)致室外冷（熱）空氣大量滲入室內(nèi)，氣密性未達(dá)到建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)措施增強(qiáng)其密閉性，例如：在縫隙處設(shè)置密封條（常用橡皮、繡片等）。

3.2 控制窗墻面積比

與墻體相比，由于普通窗戶的熱阻小得多，導(dǎo)致其保溫隔熱性能很差。因此窗墻面積比會(huì)直接影響采暖和空調(diào)能耗，比值越大，則能耗越高。因此，嚴(yán)格限制窗墻面積比（一般為30%左右），實(shí)現(xiàn)建筑能耗的降低是非常有必要的。

3.3 提高窗戶的保溫性能

（1）窗框：研究表明，木材和塑料的保溫性能較好，若采用鋼或鋁合金，則會(huì)明顯增加熱量損耗，因此金屬型材料需進(jìn)行斷熱處理，提高其保溫能力。

（2）玻璃：①在單扇窗上安裝中空玻璃，增加熱阻；②選取一些對(duì)輻射有穿透選擇性及吸收性的材料，在玻璃上鍍層。

3.4 提高窗戶的隔熱性能

保證窗戶的隔熱性能就是盡最大努力阻止太陽(yáng)輻射直接進(jìn)入室內(nèi)。因此可以通過(guò)改變外部遮陽(yáng)條件，以及玻璃的光譜特性，來(lái)改善窗上玻璃的熱作用。

4 窗戶節(jié)能性能指標(biāo)的規(guī)定

夏熱冬暖地區(qū)大部分地帶無(wú)須考慮冬季供暖，主要為空調(diào)負(fù)荷；僅有小部分地帶兩者均需考慮。因此窗戶節(jié)能性能便顯得十分重要。《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 75—2012）中規(guī)定了不同窗墻比時(shí)外窗的“綜合遮陽(yáng)系數(shù)”限值[1]。

（1）南北區(qū)居住建筑外窗有兩個(gè)重要參數(shù)，K（平均傳熱系數(shù)）和SW（平均綜合遮陽(yáng)系數(shù)），其取值范圍見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)中表4.0.8-1、4.0.8-2。

（2）外窗平均綜合遮陽(yáng)系數(shù)，應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：

AE(S/W/N)——各朝向的窗面積；

SW,E(S/W/N)——各朝向窗的平均綜合遮陽(yáng)系數(shù)。

注：權(quán)重系數(shù)：東、南取1.0，西取1.25，北取0.8。

（3）窗墻比：①南、北向≤0.40；②東、西向≤0.30。

（4）對(duì)天窗的要求：①天窗面積≤屋頂總面積的4%；②傳熱系數(shù)（K）≤4.0W/（m2·K）；③本身的遮陽(yáng)系數(shù)≤0.4。

（5）對(duì)窗戶氣密性的要求（在10Pa壓差下）：①1~9層建筑，q1≤2.5m3，且q2≤7.5m3。②10層及以上建筑，q1≤1.5m3，且q2≤4.5m3。

其中：

q1—1h內(nèi)1m縫隙的空氣滲透；

q2—1h內(nèi)1m2面積的空氣滲透。

兩個(gè)要說(shuō)明的問(wèn)題。

（1）南北區(qū)：由《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—2016）[2]可知，夏熱冬冷與夏熱冬暖地區(qū)的區(qū)別在于，最冷月平均溫度是否低于10℃，而后者多數(shù)居民認(rèn)為冬季室內(nèi)溫度以16℃為宜，在此基礎(chǔ)上，室內(nèi)可通過(guò)獲取熱量提升4℃~5℃。因此取一月均溫11.5℃為等溫線，劃分南、北區(qū)，其中北區(qū)主要城鎮(zhèn)有：福州、莆田、龍巖；梅州、龍川、莫德；賀州、柳州等（集中在福建、兩廣地區(qū)）。

（2）外窗“綜合遮陽(yáng)系數(shù)”可按下式計(jì)算：

式中：

SC——窗本身的遮陽(yáng)系數(shù)；

SD——窗口的建筑外遮陽(yáng)系數(shù)，若不設(shè)置建筑外遮陽(yáng)設(shè)備，取SD=1。

5 夏熱冬暖地區(qū)窗戶節(jié)能性能指標(biāo)的分析

節(jié)能及各種多層玻璃具有傳熱系數(shù)小、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、抗氧化腐蝕性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，由《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 75—2012）中表4.0.8-1、4.0.8-2可知：

北區(qū)對(duì)外窗K值有具體規(guī)定，而南區(qū)則沒(méi)有，這表明外窗傳熱系數(shù)對(duì)南區(qū)建筑能耗和節(jié)能影響很小。因此，根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料對(duì)不同窗戶類型及窗框材料的描述，選取了9 種“虛擬”窗組合（性能見(jiàn)表1 所列），應(yīng)用DOE-2 軟件，對(duì)南北區(qū)不同窗墻比、不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)的近3000 種節(jié)能方案做統(tǒng)計(jì)，計(jì)算可得其建筑能耗和節(jié)能率。整理數(shù)據(jù)結(jié)果，可得各節(jié)能方案下的建筑節(jié)能率η與平均窗墻比CMW關(guān)系曲線，取南北區(qū)某城市重質(zhì)墻體K=1.5，D≥3.0時(shí)的η-CMW關(guān)系圖，如圖1、圖2所示。

表1 窗戶性能表

圖1 北區(qū)某城市η-CMW關(guān)系圖

圖2 南區(qū)某城市η-CMW關(guān)系圖

圖1和圖2明顯區(qū)別在于：南區(qū)某城市各窗型η-CMW關(guān)系曲線較北區(qū)更為緊湊，這就說(shuō)明外窗傳熱性能對(duì)南區(qū)建筑能耗影響很小，節(jié)能率幾乎取決于外窗遮陽(yáng)性能；相反北區(qū)則與二者均有密切關(guān)系。這也恰好印證了南區(qū)日照資源豐富，全年溫差較小，無(wú)須考慮冬季供暖，其居民建筑全年總能耗以夏季空調(diào)損耗為主，但在空調(diào)能耗中，窗所引起的溫差傳熱僅占少量，因此南區(qū)建筑節(jié)能要依靠外窗遮陽(yáng)系數(shù)起主導(dǎo)作用。

6 結(jié)論

綜上，針對(duì)夏熱冬暖地區(qū)，其南北區(qū)節(jié)能建筑對(duì)使用窗戶性能要求是不同的，北區(qū)由于維度問(wèn)題，要使用兼顧保溫和隔熱的外窗，氣候上更偏向夏熱冬冷地區(qū)（此地區(qū)適用帶有外卷簾、百葉護(hù)窗等外遮陽(yáng)的窗戶）；南區(qū)則只需保證外窗的隔熱性能即可。而本項(xiàng)目所涉及的西昌地塊屬于北區(qū)，因此在設(shè)計(jì)窗戶的時(shí)候需要綜合考慮以上因素，選取合適的節(jié)能窗類型，達(dá)到期望的節(jié)能指標(biāo)，為公司降低成本、減少能耗，也為類似工程提供可以借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn)。