新疆寒冷地区外窗对住宅能耗的影响

代金，姜曙光*，周洋

（1 石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子832003；2 珠海兴业绿色建筑科技有限公司，广东 珠海 519000）

近年来，随着建筑业的发展，建筑能耗问题成为世界共同关注的课题，其中住宅建筑的能耗约占全社会总能耗的40%[1]。建筑围护结构在节能方面起到至关重要的作用，尤其是外窗的能耗散失比例高达20%-40%[2]。外窗作为市场产品，无论是在工业还是建筑业，其技术不断增长，不同大小、窗框、玻璃类型的组合为住宅建筑室内热舒适性和节能提供更多可能。

目前我国关于外窗对能耗影响的研究主要集中在住宅[3]、办公[4]等建筑中。已有研究[5]表明，在夏热冬冷地区南向窗墙比达到0.6 且北向窗墙比达到0.3 时住宅全年能耗最小，同时选择平开塑钢窗；寒冷地区，例如北京地区、河北省[6]等，南向窗墙比不宜过大，采用单框双玻形式可以使住宅热负荷降低20%左右[7]。新疆地区的外窗对能耗的研究大多数是实地调研以及收集资料等宏观的把握，较少模拟，且不全面[8]。因此，开展新疆地区外窗对能耗影响因素的模拟研究具有必要性，能为完善建筑设计、建筑节能提供数据基础。

新疆南部的和田地区，属于寒冷地区，冬季寒冷，夏季炎热，建筑节能既要考虑冬季采暖能耗，又要考虑夏季制冷能耗，独特的气候条件决定了其外窗对能耗影响与其他地区相比有所差异。本文以和田地区某典型多层住宅建筑为研究对象，利用EnergyPlus 能耗模拟软件模拟计算，对比分析南北向窗墙比、玻璃组合形式及常用窗框材质对建筑能耗的影响，得出新疆寒冷地区住宅建筑外窗的最佳设计方案。

1 住宅模型的建立

1.1 几何模型

本建筑模型为多层住宅楼，地下1 层，地上6层；南北朝向，总建筑面积约为3024.67 m2，层高为18.4 m，一梯两户；主要功能房间为客厅、厨房、卧室、卫生间等；东、南、西、北墙窗比分别为0.16、0.32、0.16、0.25。

住宅标准层平面图见图1，应用Sketch Up 建立的建筑模型见图2。

图1 住宅楼标准平面层Fig.1 Residential flat standard floor

图2 Sketch Up 建筑模型Fig.2 Sketch Up building model

1.2 设定热工参数

1.2.1 围护结构及热工参数的设定

外墙选用20 mm 水泥砂浆抹灰、100 mmEPS板、240 mm KP1 粘土多孔砖，传热系数0.25；屋顶为35 mm 细石混凝土、120 mm EPS 板、120 mm 钢筋混凝土，传热系数0.23。

1.2.2 能耗模拟参数的设定

冬季室内设计温度为18 ℃，夏季室内设计温度为26 ℃，换气次数为0.5 次/h，照明为人走灯灭模式，各功能房间3 W/m2，设备得热各功能房间均为5 W/m2。

1.3 外窗传热系数

为节约住宅建筑能耗，需要限制外窗的洞口比例以及选择合适的节能玻璃材质与窗框材质，以达到在合适的通风、采光条件下最大程度减少能耗损失。整个外窗随着技术的提高，其热工性能也在不断提高，传热系数可达到的最优值约为0.6 W/（m2·K）。外窗热工性能参数最具代表的为传热系数，其计算可用式（1）[9]表示：

式中:Uw为外窗传热系数，单位W/（m2·K）；Ug为玻璃传热系数，单位W/（m2·K）；Uf为窗框传热系数，单位W/（m2·K）；lg为窗框剖面的内长边缘长度，单位m；ψg为绝缘玻璃边缘密封条传热系数，单位W/（m2·K）；Ag为玻璃的面积，单位m2；Af为窗框的面积，单位m2。

2 窗墙比对建筑能耗的影响

外窗窗墙面积比是影响住宅能耗最直接的因素。外窗面积呈现逐渐增大的趋势，而可开启窗扇面积逐渐减小，研究表明20%的开窗率已达到大多数人心理满足感，30%开窗率可以使满足感达最高峰[9]。更大的开窗率不会再对人的心理、视觉产生影响，通过洞口过大的风量反而影响居住者的舒适度，增加空调季的能耗，对节能不利。

住宅外窗的宽、高及面积，首先要满足采光要求，即客厅、卧室等主要用房窗地比不小于1/6[10]，同时，要满足自然通风的要求，即主要用房窗地比不小于5%。另外还必须考虑节能要求：在满足北向窗墙比不大于0.4，南向窗墙比不大于0.6 的范围内适度选择，考虑一个最利于节能的窗墙比例[11]。

2.1 采暖能耗

南、北向窗墙比分别增大时建筑的采暖能耗结果（图3）显示：南向窗墙比增大，有利于采暖能耗的降低，而北向窗墙比的增大，加大了采暖能耗的上升，并且北向窗墙比变化的采暖能耗呈线性变化。造成这种情况的原因是和田地区采暖季太阳能辐射角低，辐射量大，南向外窗的太阳能得热量随着窗墙比的增大而增大，并且大于其传热损失，而北向获得的太阳能辐射量小于外窗的传热损失（图4）。所以，适当增大南向窗墙比，同时，减小北向窗墙比，在采暖季可以起到减小采暖能耗的作用。

图3 窗墙比的变化对采暖能耗的影响Fig.3 Influenceof window-wall ratio on energy consumptionforheating

图4 南北朝向外窗采暖季净得热量Fig.4 Net heat gains in heating season with south and north windows

2.2 制冷能耗

南、北向窗墙比分别增大时建筑的制冷能耗结果（图5）显示：由于玻璃对太阳能的透过性能及较强的传热性能，增大窗墙比，无论南向还是北向，制冷能耗都呈现出线性增大的趋势，并且南向窗墙比增大时的制冷能耗增量远大于北向窗墙比增大时的制冷能耗增量。

图5 窗墙比变化对制冷能耗的影响Fig.5 Influenceof window-wall ratio on energy consumptionfor cooling

2.3 一次能耗

图6是南、北向窗墙比分别增大时建筑一次能源消耗的变化趋势，其中直接采暖能耗和直接制冷能耗的一次能源系数分别为3.613 和1.056。

图6 窗墙比变化对一次能耗的影响Fig.6 Influenceof window-wall ratio on consumptionforsource energy

由图6可以看出：随着南向窗墙比的增大，建筑一次能耗呈现先减小后增大的趋势，并且在窗墙比为0.5 时达到最低值。而随着北向窗墙比的增大，建筑一次能耗呈线性增大的趋势。

上述结果表明：在考虑建筑用能在开采、运输和加工转换过程中能源损失的情况下增大北向窗墙比不利于节能，而南向窗墙比在0.5 时整个建筑的一次能耗最小，最节能。

3 玻璃材质对建筑能耗的影响

外窗中面积最大的组件是玻璃，玻璃材质的选择对建筑能耗有很大的影响。中空玻璃是目前应用最广的玻璃类型，其良好的保温隔热性能是节能第一选择。中空玻璃是由2 片或多片平板玻璃以有效支撑边框均匀隔开并在周边粘接密封，使玻璃夹层之间形成干燥气体空间，利用气体热导率低的特点达到良好的隔热效果[12]。夹层空间内的气体也可以为惰性气体，可进一步提高玻璃隔热性能。

本文研究选取目前常用的几种不同类型的玻璃材质组合，分别在南北两个朝向和不同窗墙比条件下进行建筑的采暖能耗、制冷能耗和一次能耗的模拟分析。玻璃材质的热工性能见表1。

表1 玻璃材质类型Tab.1 Types of glass

3.1 采暖能耗

根据模拟数据统计结果，采暖能耗与南北向窗墙比关系曲线如图7所示。从图7可知：

（1）6 种玻璃材质下，采暖能耗随窗墙比变化的趋势是一致的，南向随之减小，北向随之增大。

（2）单层普通玻璃由于其本身热阻很小，使得窗户热损很大，导致围护结构保温能力弱，采暖能耗无论南北向都远远大于其他玻璃材质。

（3）3 号玻璃材质随着南向窗墙比的增加，其采暖能耗减小量最多；随着北向窗墙比的增加，其采暖能耗始终最低。

（4）由4、5 号玻璃材质能耗变化可以看出，着色Low-E 玻璃较低的太阳得热系数使采暖能耗随着南向窗墙比的增大的减小量较少。

（5）由6 号玻璃材质能耗变化可以看出，玻璃层数由两层增加至三层对采暖能耗的影响不大。

图7 南北朝向不同玻璃材质对采暖能耗的影响Fig.7 Influence of different glass materials on energy consumption forheating in north and south

3.2 制冷能耗

结果（图8）显示：制冷能耗随窗墙比变化的趋势同样一致，南北向皆随之增大。

（1）当南北向窗墙比小于0.5 时，1 号玻璃材质制冷能耗与其他材质玻璃相比较高；当南北窗墙比大于0.5 时，2 号玻璃材质制冷能耗与其他材质玻璃相比较高。

（2）由3、4 号玻璃制冷能耗的变化可以看出，玻璃着色可以明显减小制冷能耗。

（3）由4、5 号玻璃制冷能耗变化可以看出，将空气间层换成氩气间层对于制冷能耗的减小，作用不大。

（4）随着南北向窗墙比增大，6 号玻璃材质制冷能耗始终最低。

图8 南北朝向不同玻璃材质对制冷能耗的影响Fig.8 Influence of different glass materials on energy consumption forcooling in north and south

3.3 一次能耗

一次能耗随窗墙比的变化如图9所示，从图9可以看出：

（1）当南向窗墙比为0.6 时，3 号玻璃材质的一次能耗最低。

（2）对于北向外窗，应在保持良好通风和光照的条件下，尽量减小窗墙比，并且当选择3 号玻璃材质时，建筑一次能耗最小。

图9 南北朝向不同玻璃材质对一次能耗的影响Fig.9 Influence of different glass materials for source energy consumption in north and south

4 窗框材质对建筑能耗的影响

虽然外窗的隔热保温性能总体由玻璃来控制，但是窗框占整个窗户总面积的1/5-1/3，因此窗框的热工性能也对外窗的能耗产生不小的影响[1]；同时，窗框往往是外窗节能的薄弱环节，热桥部位，容易产生结露等，是外窗节能的关键因素[13]。

本文选取住宅建筑上常用且经济性良好的窗框型材作为研究对象。木质材料保温隔热性能优良，并且有研究表明，在考虑到生产方法、生命周期和可回收性的条件下木质材料为首选，但其造价过高[3]；铝合金质轻，耐腐蚀，可塑性好，但传热系数过高；PVC 塑料阻热作用良好，但强度低，刚性差，对环境污染严重；而塑钢在塑料材质的基础上使用钢衬支撑，增加了材料强度，同时保持了塑料材质的良好性能。

综上所述，本文选择四腔三密封窗框，窗框宽0.06 m，窗框内向外向均突出0.04 m；分隔条宽0.07 m，分割器内外均突出0.04 m。

窗框材质见表2。

表2 窗框材质类型Tab.2 Types ofwindow frame material

4 种窗框材质的采暖能耗、制冷能耗、一次能耗分别如图10所示。从图10可以看出：

（1）普通铝合金的采暖能耗明显高于其他材质的采暖能耗，4 种材质对制冷能耗的影响相差不大。说明在新疆的寒冷地区，窗框对采暖能耗的影响大于对制冷能耗的影响，所以选择窗框材料应多加考虑其在采暖季的保温性能。

（2）使用塑钢窗框的住宅建筑采暖能耗与一次能耗最低，而使用普通铝合金窗框的住宅建筑制冷能耗最低，即传热系数越低的窗框材料，其保温性能越好越节能。

图10 窗框材质对能耗的影响Fig.10 Influence of window frame materials on energy consumption

5 结论

本文通过模拟分析外窗对住宅能耗的影响，得出以下结论：

（1）在新疆寒冷地区特殊的气候条件下，外窗特性对住宅能耗有重大影响。

（2）住宅北向窗墙比应在满足采光与通风的条件下适当减小，且不大于0.4，南向窗墙比可以适当增大，但不大于0.6。在本文的参数条件下，选用双层透明普通玻璃时，从节能角度考虑，合适的南向窗墙比为0.5，这时建筑年能耗最小。

（3）外窗无论南北向，玻璃材质皆为双层玻璃，其中一层为透明Low-E 玻璃，填充气体为空气，此时建筑年能耗最小，且南向窗墙比可以增加至0.6。所以在新疆寒冷地区更适合选用其中一层为Low-E玻璃的双层玻璃，从而达到更节能的效果。

（4）外窗窗框材质能耗大小依次为：普通铝合金＞断桥铝合金＞木材＞塑钢。因此，住宅外窗应选择保温隔热性能良好的塑钢材质的窗框，可以改善室内热环境，降低建筑能耗。