郭興忠， 楊 闖， 張 超， 楊 輝， 楊庭貴

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

門窗是建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的開口部位，是阻隔外界氣候侵?jǐn)_的基本屏障.數(shù)據(jù)研究表明，外窗和外門的傳熱系數(shù)約為4.70W／（m2·K），而墻體、屋面和地面的傳熱系數(shù)分別為1.40，0.80，0.52W／（m2·K）.在門窗、墻體、屋面、地面4大圍護(hù)部件中，占外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面積1／6～1／8的門窗系統(tǒng)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(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的40%～50%，門窗節(jié)能已成為建筑節(jié)能的重要組成部分[1].

針對門窗節(jié)能的研究與開發(fā)，采用制作、檢測等傳統(tǒng)試驗(yàn)手段需花費(fèi)大量人力物力，且試驗(yàn)流程長，難以獲得充足的試驗(yàn)數(shù)據(jù).隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的方法被越來越廣泛地應(yīng)用到建筑計(jì)算中，成為評價(jià)建筑能耗水平、研究建筑能耗特性、預(yù)測建筑能耗趨勢的一個(gè)強(qiáng)有力工具[2].通過設(shè)計(jì)制作專業(yè)的模擬軟件，輸入已知數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)快速計(jì)算，模擬現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)環(huán)境及條件，可快速得出相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，指導(dǎo)研究繼續(xù)進(jìn)行.目前，軟件模擬已成為建筑構(gòu)件設(shè)計(jì)與優(yōu)化、建筑節(jié)能改造、綠色建筑評價(jià)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(jìn)行模擬計(jì)算，將其結(jié)果導(dǎo)入THERM軟件中，計(jì)算得到特定型材的模擬結(jié)果，然后再利用WINDOW軟件計(jì)算出整窗的熱工數(shù)據(jù)，最后結(jié)合杭州市氣候特點(diǎn)，利用DeST建筑能耗模擬軟件研究配置不同節(jié)能門窗建筑的全年建筑能耗，進(jìn)而研究節(jié)能門窗對建筑節(jié)能的影響.

1 門窗熱工性能參數(shù)及模擬軟件

門窗的熱工性能參數(shù)主要包括傳熱系數(shù)（U）、太陽得熱系數(shù)（SHGC）和遮陽系數(shù)（SC）.U是指在穩(wěn)定傳熱條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫差為1℃，1s內(nèi)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(jìn)入室內(nèi)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(jìn)入室內(nèi)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(dǎo)、對流和表面輻射3種傳熱方式的重要參數(shù)，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(xiàn)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(rèn)的功能豐富、計(jì)算準(zhǔn)確的門窗熱工模擬軟件，也是中國建設(shè)部《建筑門窗節(jié)能性能標(biāo)識》指定使用的模擬軟件.DeST是建筑環(huán)境及供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)模擬的軟件平臺，為建筑環(huán)境的相關(guān)研究如模擬預(yù)測、性能評估提供了方便實(shí)用可靠的工具，是目前國內(nèi)應(yīng)用廣泛的建筑能耗模擬軟件. DeST軟件通過設(shè)置建筑氣象、房間內(nèi)擾、空調(diào)系統(tǒng)等參數(shù)，進(jìn)行建筑能耗和室內(nèi)溫度的計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果通過Excel展示，內(nèi)容包括建筑逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)、房間逐時(shí)空調(diào)室溫?cái)?shù)據(jù)、建筑逐時(shí)冷熱負(fù)荷等[4].

2 模擬計(jì)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(gè)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(yīng)用于玻璃幕墻行業(yè).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(dǎo)率低的特點(diǎn)達(dá)到良好的隔熱效果.最初，夾層中的氣體為干燥的空氣，為進(jìn)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(dǎo)率低的惰性氣體.中空玻璃間隙寬度應(yīng)不小于6mm，否則隔熱性能不明顯.另外，間隙過寬會(huì)導(dǎo)致夾層中氣體形成對流，降低隔熱性能，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致中空玻璃過厚，從而影響其實(shí)際應(yīng)用.目前，在中空玻璃標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)中，間隙寬度常見為6，9，12mm[5].

利用WINDOW6.0軟件計(jì)算6種常見中空玻璃門窗系統(tǒng)的熱工性能參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表1所示.

表1 中空玻璃熱工性能參數(shù)計(jì)算結(jié)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(tǒng)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(tǒng)的2層玻璃均為普通玻璃.由相鄰兩組中空玻璃系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果可以看出，相同玻璃厚度和間隙的中空玻璃系統(tǒng)中，采用Low－E玻璃可大幅降低其傳熱系數(shù)、遮陽系數(shù)和太陽得熱系數(shù)，但同時(shí)也會(huì)降低可見光透過率.由G3和G5，G4和G6計(jì)算結(jié)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(tǒng)傳熱系數(shù)，但是對遮陽系數(shù)、太陽得熱系數(shù)和可見光透過率影響不大.從G1和G3計(jì)算結(jié)果中可看出，采用不同厚度的Low－E玻璃對中空玻璃系統(tǒng)各項(xiàng)性能均有較大影響，而由G2和G4計(jì)算結(jié)果可知，增加普通玻璃厚度對中空玻璃系統(tǒng)各項(xiàng)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(fù)合型材（鋁包木）.木集成材以小徑木料為生產(chǎn)原料，具有熱導(dǎo)率低、保溫性能高等優(yōu)點(diǎn).斷橋鋁合金型材是在鋁合金型材基礎(chǔ)上為了提高門窗保溫性能而推出的改進(jìn)型，利用PA66將室內(nèi)外兩層鋁合金既隔開又緊密連接成一個(gè)整體，構(gòu)成一種新的隔熱型的鋁型材.鋁木復(fù)合型材將木集成材保溫性好、視覺美觀與鋁合金型材強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，又彌補(bǔ)2種材料各自的不足，是目前常用的中高檔節(jié)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(shù)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(jì)算門窗不同位置處型材的U值.

如圖1所示，以1 500mm×1 500mm內(nèi)開鋁包木標(biāo)準(zhǔn)窗為例，左側(cè)為內(nèi)開啟扇，右側(cè)為固定窗，計(jì)算Ah，Aj，As，Bh，Bj，Bs，C這7個(gè)位置節(jié)點(diǎn)的傳熱系數(shù)，結(jié)果列于表2.邊界條件按照J(rèn)GJ／T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》：室內(nèi)溫度tin為20℃，室外溫度tout為－20℃，室內(nèi)對流換熱系數(shù)hc，in為3.6W／（m2·K），室外對流換熱系數(shù)hc，out為12W／（m2·K），太陽輻射照度E為0W／m2.由表2可進(jìn)一步證實(shí)，不同位置處型材的傳熱系數(shù)不盡相同，并且受密封條件影響，型材框體傳熱系數(shù)均小于框體邊緣傳熱系數(shù).

圖1 1 500mm×1 500mm鋁包木標(biāo)準(zhǔn)窗結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of aluminum－wood standard window

表2 鋁包木標(biāo)準(zhǔn)窗各節(jié)點(diǎn)U值計(jì)算結(jié)果Table 2 Uvalue in different positions of aluminum－wood standard window profile

2.1.3 整窗系統(tǒng)

將通過THERM6.0軟件模擬的各節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入WINDOW6.0軟件中，分別計(jì)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(tǒng)為（6＋12＋6）Low－E玻璃（G1）和（6＋12＋6）common玻璃（G2）的整窗系統(tǒng)的熱工參數(shù).各型材前數(shù)字表示其斷面厚度，單位為mm.各窗計(jì)算結(jié)果如表3所示.

表3 整窗系統(tǒng)熱工性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 3 Thermal performance parameters of entire window calculated by WINDOW6.0

由表3前4組計(jì)算結(jié)果可看出，采用純木、鋁包木等可顯著降低門窗傳熱系數(shù)；由3＃和5＃，4＃和6＃計(jì)算結(jié)果對比可知，使用Low－E玻璃對降低門窗傳熱系數(shù)和太陽得熱系數(shù)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(shù)，Low－E玻璃的使用還可降低門窗太陽得熱系數(shù)，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(shù)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(shù)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(jì)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?yàn)檎狈较?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(hù)結(jié)構(gòu)中墻體為240mm磚墻，內(nèi)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(diǎn)設(shè)置為杭州，坐標(biāo)設(shè)置為東經(jīng)120°12′，北緯30°14′，圖3為杭州全年平均氣溫圖.功能設(shè)置為普通辦公室，采用空調(diào)系統(tǒng)，夏季控制室內(nèi)溫度為24～26℃，空調(diào)季起始時(shí)間為6月1日至8月31日；冬季控制室內(nèi)溫度為20～22℃，采暖季起始時(shí)間為11月15日至次年3月15日.改變11扇外窗的材質(zhì)，型材采用純木、鋁包木和鋁合金材質(zhì)窗框，玻璃系統(tǒng)采用Low－E和普通中空玻璃，計(jì)算該建筑模型全年內(nèi)制冷采暖能耗.計(jì)算結(jié)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(shù)和太陽得熱系數(shù)的增加而升高.裝配Low－E中空玻璃的鋁包木門窗傳熱系數(shù)和太陽得熱系數(shù)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(shù)和太陽得熱系數(shù)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(chǎn)品制冷能耗.

由圖4（b）結(jié)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(fù)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(qū)的杭州，氣候?qū)儆谙臒岫鋮^(qū)，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(shù)越低，表明室內(nèi)外能量交換越少，門窗保溫性能越好；太陽得熱系數(shù)越低，表明室內(nèi)環(huán)境接收太陽能量越少.因此，門窗傳熱系數(shù)與太陽得熱系數(shù)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(shù)高，太陽得熱系數(shù)高，建筑制冷能耗也就越高.門窗太陽得熱系數(shù)越低，接收太陽能越少，為維持室內(nèi)環(huán)境的舒適度，冬季采暖能耗就要相應(yīng)提高，因此冬季采暖能耗與傳熱系數(shù)和太陽得熱系數(shù)的變化規(guī)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?yàn)樵黾有筒暮穸瓤梢詼p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(shù)顯著降低，因而導(dǎo)致太陽得熱量的減少，最終導(dǎo)致建筑采暖能耗的增加.

圖4 建筑能耗模擬計(jì)算結(jié)果Fig.4 Simulation results of building energy consumption

根據(jù)全年總能耗計(jì)算結(jié)果，針對杭州地區(qū)，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(shù)和太陽得熱系數(shù)正相關(guān).采用低傳熱系數(shù)窗框和低輻射玻璃可顯著降低建筑能耗.

3 結(jié)論

（1）采用低輻射系數(shù)的Low－E玻璃和選用熱導(dǎo)率較小的木材等材料均可顯著降低門窗傳熱系數(shù)，提高節(jié)能效果.純木門窗和鋁包木門窗的傳熱系數(shù)U值小于2.0W／（m2·K），滿足中國“十二五”規(guī)劃中關(guān)于建筑節(jié)能的最新要求.窗框材料的選擇對建筑節(jié)能保溫性能影響顯著，采用熱導(dǎo)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(shù)和太陽得熱系數(shù)對夏季制冷能耗的降低有顯著影響.

（2）針對杭州地區(qū)，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(shù)和太陽得熱系數(shù)變化趨勢一致.傳熱系數(shù)和太陽得熱系數(shù)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(shí)會(huì)增加冬季采暖能耗.在夏季制冷需求較大地區(qū)，減小太陽得熱系數(shù)對建筑節(jié)能具有重要意義.而針對寒冷地區(qū)，使用Low－E玻璃并不利于建筑節(jié)能.

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