孫海玲,涂勁松

(皖西學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院，安徽 六安 237012)

我國(guó)建筑節(jié)能起步較晚，于20世紀(jì)80年代開(kāi)始在寒冷的北方地區(qū)實(shí)施，直到90年代末[1]才在夏熱冬冷的南方地區(qū)實(shí)施。近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在建筑節(jié)能方面做了大量的研究工作，在外窗節(jié)能方面取得豐富的研究成果。美國(guó)LBNL實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的THERM、WINDOW軟件，專門(mén)計(jì)算門(mén)窗及幕墻的熱工性能，可以選擇不同的玻璃源、不同地區(qū)環(huán)境邊界[2]，模擬的結(jié)果更接近實(shí)地工程；天津大學(xué)房濤[3]利用能耗模擬軟件DesignBuilder進(jìn)行模擬分析，確立了天津地區(qū)零能耗住宅設(shè)計(jì)的最佳朝向、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造形式、熱工性能的參數(shù)選擇，外窗設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇適宜的窗墻比及外窗遮陽(yáng)形式等；重慶大學(xué)顧順欽[4]選定DeST作為研究的工具,從選址、建筑體型、窗墻等設(shè)計(jì)因素進(jìn)行分析，利用DeST軟件進(jìn)行能耗模，為前期的建筑設(shè)計(jì)方案階段提供參考。隨著我國(guó)建立和健全建筑節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)體系，節(jié)能建筑技術(shù)的不斷進(jìn)步，為建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)提供了保障，但也存在不少問(wèn)題，如建筑節(jié)能工作推進(jìn)速度與城市化建設(shè)發(fā)展不適應(yīng)；建筑節(jié)能技術(shù)在實(shí)地工程沒(méi)有真正落實(shí)；節(jié)能工程質(zhì)量粗糙，影響節(jié)能效果。真正落實(shí)了建筑節(jié)能措施，有利于提高建筑保溫隔熱性能，改善居住舒適度。在建設(shè)及使用過(guò)程中對(duì)土地、能源、材料等的浪費(fèi)更為嚴(yán)重,其能耗占建筑總能耗已經(jīng)超過(guò)80%。在居住建筑中，外窗面積占建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面積的1/4左右，有時(shí)設(shè)計(jì)師為了追求建筑立面造型效果，開(kāi)窗面積可能會(huì)更大，外窗的耗熱達(dá)到了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗的50%以上。所以開(kāi)窗系統(tǒng)必須在設(shè)計(jì)時(shí)就要優(yōu)化建筑熱負(fù)荷，同時(shí)達(dá)到預(yù)期的視覺(jué)和熱舒適水平。窗戶的熱能消耗主要是溫差傳熱、空氣滲透兩方面原因帶來(lái)的，控制窗戶的得熱和失熱，是設(shè)計(jì)節(jié)能窗戶的主要措施。

1 創(chuàng)建外窗節(jié)能模型

1.1 皖西地區(qū)氣候分析

在我國(guó)的《民用建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50176-2016)條文中，建筑熱工設(shè)計(jì)區(qū)劃分為兩級(jí)[5]。從一級(jí)區(qū)劃中可以看出每個(gè)熱工一級(jí)區(qū)劃面積非常大，因此在熱工設(shè)計(jì)二級(jí)分區(qū)，采用“HDD18”“CDD26”作為區(qū)劃指標(biāo)，把5個(gè)氣候分區(qū)劃分11個(gè)氣候區(qū)屬。皖西地區(qū)北緯31.74°，東經(jīng)116.54°，海拔28 m，與合肥的氣象站數(shù)據(jù)較為接近，又進(jìn)一步參照與六安東經(jīng)、北緯比較接近的南京、馬鞍山，得出皖西地區(qū)屬于3A氣候?qū)賲^(qū)，應(yīng)滿足保溫、隔熱設(shè)計(jì)要求，重視自然通風(fēng)、遮陽(yáng)設(shè)計(jì)[6]。

1.2 模型創(chuàng)建

窗戶整體傳熱的特點(diǎn)是U-factor，這一特性反映了窗戶結(jié)構(gòu)(玻璃、間隔、框架)的固有性能，以及空氣薄膜對(duì)室內(nèi)外表面的影響。在研究中關(guān)注兩個(gè)主要組件：窗框和玻璃系統(tǒng)。在WINDOW中創(chuàng)建需導(dǎo)入到THERM中的玻璃，環(huán)境條件設(shè)置以皖西地區(qū)為例，根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范GB50176-2016》所規(guī)定的參數(shù)[7]，如圖1、圖2所示。在WINDOW中創(chuàng)建玻璃系統(tǒng)，選用了透明玻璃、吸熱玻璃、熱反射玻璃、低輻射鍍膜玻璃作為原片，選用不同的玻璃間隔層內(nèi)的氣體、密封材料，進(jìn)行分析比較，得出不同玻璃類型參數(shù)，如圖3、圖4所示。在WINDOW7.7完成玻璃系統(tǒng)創(chuàng)建，進(jìn)行保存。

圖1 室內(nèi)環(huán)境設(shè)置 圖2 室外環(huán)境設(shè)置

圖3 玻璃系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果 圖4 可見(jiàn)光透射率

在AutoCAD中繪制外窗截面，對(duì)截面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，將弧線轉(zhuǎn)化為直線，保留完整的節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。把繪制的外窗截面圖導(dǎo)入到THERM中，設(shè)置繪圖參數(shù)，對(duì)截面圖形進(jìn)行編輯。導(dǎo)入WINDOW中的玻璃系統(tǒng)，確定玻璃導(dǎo)入的位置。定義模型中每個(gè)多邊形的材料，窗框的材料主要有鋁合金、木材、塑鋼，如圖6所示。

圖5 外窗截面圖形圖 圖6 外窗框定義材料

1.3 保溫與隔熱節(jié)能模擬計(jì)算分析

模型創(chuàng)建結(jié)束后進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示了窗框的模型框和邊緣的U值、彩色紅外圖、等溫線、溫度場(chǎng)分布圖、彩色紅外圖等計(jì)算結(jié)果，如圖7、8所示。

圖7 外窗截面U值 圖8 外窗截面等溫線

在模擬的過(guò)程中根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)居住建筑的外窗使用現(xiàn)狀，模擬常用窗框型材和玻璃類型的整體性能，再重新組合玻璃、變化玻璃厚度、更換窗框型材、玻璃與窗框之間的密封材料，分析性能指標(biāo)的變化，得出計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 模型計(jì)算結(jié)果

2 外窗節(jié)能措施與設(shè)計(jì)方法

夏熱冬冷地區(qū)的外窗節(jié)能設(shè)計(jì)既要滿足保溫與隔熱節(jié)能要求，又要重視自然通風(fēng)、遮陽(yáng)設(shè)計(jì)，從三個(gè)方面提出節(jié)能措施：(1)冬季太陽(yáng)從東南方升起，西南方落下；夏季從東北方升起，西北方落下[8]，在考慮冬夏太陽(yáng)高度角和建筑朝向的情況下，南向可以設(shè)計(jì)增大開(kāi)窗面積，大面積的南向窗子可適當(dāng)增加固定窗、懸窗。固定窗和懸窗、窗框的典型面積比，如圖9所示。同時(shí)，外墻與窗戶的面積比，對(duì)節(jié)能的有顯著影響，如圖10所示。在模擬的過(guò)程中是選用一棟居住建筑的外立面南向窗戶2.7 m2計(jì)算，窗墻比積比是0.28～0.40時(shí)，并設(shè)置建筑外遮陽(yáng)，節(jié)能效果明顯；(2)玻璃的使用可以選用不同類型的組合，來(lái)滿足不同氣候特點(diǎn)的外窗節(jié)能設(shè)計(jì)要求。在WINDOW中模擬，根據(jù)夏熱冬冷的地區(qū)環(huán)境，相同的玻璃原片，室內(nèi)玻璃厚、室外薄，U值有所下降。中空玻璃中選擇薄Lowe玻璃，U值下降，SC、SHGC上升，說(shuō)明薄Lowe玻璃保溫性能好，但遮陽(yáng)效果差；改變玻璃中間層填充的氣體的類型及厚度，選用惰性氣體，分析性能變化，玻璃間的間隙應(yīng)為12 mm以上，中間層的厚度在20～30 mm時(shí)U值下降，最佳厚度是20～25 mm；(3)在相同的玻璃類型中，由表1可見(jiàn)，外窗框型材傳熱系數(shù)差距很大。此外，居住建筑將尋求最大限度地利用日光，這對(duì)太陽(yáng)能增益和眩光之間的權(quán)衡帶來(lái)了挑戰(zhàn)。窗戶外框和玻璃系統(tǒng)可以顯著降低與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)的加熱和冷卻成本，同時(shí)增加居住者的舒適度。通過(guò)優(yōu)化外部遮陽(yáng)，窗戶低+高開(kāi)口之間的疊加效應(yīng)增強(qiáng)了自然空氣流動(dòng)。

圖9 窗框與玻璃面積比例 圖10 南向開(kāi)窗面積

3 應(yīng)用實(shí)例

六安市黨校學(xué)員宿舍位于安徽省六安市，此建筑南偏東58°，結(jié)構(gòu)類型是框架結(jié)構(gòu)，要求每間4人使用，開(kāi)間、進(jìn)深尺寸設(shè)計(jì)尺寸是3.3 m×5.1 m。體形系數(shù)0.22。在設(shè)計(jì)初期階段選用六安地區(qū)常用的外窗規(guī)格型號(hào)，采用空調(diào)制冷、采暖，見(jiàn)表2。

表2 外窗類型

原方案設(shè)計(jì)中外窗使用的是普通鋁合金外框、普通中空玻璃(6透明+12空氣+6透明)。在WINDOW中創(chuàng)建中空玻璃，導(dǎo)入到THERM中計(jì)算傳熱系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。窗墻比為組合體普通層的朝向平均值，東、西朝向外窗夏、冬季綜合遮陽(yáng)系數(shù)加權(quán)值不滿足限值要求；南向外窗的夏季綜合遮陽(yáng)系數(shù)加權(quán)值不滿足限值要求。

表3 外窗傳熱系數(shù)、遮陽(yáng)系數(shù)

該建筑有6層，考慮外窗型材的強(qiáng)度、抗風(fēng)壓性能原因，外框型材選用斷熱鋁合金，玻璃選用LOW-E3.5+12+3.5，中間隔層從空氣改為氬，南向窗戶掛淺色內(nèi)窗簾。在WINDOW中進(jìn)行創(chuàng)建玻璃系統(tǒng)，得出此玻璃的SC值是0.128，U值是2.262，優(yōu)于之前設(shè)計(jì)方案中的玻璃系統(tǒng)，如圖11所示。導(dǎo)入THERM中，結(jié)果顯示了窗框的模型框和邊緣的U值。分析得出：東向外窗夏、冬季綜合遮陽(yáng)系數(shù)為0.35，南向外窗的夏、冬季綜合遮陽(yáng)系數(shù)為0.54，0.58；西向外窗的夏、冬季綜合遮陽(yáng)系數(shù)為0.30，節(jié)能效果明顯。同時(shí)根據(jù)建筑物參數(shù)，計(jì)算了建筑能耗，得到該建筑物的年能耗，節(jié)能率為50.93%，如圖12。

圖11 模擬玻璃系統(tǒng) 圖12 能耗分析圖表

4 結(jié)語(yǔ)

建筑節(jié)能設(shè)計(jì)要對(duì)建筑的基本特征做出明智的決定，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷評(píng)估這些因素的復(fù)雜交互作用對(duì)建筑最終性能的影響。實(shí)現(xiàn)降低建筑能耗不能僅僅通過(guò)提高工程系統(tǒng)的效率來(lái)實(shí)現(xiàn)，還要求在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡早考慮建筑的本質(zhì)，包括建筑形式、體量、朝向和圍護(hù)等因素。外窗節(jié)能設(shè)計(jì)中良好的采光設(shè)計(jì)需要優(yōu)化玻璃屬性和窗框型材，軟件模擬工具在提高建筑物能效方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。