【论文精选】黑龙江省第四步节能的外窗性能研究

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作 者： 马翼飞，王磊，王昭俊

第一作者单位：哈尔滨工业大学  建筑学院

摘自《煤气与热力》2023年1月刊

参考文献示例

马翼飞，王磊，王昭俊 .   黑龙江省第四步节能的外窗性能研究 ［J］.    煤气与热力， 2023，43（1） ：A30- A34 .

1    概述

据统计，全国建筑运行能耗约占社会总能耗的 23% ，其中北方城镇建筑供暖的能耗占全国建筑运行能耗的20% ^{［ 1 ］} 。 黑龙江省位于我国严寒地区，冬季气温低，供暖期长，供暖能耗高。

外窗是建筑围护结构节能的薄弱环节，其耗热量占建筑耗热量近 50% ，节能设计需要重点关注外窗。刘梦婷 ^{［ 2 ］} 分析了严寒和寒冷地区第四步节能下围护结构传热系数对建筑耗热量的影响，结果表明外窗传热系数对建筑耗热量有很大影响。金虹等 ^{［ 3 ］} 模拟计算了哈尔滨市某多层住宅的供暖能耗，并进行了敏感性分析。结果表明，建筑供暖能耗的前 2 位敏感因素是外窗传热系数、外窗遮阳系数。代金等 ^{［ 4 ］} 对和田地区某典型多层住宅建筑的能耗模拟结果表明，南向窗墙比可适当增大，但不宜大于 0.6 ，南向窗墙比为0.5时建筑能耗最小。周小慧 ^{［ 5 ］} 对严寒地区某住宅建筑能耗模拟的结果表明，通过改变外窗传热系数等参数，可使建筑能耗降低约 21.4% 。

外窗的传热与很多参数相关，包括外窗传热系数（简称传热系数）、外窗遮阳系数（简称遮阳系数）、朝向、窗墙比。本文分析各参数对外窗传热的影响。

2    研究内容

本文采用能耗模拟的方法，分析传热系数、遮阳系数、朝向、窗墙比对外窗传热的影响。用 DeST-h 软件建立房间模型并代入各参数进行模拟计算，研究供暖期外窗的热工性能。

2.1   物理模型简介

在 DeST-h 软件中建立一个单面外墙有窗的房间模型，室外参数选择哈尔滨的气象参数，室内温度取18 ℃。房间长宽均为6 m，层高为3 m，窗台高0 .8 m ，窗高1 .5 m ，窗宽度根据设定的窗墙比而变化。在第3 .1 节和第3 .2 节中探讨遮阳系数、朝向和传热系数对外窗传热的影响，取窗墙比为定值0 .25 ，此时窗宽度为3 m。

除外窗外，其余围护结构各自的参数按照第四步节能标准 JGJ 26 —2018《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》中对严寒地区B区规定的限值选取，在模拟时均不变。建立的建筑模型见图1。

图 1   DeST-h 软件模拟建筑模型

2.2   研究方法

本文利用 DeST-h 软件对外窗进行模拟分析。DeST-h软件是DeST软件中居住建筑的计算模块，能够计算建筑全年的供暖耗热量和能耗，也能以1 h为时间步长计算出各房间逐时耗热量，并计算出逐时外窗散热量和太阳辐射得热量。以1 h为时间步长，研究建筑的动态热特性。

3    模拟结果与分析

3.1   遮阳系数与朝向的影响

哈尔滨位于我国严寒地区 B 区，依据JGJ 26—2018，供暖期取10月20日到次年4月1日，共163 d，其中1月为最冷月。在利用DeST-h软件模拟时，从DeST下载站下载哈尔滨市典型气象年气象参数。通过在哈尔滨市场调研可得，普通3层玻璃遮阳系数最大能达到0.79，Low-E 玻璃遮阳系数最大能达到0.63。将模拟建筑的外窗设置成这2种玻璃，模拟计算太阳辐射得热量。

对南向窗遮阳系数分别取 0.63 和0.79的情况进行分析，1月南向窗逐时太阳辐射得热量模拟结果见图2、3。遮阳系数记为C _S 。

图 2   1 月C _S 为 0.63 的南向窗逐时太阳辐射得热量

图 3   1 月C _S 为 0.79 的南向窗逐时太阳辐射得热量

由图 2 、3可知，南向窗1月存在某些时段逐时太阳辐射得热量较平均值小很多的情况，最大值与最小值差别较大。分析认为，在冬季南向窗可以接收到太阳的直射辐射和散射辐射，直射辐射占大部分，所以受天气变化影响较大；当阳光不充足时，南向窗逐时太阳辐射得热量会骤降。

通过 DeST-h 软件模拟，得到供暖期各月不同遮阳系数南、北向窗月太阳辐射得热量，见表1。

表 1    供暖期各月不同遮阳系数南、北向窗月太阳辐射得热量 ^{［ 6 ］}

由表 1 可知，在哈尔滨供暖期各月中，南向窗月太阳辐射得热量约为北向窗的4 ~ 6倍。增大遮阳系数能增大外窗月太阳辐射得热量，增大遮阳系数时南向窗月太阳辐射得热量的增量较北向窗多，在降低建筑能耗方面效果更明显。从11月到次年3月，南向窗月太阳辐射得热量先减少后增加，最小值出现在供暖期中期；北向窗月太阳辐射得热量则逐渐增加。

以最冷月 1 月代表日期1月20日为例，对比分析不同遮阳系数南向窗逐时太阳辐射得热量和逐时散热量，见表2。其中，南向窗传热系数取1.6 W/ （m ² ·K） ，时段 7 指6 ：00 —7 ：00 ，以此类推。

表 2   1 月20日不同遮阳系数南向窗逐时太阳辐射得热量与逐时散热量

由表 2 可知：一天内，南向窗太阳辐射得热量大于散热量；增大遮阳系数使南向窗太阳辐射得热量增加；7：00之前和18：00之后逐时太阳辐射得热量均为0，逐时太阳辐射得热量的最大值一般出现在11 ：00 —14 ：00 时段，逐时太阳辐射得热量会随当天具体天气状况发生变化。1月20日，由于中午忽然阴天导致直射辐射减少，南向窗太阳辐射以直射辐射为主，因此南向窗中午逐时太阳辐射得热量有所降低。可见，南向窗逐时太阳辐射得热量易受天气变化影响。

3.2   传热系数的影响

在黑龙江省第三步节能标准 DB 23/1270 —2008《黑龙江省居住建筑节能设计标准》中，外窗传热系数限值为1.8 W/ （m ² ·K） ，第四步节能标准 DB 23/1270—2019《黑龙江省居住建筑节能设计标准》中外窗传热系数限值进一步降低。为了分析传热系数、遮阳系数对外窗供暖期散热量、供暖期太阳辐射得热量的影响，选取太阳辐射得热量较大的南向窗进行分析，设定外窗传热系数为1.5、1.6、1.7 W/ （m ² ·K） ， 遮阳系数分别为0.63和0.79。通过DeST-h软件模拟，得到南向窗供暖期散热量和供暖期太阳辐射得热量，见图4。

图 4    南向窗供暖期散热量和供暖期太阳辐射得热量 ^{［ 6 ］}

由图 4 可知：

①在外窗传热系数与遮阳系数依照本节取值时，南向窗供暖期太阳辐射得热量均远大于供暖期散热量。可见，太阳辐射得热量是冬季居住建筑主要得热量之一。

②对南向窗整个供暖期，将遮阳系数从0.63提高到0.79时，太阳辐射得热量增大约235 kW（相当于遮阳系数每提高0.1，增加的南向窗供暖期太阳辐射得热量约为147 kW）。而作为对比，当遮阳系数不变时，将南向窗传热系数从1.7 W/ （m ² ·K） 降到 1.5 W/（m ² ·K） ，每降低 0.1 W/（m ² ·K） ，南向窗供暖期散热量平均只减少约 30 kW 。因此，在黑龙江省，建筑外窗尤其是南向窗的太阳辐射得热量在降低建筑耗热量方面起了重要作用。以往的节能标准只对外窗传热系数提出要求，建议在今后标准修订时加入对外窗遮阳系数的限值要求，在降低传热系数的同时适当增加外窗的遮阳系数。这样可以增加外窗供暖期太阳辐射得热量，对居住建筑进一步节能很有意义。

③遮阳系数也对南向窗供暖期散热量产生少许影响，可能是太阳辐射得热量增加导致南向窗内侧的空气温度升高而影响了传热的原因。

3.3   窗墙比的影响

一般情况下为了减少外窗散热，窗墙比不宜过大，但为了增加冬季太阳辐射得热量，可适当提高南向窗墙比。将模型中的外窗朝向设置为南向，分析不同窗墙比情况下，改变外窗遮阳系数与传热系数对建筑耗热量指标（指建筑供暖期消耗的热量除以建筑面积与供暖期时间的乘积）的影响。

设定外窗遮阳系数分别为0.6、0.7、0.8，传热系数为1.5、1.6、1.7 W/ （m ² ·K） ， 南向窗墙比分别为0.25、0.35、0.45 时，模拟计算结果见图5 ~ 7。

图 5    窗墙比为0.25时不同外窗参数下建筑耗热量指标 ^{［ 6 ］}

图 6    窗墙比为0.35时不同外窗参数下建筑耗热量指标 ^{［ 6 ］}

图 7    窗墙比为0.45时不同外窗参数下建筑耗热量指标 ^{［ 6 ］}

由图 5 可知：当窗墙比取0.25、遮阳系数分别取0.6、0.7、0.8时，传热系数每增加0.1 W/ （m ² ·K） ，建筑耗热量指标平均增加约 0.36 W/m ² 。当传热系数分别取 1.5 、1.6、1.7 W/ （m ² ·K） 时，遮阳系数从 0.6 到0.8每增加0.1，建筑耗热量指标平均减小约0.75 W/m ² 。

由图 6 可知：当窗墙比为0.35、遮阳系数分别为0.6、0.7、0.8时，传热系数每增加0.1 W/ （m ² ·K） ，建筑耗热量指标平均增加约 0.43 W/m ² 。当传热系数分别为 1.5 、1.6、1.7 W/ （m ² ·K） 时，遮阳系数从 0.6 到0.8每增加0.1，建筑耗热量指标平均减小约0.80 W/m ² 。

由图 7 可知：当窗墙比取0.45、遮阳系数分别取0.6、0.7、0.8时，传热系数每增加0.1 W/ （m ² ·K） ，建筑耗热量指标平均增加约 0.49 W/ m ² 。当传热系数分别为1.5、1.6、1.7 W/ （m ² ·K） 时，遮阳系数从 0.6 到0.8每增加0.1，建筑耗热量指标平均减小约0.85 W/m ² 。

结合图 5~7 可知，从节能角度看，减小外窗传热系数，可减小建筑耗热量指标；增大外窗遮阳系数，也可减小建筑耗热量指标。在选取节能外窗时，应综合考虑外窗传热系数和遮阳系数的影响。

在第四步节能目标下，外窗传热系数已经取值较低。当外窗其他参数不变时，在一定范围内增大南向窗墙比，建筑耗热量指标减小。所以在黑龙江省适当增大南向窗墙比是有利于节能的，节能标准中可适当放宽南向窗墙比的限值。

4    结论

外窗耗热量在居住建筑耗热量中占比较大，因此对外窗应用 DeST-h 软件建立计算模型并进行动态逐时分析，计算了在不同外窗参数条件下外窗散热量、外窗太阳辐射得热量和建筑耗热量指标，分析在外窗节能中各参数的影响。主要结论：

①在供暖期内从11月到次年3月，南向窗月太阳辐射得热量先减少后增加，南向窗月太阳辐射得热量约为北向窗的4 ~ 6倍。

②一天内南向窗太阳辐射得热量大于散热量，增大遮阳系数会增加南向窗太阳辐射得热量。

③遮阳系数每提高0.1，增加的南向窗供暖期太阳辐射得热量约为147 kW；传热系数每减小 0.1 W/ （m ² ·K） ，平均减小的南向窗供暖期 散热量约为30 kW。 遮阳系数对外窗太阳辐射得热量影响较大，在选取外窗时，应综合考虑遮阳系数和传热系数。

④在第四步节能目标下，外窗传热系数已取值较低，在一定范围内适当增大南向窗墙比有利于外窗节能。

参考文献：

［ 1 ］清华大学建筑节能研究中心. 中国建筑节能年度发展研究报告2021［M］. 北京：中国建筑工业出版社 ， 2021 ：29，41-42.

［ 2 ］刘梦婷. 严寒和寒冷地区居住建筑第四步节能指标体系研究（硕士学位论文）［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学 ， 2018 ：26-36.

［ 3 ］金虹 ，  张乙川 .  严寒地区住宅围护结构节能性能敏感性分析［J］. 建筑节能 ， 2020（11）：124-128.

［ 4 ］代金 ，  姜曙光 ，  周洋 .  新疆寒冷地区外窗对住宅能耗的影响［J］. 石河子大学学报 （自然科学版） ， 2018（6）：746-752.

［ 5 ］周小慧. 基于DeST-h的东北严寒地区低能耗村镇住宅围护结构优化设计（硕士学位论文）［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015：71-77.

［ 6 ］马翼飞. 黑龙江省居住建筑第四步节能指标体系研究（硕士学位论文）［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学 ， 2020 ：25-44.

（本文责任编辑：李欣雨）

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