低能耗房屋中窗户面积的优化选择

学术论文 2007-10-11 23:54:01

吴  佳,王恩茂

    摘  要:应用全年能耗模拟软件,分别用不同面积、类型的窗户玻璃对一栋住宅楼进行模拟计算,得到不同窗户玻璃在不同朝向的能耗,以及保持室内温度在20~26℃所需的最大能源。模拟结果表明:在低能耗房屋中南向节能窗户的面积不是冬季采暖能耗的主要影响因素,而与夏季制冷能耗密切相关。因此,扩大北向窗户的面积,可获得更好的采光效果。从节能的角度出发,存在一个理想的南向窗户面积。
    关键词:节能窗户;窗户面积;低能耗建筑;模拟建筑
    中图分类号:TUl l  文献标识码:A  文章编号:1004一7948(2007)05一0042一03

    1引言
    低能耗建筑是指根据当地的气候特点,采用先进的建造技术和材料,对作用于建筑物的声、光、热等自然因素进行系统调节,从而最大限度地减少自然因素对居住舒适度和健康的不利影响,最大限度地降低建筑采暖和刺冷的能源消耗,最大限度地使室内自然温度近于或保持在人体舒适温度20~26℃范围内[1]
    窗户作为建筑围护结构的开口部位之一,它在建筑中除了满足房间采光、通风、遮阳、抗风雨、挡噪声等功能之外,还作为围护结构中的轻质、薄壁、透明构件担负保温和隔热的功能。窗户在太阳能辐别作用下,使建筑能获得一定的自然资源,并使围护结构的热能耗有所减少。然而受窗户影响的采暖、空调、照明能耗往往占到整个建筑能耗的一半左右。因此,要使用不同类型的窗户玻璃以在经济和节能之间找到适当的平衡点,确立合理的窗墙面积比,使窗户的各项功能得以充分的发挥。
    一般公认的建造方法是选用面积小的窗户朝北,面积大的窗户朝南,这是为了使北面的热量损失减到最小,同时在南面获得尽可能多的太阳能辐射。但是,节能窗户的应用使得窗户面积对冬季采暖能耗的影响减弱,但仍为夏季制冷能耗的主要影响因素。因此,在保证居住建筑能耗平衡的前提下,适当减小南向窗户的面积,同时增大北向窗户的面积,可以使在实践中常不能满足住户对昼光环境的需求以及夏季室内温度过高等问题得到缓解。
    2低能耗房屋中窗户面积优化选择的研究方法
    为了解低能耗房屋中窗户玻璃面积对能耗平衡的影响,建立一个多层连排结构建筑模型,利用DOE-2程序逐时动态模拟模型的耗能量,得出了模型的采暖和制冷能耗[2]。文章主要研究建筑模型的窗墙比与能耗的关系,在研究中充分考虑了不同朝向、不同地点的影响。为简便计算,该建筑模型采用绝热性能良好的外墙并且安装了新型双层镀膜节能玻璃窗,采暖能耗相对较低,室内温度通过被动方式(即从居住者自身、房屋使用的家电设备和太阳能获得热量)可以保持在一个相对舒适的水平。
    2.1建筑模型
    模拟建筑位于夏热冬冷地区,建筑高20m,为7层住宅楼,原始模型为南向窗户面积较大,当建筑无遮挡时,南向窗在冬季可以接收相当大的太阳能辐射。在建筑模型的北面,窗户面积相对较小,以使热量损失减到最小。模拟建筑外墙采用加厚的绝热层,隔热墙的传热系数为0.19W/(m2•k),忽略围护结构其他因素对窗户得热的影响。模拟建筑中所有窗户都采用新型节能窗户。遮阳板宽0.5m,模拟模型中,其他外部遮阳设施,例如树木,周围建筑等未加考虑。
    2.2研究内容
    本文的主要研究内容为夏热冬冷地区建筑在不同朝向时窗墙比对建筑能耗的影响。由于窗玻璃材料的热工性能不同,对建筑的室内采暖和制冷都有很大的影响。为简便计算,整个模拟建筑安装了双层镀膜玻璃窗户,其内、外两层玻璃均为6mm的镀银膜玻璃,两层玻璃间填充氨气,其热工性能见表1。

    模拟住宅建筑户均占地面积约100m2,原始设计北向窗墙面积比为0.20,南向窗墙面积比为0.43。在其他外部条件均相同的情况下,分别装配7种不同类型的窗户:(1)原始设计的双层Low-E玻璃窗户;(2)使用普通双层透明玻璃,面积不变;
    (3)增加南向窗户面积30%;(4)减小南向窗户面积20%;(5)减小南向窗户面积50%;(6)南向无窗户;(7)南北两向均无窗户。
    3窗户面积优化选择的研究结果
    3.1玻璃窗户各朝向引起的能耗构成分析
    在模型中,为简便计算仅考虑了窗玻璃面积的增加而窗框面积保持不变。
    模拟建筑标准层各朝向玻璃窗户年均采暖和制冷能耗如图1所示。通过对模型在夏热冬冷地区的气候条件下进行模拟,从图1中可以明显看出,房间南向大面积的节能窗户,采暖能耗相对较小,但制冷能耗显著增加。东、西两向的窗户对能耗平衡的影响并不显著。因此,适当增大北向窗户面积,减小南向窗户面积,在各朝向之间可以更灵活地分配窗户面积。

    3.2不同窗户玻璃引起的能耗构成分析
    因东、西两向的窗户面积大小对能耗平衡影响不显著,现仅对南、北两向进行模拟,得到不同类型、面积的玻璃窗户引起的全年能耗,见图2。

    从图2中可以看出,如果南向窗户采用普通双层透明玻璃代替现有的Low-E玻璃,那么其房间的采暖能耗将增加一倍左右。当南向窗玻璃面积增加30%时,冬季采暖能耗增加并不显著,但在夏季的制冷能耗比原始设计增加了近一半,可见大面积南向节能窗户的使用带来了更多的能耗需求。对比模型中南向无窗户的情况,使用节能窗户可以提供比高性能隔热墙更好的保温效果,这是因为玻璃可以采集和利用太阳能,从而在室内温度低于室外温度时收集太阳能辐射为房间加热,使得冬季采暖能耗降低。对于南、北两向都无窗户的情况,可以看出这将是最节能的建造方式,却不切实际。
    隔热效果良好的Low-E玻璃、隔热墙以及高效的通风系统,能使房间能源需求达到最小,所以减小南向窗玻璃面积20%~50%,并不影响全年的采暖需求。并且,房间的最大采暖能耗一般发生在冬季,此时太阳能辐射为一年中最低时期,大面积南向窗户不能充分利用太阳能,对房屋的采暖能耗的贡献较小。
    因此,考虑到建筑每年的能源需求以及为保持理想的空间温度而需要的最大能源,一个理想的窗户面积应介于原始面积和其减少50%面积之间。在这种情况下,如果能源需求可以减少,那么采暖和制冷系统的安装、维修、使用的费用也可以相应减少。
    3.3夏、冬两季能耗峰值负荷对比
    在表2中列出冬季、阴天、当室外温度在-4~0℃[4]之间变动时,不同窗户面积的采暖负荷。在模型中较小面积和较大面积的窗户(即减小窗户面积20%和增加窗户面积30%)对室内温度的影响不明显。使用大面积的南向双层普通透明玻璃窗户造成最高的高峰负荷。对于南、北两向无窗户的情况,将产生一个更低的高峰负荷情况。

    在冬季、晴天、室外温度为-9~-5V[4]变化时,不同面积窗户的采暖负荷如表2所示。采暖高峰负荷在不同面积的窗户之间的变动情况仍较为相似,但对比其他情况使用大面积普通双层透明玻璃的窗户在早晨需要较高的采暖能源。通过对比模型中南向没有窗户和南、北向均无窗户可以得出,一年中的所有时间内太阳辐射通过北向窗户对房间的辅助加热作用微弱。从表2中可以看出,在正午时分,低能耗房屋在安装双层Low-E玻璃的情况下,几乎不需要采暖供给,就可以使室内温度保持在适宜的水平,而在南向没有窗户以及南北两向均没有窗户的情况下,仍需要较高的采暖供给,再一次验证上述两种情况的不可行性。
    在夏季制冷负荷成为主要的能源消耗,在模型中没有采用额外的通风设备,所得数据应比实际情况呼的制冷负荷略高。在表2中显示当室外温度在17~29℃[4]变化时,模型中南、北向均没有窗户将产生最们的制冷负荷。而不同面积的窗户之间能源消耗最大配差异在于增加30%玻璃面积的窗户比减少50%玻璃正积的窗户需要超过2倍的制冷能耗。
    4结论
    一个中等面积的低能耗房屋装配了新型节能窗户,其墙体自身良好的隔热性能减少了为保持房间温度而需要的太阳能辐射,并且排房由于其墙体系数较容易控制在0.30以下,便于将建筑物的耗热量指标控制在规定水平。
    对于模拟建筑,其高峰负荷尤为重要。据资料显示,这类房屋由1kW的加热器加热,窗户的面积并不显著影响采暖高峰负荷。然而,使用大面积南向窗户迫使增加通风频率,在夏季增加制冷能耗,提高制冷高峰负荷。
    从能源的角度出发,可以得到南向窗户的理想面积。这个理想面积大于原始设计面积的一半,且小于原始设计面积。由于通过窗户获得的太阳能辐射对房间的采暖至关重要,所以不应减小总窗户面积。若减小总窗户面积将显著减少可利用的日光能源。在保证总窗户面积的前提下,才能使得在不同朝向和不同空间分配窗户面积成为可能,而且大面积南向窗户对于采暖能耗及其高峰负荷的影响并不显著。
    仅从制冷能耗来看,理想状态的窗户面积应该是减少南向窗户的面积至零,但是这是不切实际的。相反,在春、秋季使用遮蔽设备对制冷能耗是一个很好的补充。在夏季,太阳能辐射增多,选择南向大面积窗户将无形中提高制冷能耗,不利于节能。
    通过上述模拟窗户面积和类型对能源消耗的影响,可得出以下结论:
    (1)高性能的节能窗户的节能效果显著,模型中采用的Low-E玻璃传热系数为0.5~1.5W/(m2•K),与传热系数2.8W/(m2•K)的普通双层窗相比,有显著的保温效果,配合可调外遮阳系统节能效果更为显著。
    (2)控制、缩减北向窗户的面积对节能并不是主要影响因素,相反南向窗户的面积可以在现行基础上进行缩减,从而使建筑在选择窗户的朝向和面积时有更大的灵活性。
    (3)综合考虑采暖和制冷能耗等相关因素,南向窗户的理想面积应小于原始设计面积,且大于原始设计面积的50%[6]。

参考文献
[1]哲兮,魁严.“绿色建筑”首推^***教材—清华欲建中国首栋超低能耗房屋[J].安家,2003,(3):55一57.
[2]侯余波,付祥钊.夏热冬冷地区窗墙比对建筑能耗的影响[J].建筑技术,2001,32,(10):8一9.
[3]李雨桐,卜增文,刘俊跃,等.深圳地区不同朝向窗户玻璃的优化选择[J].建筑节能,2005,43:146一150.
[4]张晴原,Joe Huang.中国建筑用标准气象数据库[M].北京:机械工业出版社,2004.


 

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