严寒地区建筑外窗外置式保温装置建筑能耗模拟分析

陈忠海 武新伟 刘宏宝 李 鑫 侯喜英

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

严寒地区建筑外窗外置式保温装置建筑能耗模拟分析

陈忠海 武新伟 刘宏宝 李 鑫 侯喜英

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

外窗是建筑外围护结构中保温性能最薄弱的部位，其长期使用能耗占到整个建筑长期使用能耗的50%以上.因此提高建筑外窗的保温性能对降低建筑物长期使用能耗具有重大意义.在建筑节能中对围护结构的重要部位—外窗采取必要的有效措施可使建筑能耗大大减少.因此，对于措施之一的悬挂外置式保温窗帘的可行性进行具体研究是十分必要的.本文以张家口市某一既有住宅建筑的节能改造为例，利用DeST-h软件分别对住宅建筑外窗设置保温窗帘和不设置保温窗帘两种情况下的采暖季单位建筑面积能耗情况进行模拟分析.并将其能耗值进行对比，通过对比分析在满足既有住宅建筑节能改造造价和节能规范的双重要求下，为严寒地区既有住宅建筑窗户节能改造方法的选择提供相关理论依据.

严寒地区;窗户节能;建筑能耗;DeST-h

0 引 言

外窗是建筑保温、隔热的薄弱环节，是节能的重点部位，在采暖居住建筑的耗热量当中，窗户的传热耗热量与空气渗透耗热量相加约占50%[1].以严寒地区的一幢18层的建筑为例，中和面以下楼层仅空气渗透耗热量占总热负荷比例大致如下：南向房间一楼27%，三楼34%，六楼22%，九楼13%；北向房间一楼32%，三楼35%，六楼31%，九楼22%.为实施建筑节能，实现建筑节能75%标准，提高外窗气密性和保温性能，就成为降低冬季采暖能耗的关键[2].

借鉴外墙通过增加外保温降低传热系数的方法，外窗也可以通过增加外保温达到降低建筑能耗的目的[3].本文通过DeST-h软件模拟，利用软件模拟计算结果得到采暖季采暖能耗的降低率.为在不改变既有建筑原有窗户构造的前提下，投入较少的成本使外窗的热损失降低提供理论依据.

1 外保温窗户的保温效果的增强原因分析

图1 模拟住宅平面图

外窗的传热系数K值大小直接影响着冬季采暖能耗,其外置式保温装置的设置对外窗保温效果的增强有两方面原因:一是外置式保温装置自身有一定的热阻；二是外置式保温装置与窗户之间形成的具有一定厚度的空气间层热阻.此两部分热阻远远大于外窗自身的热阻,因而可以使外窗在夜间起到类同墙体一样的保温效果[4].

2 模拟计算

2.1 选取严寒地区住宅建筑

2.1.1 建筑模型

本文所研究建筑为一幢2单元6层传统建筑，层高3 m，三室两厅一厨一卫.每户面积大约110 m2，建筑总面积约1063 m2，住宅平面图如图1所示.

2.1.2 严寒地区典型气候特征

以张家口市(北纬:40.82°，东经:114.87°)为例，由张家口市室外温度日平均温度、日最高温度、日最低温度三个参数值，依据此三个参数值各天变化曲线图(图2)，以及张家口市各月平均干球温度统计图(图3)所示张家口市最冷月为1月,月平均温度为-13.85 ℃,最热月为7月,月平均温度为18.89 ℃.可以看出张家口市是严寒地区比较有代表性的城市.

图2 张家口市各天干球温度统计图

图3 张家口市各月平均干球温度统计图

2.1.3 建筑物输入条件

建筑物各构件相关参数设置如下：

外墙结构为250 mm加气混凝土砌块+20 mm水泥砂浆+80 mm模塑板保温，传热系数为0.39 w/(m2·k).屋面结构为120 mm钢筋混凝土板+10 mm挤塑聚苯板+20 mm水泥砂浆，传热系数为0.292 w/(m2·k).

滚筒筛筛分质量虽好，但也存在处理能力偏小的缺点。安顺煤矿现有的粒煤振动筛处理能力较大，可以满足煤炭筛分所需。综合考虑振动筛和滚筒筛的优缺点，确定了滚筒筛和振动筛搭配使用的方案，即利用滚筒筛对振动筛筛出的粉煤进行二次筛分，从中筛选出8mm-13mm的块煤。

楼板结构为25 mm水泥砂浆+80 mm钢筋混凝土+20 mm水泥砂浆，传热系数3.055 w/(m2·k).

外窗选用普通中空玻璃(中空3+12A+3 mm)，传热系数2.91 w/(m2·k).在其他围护结构均不变的前提下，外窗安装外置铝合金填充泡沫保温卷帘，在一般通风工况下测得窗系统的传热系数为1.82 w/(m2·k).

2.2 计算方法

本文采用模拟软件DeST-h对张家口市的某一住宅建筑进行了逐时模拟计算.该软件算法采用的是用于分析建筑热状况的状态空间法，此算法是对建筑各个热工部件之间建立热平衡方程的基础上，在空间上将其离散，在时间上保持连续，然后对建筑的热状况进行动态模拟，进而反映出建筑热状况随各种参数以及时间的变化过程[5].

2.2.1 参数设置

建立建筑模型时，将主卧、次卧、客厅设置为空调房间，卫生间和厨房不设置空调.室温上下限值分别设为28 ℃和16 ℃，容忍温度上下限值分别设为29 ℃和16 ℃，湿度上下限分别设为0.65和0.45.最大通风次数5次，自身遮阳系数0.85,气密性为Ⅳ级.模拟过程中冬季采暖时间设置为：11月15日～3月15日.夏季空调的时间设置为：7月15日～8月15日.DeST中的建筑模型如图4、图5所示.

图4 DeST建筑模型平面图

图5 DeST建筑模型立体图

2.2.2 建筑不设置保温窗帘时(K=2.91 w/m2·k)DeST-h模拟计算

此情况模拟空调启停设为全部打开，外窗传热系数为K=2.91 w/m2·k，建筑采暖能耗和空调能耗如表1所示.

设置保温窗帘时，先模拟窗帘全天闭合的情况，DeST中空调启停设为全部打开，这时外窗传热系数设为K=1.82 w/m2·k，建筑采暖能耗和空调能耗如表2所示.

表1 建筑不设保温窗帘时的采暖能耗表

表2 建筑设置保温窗帘全天闭合时的采暖能耗表

由于保温装置不透明，白天会阻碍窗户的采光功能，因此，实际使用铝合金填充泡沫保温卷帘时，保温装置需要有作息时间，即室内无人的状态下和夜间开灯照明状态下或室内人员入睡后关闭.此状态下窗户的传热系数为1.82 w/(m2·k)，白天室内有人的状态下为了满足采光需求，保温窗帘必须开启，此时窗户的传热系数为2.91 w/(m2·k).由于目前的能耗软件还无法做到对建筑外窗一天当中由两个传热系数分时段分传热系数进行模拟计算,因此本文参照相关文献的方法采用空调的作息来控制分时段分传热系数的情况，即在采暖季保温窗帘每天从晚上18∶00关闭次日上午8∶00整开启，空调只在此作息时间内工作，在其他时间内不工作，窗户的传热系数采用1.82 w/(m2·k).在上午8∶00——晚上18∶00保温窗帘保持开启，窗户的传热系数为2.91 w/(m2·k)，空调系统不工作.夏天时保温窗帘工作时间为晚上21∶00——早晨6∶00关闭保温，空调工作.次日早晨6∶00——晚上21∶00窗帘开启，空调不工作.

图6 空调白天工作时间表DeST截图

由图6的空调作息时间表(绿色部分表示空调工作，红色部分表示空调不工作),在白天绿色作息时间内即窗帘开启时外窗传热系数设置为2.92 w/(m2·k)，经模拟计算得建筑采暖能耗如表3所示.

然后模拟空调只在夜间即窗帘闭合时工作的能耗情况，此时外窗的传热系数为1.82 w/(m2·k)，空调作息时间表如图7所示.

经模拟计算得建筑采暖能耗如表所示

表3 空调只在保温窗帘开启时工作的采暖能耗表

表4 空调只在保温窗帘闭合时工作的采暖能耗表

图7 空调夜间工作时间表DeST截图

3 节能效果分析

从以上模拟结果可以看出，选定典型住宅建筑采用普通中空玻璃时采暖季热负荷指标为23.97 W/m2.当在所有围护结构不变的情况下，安装置铝合金填充泡沫保温卷帘后采暖季热负荷指标为17.30 W/m2.即可以看出窗的传热系数由2.91 w/(m2·k)降至1.82 w/(m2·k)，建筑采暖季采暖能耗比不设置保温卷帘采暖季采暖能耗降低27.8%，节能效果非常明显.

当按实际情况即用空调的作息来控制分时段分传热系数的方法模拟时,白天窗户传热系数为2.91 w/(m2·k)，空调仅在白天工作时，建筑采暖季采暖能耗20.69 W/m2.夜间窗户采用保温窗板时传热系数为2.91 w/(m2·k)，空调仅在夜间工作时，建筑采暖季采暖能耗15.78 W/m2.按照时间进行加权平均，两个时段合并为一整天时,由于采暖期各天窗帘关闭14小时，开启10小时，进行时间加权平均得：

则可得出设置保温窗帘时建筑采暖季采暖能耗比不设置时降低25.61%，所以仅仅设置窗户外置保温窗帘节能效果就如此显著.

对于现有的早期建筑，外窗还有部分是钢框或铝合金窗框、单层玻璃的情况，这部分建筑数量庞大，能耗问题突出，通过在建筑物外窗安装保温装置来降低围护结构传热系数、提高气密性，从而减小供暖热负荷的节能改造潜力巨大.

[1]郭兴忠，杨闯，张超，杨辉，杨庭贵.节能门窗热工性能对建筑能耗影响的模拟研究[J].建筑材料学报，2014，17(2)

[2]闫成文，姚健，周燕，叶晶晶.夏热冬冷地区外窗传热系数对建筑能耗的影响[J].重庆建筑大学学报，2008,30(6)

[3]王厚华，庄燕燕，吴伟伟.夏热冬冷地区围护结构热工性能节能分许[J].同济大学学报，2010,38(11)

[4]卢娜，胡瑞，马新淇.寒冷地区外窗对建筑能耗影响研究[J].中国建筑金属结构，2010,(9)

[5]金炜炜，邵明亮.夏热冬冷地区外窗遮阳系数对建筑能耗的影响[J].四川建筑科学研究，2013,39(1)

Cold region building outside the window type insulation device building energyconsumption simulation

CHENZhong-hai,WUXin-wei,LIUHong-bao,LIXin,HOUXi-ying

(Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou,Hebei 075000)

Building outside the window is the weakest in the envelope heat preservation performance parts,its long-term use of the energy consumption can be accounted for over 50% of the energy consumption of the building use for a long time.Thus improve the thermal performance of building outside the window it is of great significance to reduce energy consumption of building use for a long time.To the important parts of the enclosure structure in building energy efficiency,outside the window to take effective measures to make the building energy consumption greatly reduced.Therefore,for one of the measures of suspension feasibility of external curtain is specific research is very necessary.Based on the existing residential building energy-saving reform,for example,zhangjiakou respectively using DeST-h software set insulation for residential building outside the window curtain and not set insulation curtain two season heating energy consumption per unit floor area of simulation analysis.And compare the values of energy consumption,through the analysis in the energy-saving reform of existing residential buildings,energy conservation and cost required by the specification,for cold area provided for selection of existing residential building energy-saving Windows modification measures.

Severe cold area;Window energy saving;Building energy consumption;DeST-h

2016-11-20

陈忠海(1963-)，男，教授，研究方向：室内环境与空调技术.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.020

TU 833

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