严寒地区建筑外窗优化设计及其保温性能研究

赵嵩颖，徐建光，刘星雨

吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118

0 引言

我国严寒地区冬季气候恶劣,建筑能耗高.尽管窗户面积占建筑围护结构表面积的比例较小,但外窗能耗依然是整个建筑物围护结构能耗的重要组成部分.外窗耗热量占到建筑总耗热量30 %左右,如考虑空气渗透耗热量、窗框的温差传热等因素,其总量约占到建筑物采暖总能耗50 %以上[1].因此提高外窗的保温性能对降低建筑物使用能耗具有重大意义.

国内外学者对外窗保温性能研究主要是从玻璃体系、窗框体系的保温性能及窗墙比等影响因素进行研究,但针对我国严寒地区农村旧有窗户,其传热系数大、气密性不好等问题研究相对较少.

本文以降低外窗的传热系数及提高外窗的保温性能为出发点,对严寒地区的建筑外窗进行优化设计,设计一种新型软帘窗,用以提高农村室内温度，提供热舒适环境,并应用Fluent软件模拟软帘窗对室内热环境影响来进一步验证软帘窗的保温性能.

1 软帘窗设计

1.1 设计理念

关于提高外窗的保温性,目前常在玻璃、窗框数量上进行改造,比如增加玻璃的层数或者增加窗户的层数[2].不同条件双玻窗的最佳空气层厚度不一样，一般在12 mm～21 mm之间[3],通常在双玻基础上通过改变夹层厚度、涂上低发射率的涂层等方式进行保温优化,但其密封性不易控制,保温效果不佳.通过增加玻璃层数可以提高外窗保温效果,但造价较高.软帘窗是采用两层柔软、透明的聚乙烯薄膜材料密封形成不流动空气层,整体安装在窗口,这样既不影响可见光进入室内又可以显著提高外窗的保温性能,且价格低廉.

1.2 结构设计

软帘窗结构[4]包括第一框架、夹层框架、第二框架、卷帘仓件、第一窗帘、第二窗帘、卷帘结构以及锁止结构,如图1所示.此软帘窗的工作原理是软帘窗结构包括夹层框架3、第一窗帘105和第二窗帘106;夹层框架3之内限定窗口K 1;在软帘窗结构关闭状态下,第一窗帘105和第二窗帘106被配置成能够分别位于夹层框架3的两侧和被密封压合在夹层框架3的对应侧,以使第一窗帘105、第二窗帘106及夹层框架3共同围成封闭的密封空间.第一窗帘105和第二窗帘106两层窗帘之间的密封空间内形成不流动空气层,从而达到良好的保温效果.且双层窗帘结构的空气渗透大大降低,中间夹有的密封空间内有不流动空气层,减少热传导,只有第一窗帘105与墙之间可能存在热桥,满足无热桥的限制几乎没有,减少热传导;软帘窗的第一窗帘105和第二窗帘106可采用透明材料,软帘窗的结构无需窗框作为支撑结构,不影响采光;另外,软帘可以使用保温帘,晚上减少热辐射.

图1 软帘窗结构剖析示意图Fig.1 Schematic diagram of structureanalysis of soft curtain window

2 软帘窗保温性能模拟分析

2.1 模型的建立

为探究软帘窗的传热特性及保温性能,利用Fluent软件进行模拟分析.利用Fluent进行含空气夹层的窗系统模拟时,二维三维相差率不到1 %[5],因此对外窗系统进行二维简化,双层软帘之间的空气夹层厚度为变量,选取的范围是0.6 cm ～ 3.3 cm,其中两个厚度的差为0.3 cm.

2.2 边界条件设置

边界条件设置考虑严寒地区冬季气候特点,模拟的边界条件[6]如表1所示.模拟的辐射边界条件中,将玻璃表面和PVC表在的发射率分别设为0.84和0.9.

表1 模拟边界条件Table 1 Simulated boundary conditions

2.3 模拟结果分析

软帘间的空气层厚度决定了软帘窗的传热系数.为探究其规律,本模拟选择冬季夜晚工况,软帘窗空气层厚度的选取范围是0.6 cm ～ 3.3 cm,其中两个厚度的差为0.3 cm,在模拟计算时通过观察残差以及冷热表面的热量差,一般残差在10-6以下,冷热表面之间的热量差控制在1 %以下,具体模拟值结果如图2,图3所示.由图2可知,随着空气层厚度的改变,软帘窗内部温度也发生变化.当空气层厚度在0.6 cm～2.4 cm范围内时,空气层温度逐渐升高,说明空气层内部空气流动很小,受对流传热的影响较小.因此,空气层厚度为0.6 cm～2.4 cm时,软帘窗的保温效果逐渐增强,并且当空气层厚度为2.4 cm时保温效果最佳,此时软帘窗室内一侧表面温度为286 K左右.当空气层厚度在2.7 cm～3.3 cm时,空气层温度有一个稳定值,并且空气温度均匀,说明此时空气层内部空气发生流动并参与对流传热,但其保温效果相比空气层厚度为0.6 cm～2.4 cm时明显下降.图3为空气层厚度对软帘窗系统传热系数的影响.由图3可知,当空气层厚度为0.6 cm～2.4 cm时,软帘窗的传热系数逐渐降低,且在2.4 cm处传热系数为2.14 W/(m2·K),此时传热系数最低,相比优化设计前外窗的传热系数降低61.5 %.

图2 空气层厚度对软帘窗传热的影响Fig.2 Effect of air layer thickness on heat transferof soft curtain window

图3 空气层厚度对软帘窗系统传热系数的影响Fig.3 Effect of air layer thickness on heat transfercoefficient of soft curtain window system

3 软帘窗对室内热环境影响的模拟分析

为进一步验证软帘窗的保温性能,分别取白天与晚上两种情况下,模拟分析软帘窗对严寒地区农村室内热环境的影响.

3.1 模型的建立

模拟房间的尺寸为3 900 mm×3 600 mm×2 800 mm(长×宽×高),外窗户尺寸为1 500 mm×1 200 mm(长×高),室内热源为农村火炕.

3.2 模型结果分析

选取Z平面1 m和Y平面1.5 m处作为参考平面. 图4、图5分别是模拟房间在未安装软帘窗时,夜晚人平躺时头顶位置Z=1 m,Y=1.5 m处温度分布图.

图4 夜晚无软帘窗z轴方向中截面(Z=1 m)温度分布(单位:K)Fig.4 Temperature distribution of mid-section(Z=1 m)z axial direction of window withoutsoft curtain at night(unit:K)

图5 夜晚无软帘窗Y轴方向人头顶部位(Y=1.5 m)截面温度分布(单位:K)Fig.5 Temperature distribution of cross section(Y=1.5 m)at the top of top part(Y=1.5 m) section temperaturegdistribution(unit:K)

由图4和图5可知,夜晚前半夜靠近热源的小部分房间区域温度能达到18 ℃,但由于房间温度分布不均,因此室内热环境并没有得到有效地改善.而后半夜火炕产生的热量减少,热源温度降低,此时房间温度普遍在-5 ℃～2 ℃,严重影响了居民的热舒适性.

图6和图7是模拟房间安装软帘窗后,夜晚人平躺时头顶位置Z=1 m,Y=1.5 m处的温度分布图.由图6、图7可知,使用软帘窗后夜晚房间温度普遍在6 ℃～14 ℃,且温度分布较均匀,这有效地改善了室内热环境,和未安装软帘窗时相比较,此时房间温度提高10 ℃以上,这就有效地提高了居民的热舒适性.

图6 夜晚有软帘窗Z轴方向中截面(Z=1 m)温度分布(单位:K)Fig.6 Temperature distribution of mid-section(Z=1 m)z axial direction of soft curtainwindow at night(unit:K)

图7 夜晚有软帘窗Y轴方向人头顶部位(Y=1.5 m) 截面温度分布(单位:K)Fig.7 Temperature distribution of the cross section(Y=1.5 m) at the top of the head Y the axial directionof the soft curtain window at night(unit:K)

图8和图9分别是模拟房间未安装软帘窗时,白天人平躺时头顶位置Z=1 m,Y=1.5 m处温度分布图.由于白天室内未烧火炕,房间大部分温度在10 ℃左右,且靠近外窗区域温度有所降低,因此居民在这样的温度环境下会感到不舒适.

图8 白天无软帘窗Z轴方向中截面(Z=1 m)温度分布(单位:K)Fig.8 Temperature distribution of mid-section(Z=1 m)z axial direction of window withoutsoft curtain during the day(unit:K)

图9 白天无软帘窗Y轴方向人头顶部位(Y=1.5 m)截面温度分布(单位:K)Fig.9 Temperature distribution curtain window duringthe day Y axial direction of the top of the head(Y=1.5 m) section temperature distribution(unit:K)

图10、图11是模拟房间安装软帘窗后,白天人平躺时头顶位置Z=1m,Y=1.5m处温度分布图.由图10、图11可知,使用软帘窗后白天房间大部分区域温度在22 ℃左右,和未安装软帘窗时相比较,此时房间温度提高10 ℃以上,虽然靠近外窗区域温度会有所降低,但这样的热环境已经足够满足居民的需求.

图10 白天有软帘窗Z轴方向中截面(Z=1 m)温度分布(单位:K)Fig.10 Temperature distribution z medium section(Z=1 m) in the axial direction of a soft curtainwindow during the day(unit:K)

图11 白天有软帘窗Y轴方向人头顶部位(Y=1.5 m)截面温度分布(单位:K)Fig.11 Temperature distribution of cross sectionat the top of the head Y the axial direction direction of(Y=1.5 m) a soft curtain window during the day(unit:K)

4 结论

本文对严寒地区农村建筑外窗进行优化设计,设计一种新型的软帘窗,软件模拟分析在白天和夜晚两种情况下软帘窗对室内热环境的影响,得出以下结论:软帘窗的空气层厚度为2.4 mm时,传热系数最低,为2.14 W/(m2·K),保温效果最好.安装软帘窗能使室内温度提升10 ℃以上,明显地提高了外窗的保温性能,从而能有效改善室内热环境,提高室内人员的热舒适性.考虑室内热源为火炕,供热温度分布并不均匀,如热源为地热等方式,供热温度分布均匀,则室内热舒适度会更好.