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【摘 要】 窗户是一个独特的围护结构件,在围护结构体中散热量最大的部位,本文对外窗的影响因素及开窗面积进行分析,提出了合理开窗及节能之间的关系。
【关键词】 建筑窗户;影响开窗因素;面积因素;朝向
【中图分类号】 TU834.35 【文献标识码】 D【文章编号】 1727-5123(2010)03-072-02
Reasonable opening windows for housing project and energy-saving winter
【Abstract】 Window envelope is a unique piece, the body heat in the envelope the largest part, this window of the external factors
and the opening area analysis and the reasonable relationship between the windows and energy saving.
【Key words】 Building windows;Impact factor of opening window;Area factor;Towards
在建筑住宅工程中窗户是不可缺少的,它是一个独特的围护结构件,一方面它是人们进行室内外沟通的渠道,当有太阳照射及自然光照进室内时,又能看到室内外物景达到人们心理的需求。所以大窗户,落地窗及外飘窗采用比较多起来,窗框的材料也丰富多彩,PVC塑料窗、铝合金窗、玻璃钢窗、断热铝合金窗,不锈钢窗要有尽有,品种繁多。另一方面它又阻档外部自然环境变化对室内的影响,但窗的保温隔热性能较差,窗缝隙是冷空气渗透的通道,是房屋围护体中热交换最活跃,最敏感的部位,其热损失占建筑物总能耗玷40%左右。所以窗户承担着沟通与隔绝室内外两种互相矛盾的功能,改善窗的保温隔热性能是节省能源,提高舒适度的一个重要环节。如果居住者喜爱宽敞亮丽的视觉环境,沐浴冬季阳光的同时,又不造成对能源的浪费,对此浅作分析探讨。
1窗户在外围护体中节能作用
现在各地区的建筑工程都重视了节能的设计和施工,但总体来说节能工作同发达国家相比仍有较明显的差距。同样建筑面积的居住房屋要实现相同的采暖.制冷效果,而耗能量是发达国家的至少3倍以上。在国际上建筑能牦与工业农业.交通.运输能耗同样重要,属于民生能耗,所占全国总能耗的比例,西方发达国家一般为30～40%,我国目前建筑能耗大约占社会总能耗的30%左右,随着城市化进程的加快,这个比例会更加增大。
在夏热冬冷地区建筑能耗中,冬季采暖和夏季空调能耗占了绝对多数,尤其以冬季采暖最为多。在冬季采暖能耗中,通过外窗的热损失占很大比例,以北方地区住宅建筑中3单元6层楼的粘土空心砖墙体,砼楼板结构的住宅为对象,通过外窗的传热损失,空气渗透热损失之和,约占热损失的40%以上。因此,提高外窗的保温性能是降低冬季采暖能耗的主要问题。同时要增大南向窗的面积,提高房屋太阳辐射时间有利于节能,但热损失也在增加,两者之间如何平衡还要经过应用实践,经过分析并根据当地气候特点来确定。
2影响外窗冬季保温隔热原因
2.1外窗的气密性能:一般情况是外窗的气密性等级越高,热损失则越小。一般窗缝渗透量约为4.3m3/(m.K)属于1级,如果采用3级窗,可以减少房间冷风热损失的40%;若是采用4级窗,可以减少热损失60%;若是采用5级窗,可以减少这项能耗热损失80%以上。现在造成大面积外窗高能耗的主要原因还是窗的气密性能太差,使通过窗的缝隙渗透入室内的冷空气增多,而室内热量损失也在加大。一般多层砖砌体住宅因冷风渗透消耗的热量达到建筑物耗热总量的28～30%。为此提高窗户气密性必须引起高度重视。
外窗的气密性与窗扇开启形式及窗的施工安装质量密封条件相关。窗扇开启方式主要有:推拉窗、平开窗。因推拉窗使用后密封毛条磨损造成上.下空隙加大空气流动性也加大。另外推拉窗关闭时两个扇不在同一平面,而两个窗扇之间没有密封的压力存在,只是依靠毛条进行重叠搭接,形成对流现象,因此推拉窗的构造缺陷造成的气密性大量损失,不属于节能窗的选择使用。平开窗窗扇关闭以后,密封橡胶条压的很紧,周围缝隙严密很难形成对流现象。从结构上看平开窗要比推拉窗有较大的节能优势。但平开窗的不足之处是外平开窗受大风影响,仔在安全隐患,如果采用内平开窗时又占用室内空间。应该在新建或者既有住宅房屋改造时为了节能还是采用平开窗。
2.2外窗的传热系数:外窗的传热系数是指在相对平稳环境下,窗户两侧空气温差为1K.1h内通过1m2表面积传递的热量。外窗的传热系数越大,在冬季通过外窗的热传损失也越太。夏热冬冷某地区几种常用外窗的传热系数见表1。
表1几种常用外窗的传热系数
从表中看出:非金属窗的保温性能明显优于金属窗;中空玻璃窗和双层窗明显优于同类框型材的单玻窗:铝合金断热窗的保温性能明显优于框未断热的铝合金窗:用钢质或铝材作窗框时,如不做断热处理,窗的传热系数较高不宜做为节能用。现在木材资源缺少受气候影响容易变形,所以采用PVC塑料窗比较合适。目前住宅建筑中许多是单框中空PVC塑料窗,热导系数低于2.5W/(m2.K),符合节能要求,冬季太阳辐射光透过率也高。如果采用Low-E低辐射中空玻璃PVC塑料窗,可使热导系数低于1.7W/(m2.K),节能效果达75%。
2.3外窗的安装位置影响:因外窗的洞口周围热桥的存在,通过外窗的实际传热系数要大于窗体本身的传热系数,应将这部分由窗洞口热桥引起的传热系数称作为窗户附加传热系数,用ΔK表示,即:
Kzc=KcT+ΔKΔK=2(r1L+r2h)/Lh
式中:Kzc ——整窗传热系数,W/(m2.K)
KcT ——窗本身的传热系数,W/(m2.K)
r1——窗上、下侧热桥线性传热系数,W/(m2.K)
r2——窗左、右侧热桥线性传热系数,W/(m2.K)
L——窗洞宽度,m
h——窗洞高度,m
窗户附加传热系数ΔK与窗在洞口上的安装位置有关。在传统的墙体中,窗户居中时附加传热系数最小,在内外保温,夹芯保温墙体中,窗户紧靠保温层安装,窗户的附加传热系数最小。
1.4外窗的设置面积大小:正常是外窗的传热系数要大于外墙传热。应该是外窗的面积越小热损失也越少。为此建筑设计规范规定了各不同方向外窗的最大窗墙比面积规定。根据“民用建筑节能设计标准”和“采暖居住建筑部分”的具体要求,窗户面积不宜过大,不同朝向窗墙比面积应当符合:北向窗墙比面积不应大于0.25;东西向窗墙比面积不应大于0.3;南向有阳台的窗墙比面积不应大于0.35;南向无阳台,且采用中空玻璃窗或双层窗时,窗墙比面积不应大于0.45。这些比例只是满足采光和日常采暖用,并没有考虑辐射得热。现在一般住宅建筑南向窗都超过上述比例,提高太阳辐射也利于建筑节能。
3开窗面积与冬季保温
假定单元住宅中间层主卧室开间3.6m,进深4.5m,层高3.0m;外墙为240mm空心砖,内外抹灰层厚度20mm,外侧采用阻燃型聚苯板厚度为40mm,材料导热系数:砖墙为0.58;聚苯板为0.042修正系数1.2,水泥砂浆为0.93。窗户采用PVC塑料单框中空玻璃平开窗,窗本身传热系数2.6W/(m2.K),安装在洞口中间位置,在窗左右侧线性附加传热系数0.5W/(m2.K),窗上、下侧线性附加传热系数0.4W/(m2.K)。施工过程中对框和洞口之间密封良好,冷风渗透热损失还是取决于窗的密封性能。
外窗设计尺寸高×宽分别为:1.5x1.2m;1.5x1.5m;1.5x1.8m;1.5x2.1m;1.5x2.4m计5个规格。窗的气密性指标分别取:1级为15m3/(m2.h),3级为6m3/(m2.h),5级为1.5m3/(m2.h) 。根据开窗尺寸和气密性不同情况,分析其净得热情况。
外墙的传热系数Kp为:
Kp=1/Ri+ΣR+Re=1/0.11+(0.24/0.58)+(0.04/0.042X1.2)+(0.04/0.93)+0.04=0.72W/(m2.K)
再根据公式ΔK=2(r1L+r2h)/Lh求得附加传热系数,再按公式Kzc=KcT+ΔK求整窗传热系数。单位时间内通过外窗和墙的总传热量:QCR为: QCR=(ti-to)(KZGFG+εiKpFp)
单位时间内通过外窗的冷风渗透热损失QST为:
QST=(ti-to)CprLhq2
式中:ti——室内计算温度,K
to——采暖期室外平均温度,K
εi——传热系数修正值,取0.79
Cp——空气比热容,取0.28W.h/(kg.K)
r——空气密度,kg/m3(to=1℃时,r=1.29kg/m3)
q2——单位面积空气渗透量,m3/(m2.h)
单位时间内,通过外窗和墙的总传热量损失Q2为:
Q2=QCR+QST
通过上述计算,其热损失见表2。
表2通过外窗和墙的总传热量及渗透损失
从表2可以看出,提高窗户的气密性,可以有效的降低冷风渗透的热损失,但室内需要一定的换气通风,只有另设换气风窗,通过机械排风回收空气热余量达到节能。进入冬季太阳高度角较低,外窗框安装在墙洞中间位置,窗洞口阴影主要投射在窗框上,对光线的遮挡主要是窗户自身框墙面积比,取0.35则室内通过窗户获得的太阳辐射日平均达0.65x140FC(FC为外窗面积)。
在冬季不同尺寸,不同气密性外窗设计的南向外墙净得热情况见表3。从表3可以看出,随着气密性的提高,建筑能耗显著降低。气密性为1级时,窗面积增大,建筑能耗增加,气密性为3级时,建筑能耗随窗面积增大而减少,效果并不明显。当窗宽由1.2m增至2.4m同比节能3.6%;气密性为5级时,随着窗面积增大,节能效果明显达到同比节能55%,上面分析是针对住宅建筑在南北向无遮挡情况下进行,在实际应用中并不多,多数房屋受到前后排建筑物不同的遮挡,此时日照不足,即使窗的气密性较高,窗面积增大建筑能耗也会增大。此时应按照规范在满足采光要求前提下尽量减小外窗面积。
综上浅述,通过对夏热冬冷地区开窗大小与建筑节能关系的分析,建筑外窗的传热系数和气密性对建筑节能有大的影响,使用普通窗时面积增大更加不利。当太阳资源较好房屋之间遮挡也少时,如采用传热系数低,气密性高的外窗并增大南
表3外窗设计的南向外墙净得热情况
外窗面积,充分利用太阳辐射热可以降低采暖能耗,达到既有明亮视野又不浪费能源目的,提高居住环境质量,
参考文献
1涂逢祥.节能窗技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2004
2曹立辉等.天津地区居住建筑合理开窗与冬季节能关系[J].建筑技术,2005(10):762～765
3付祥钊.夏热冬冷地区建筑节能技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2003
【关键词】 建筑窗户;影响开窗因素;面积因素;朝向
【中图分类号】 TU834.35 【文献标识码】 D【文章编号】 1727-5123(2010)03-072-02
Reasonable opening windows for housing project and energy-saving winter
【Abstract】 Window envelope is a unique piece, the body heat in the envelope the largest part, this window of the external factors
and the opening area analysis and the reasonable relationship between the windows and energy saving.
【Key words】 Building windows;Impact factor of opening window;Area factor;Towards
在建筑住宅工程中窗户是不可缺少的,它是一个独特的围护结构件,一方面它是人们进行室内外沟通的渠道,当有太阳照射及自然光照进室内时,又能看到室内外物景达到人们心理的需求。所以大窗户,落地窗及外飘窗采用比较多起来,窗框的材料也丰富多彩,PVC塑料窗、铝合金窗、玻璃钢窗、断热铝合金窗,不锈钢窗要有尽有,品种繁多。另一方面它又阻档外部自然环境变化对室内的影响,但窗的保温隔热性能较差,窗缝隙是冷空气渗透的通道,是房屋围护体中热交换最活跃,最敏感的部位,其热损失占建筑物总能耗玷40%左右。所以窗户承担着沟通与隔绝室内外两种互相矛盾的功能,改善窗的保温隔热性能是节省能源,提高舒适度的一个重要环节。如果居住者喜爱宽敞亮丽的视觉环境,沐浴冬季阳光的同时,又不造成对能源的浪费,对此浅作分析探讨。
1窗户在外围护体中节能作用
现在各地区的建筑工程都重视了节能的设计和施工,但总体来说节能工作同发达国家相比仍有较明显的差距。同样建筑面积的居住房屋要实现相同的采暖.制冷效果,而耗能量是发达国家的至少3倍以上。在国际上建筑能牦与工业农业.交通.运输能耗同样重要,属于民生能耗,所占全国总能耗的比例,西方发达国家一般为30～40%,我国目前建筑能耗大约占社会总能耗的30%左右,随着城市化进程的加快,这个比例会更加增大。
在夏热冬冷地区建筑能耗中,冬季采暖和夏季空调能耗占了绝对多数,尤其以冬季采暖最为多。在冬季采暖能耗中,通过外窗的热损失占很大比例,以北方地区住宅建筑中3单元6层楼的粘土空心砖墙体,砼楼板结构的住宅为对象,通过外窗的传热损失,空气渗透热损失之和,约占热损失的40%以上。因此,提高外窗的保温性能是降低冬季采暖能耗的主要问题。同时要增大南向窗的面积,提高房屋太阳辐射时间有利于节能,但热损失也在增加,两者之间如何平衡还要经过应用实践,经过分析并根据当地气候特点来确定。
2影响外窗冬季保温隔热原因
2.1外窗的气密性能:一般情况是外窗的气密性等级越高,热损失则越小。一般窗缝渗透量约为4.3m3/(m.K)属于1级,如果采用3级窗,可以减少房间冷风热损失的40%;若是采用4级窗,可以减少热损失60%;若是采用5级窗,可以减少这项能耗热损失80%以上。现在造成大面积外窗高能耗的主要原因还是窗的气密性能太差,使通过窗的缝隙渗透入室内的冷空气增多,而室内热量损失也在加大。一般多层砖砌体住宅因冷风渗透消耗的热量达到建筑物耗热总量的28～30%。为此提高窗户气密性必须引起高度重视。
外窗的气密性与窗扇开启形式及窗的施工安装质量密封条件相关。窗扇开启方式主要有:推拉窗、平开窗。因推拉窗使用后密封毛条磨损造成上.下空隙加大空气流动性也加大。另外推拉窗关闭时两个扇不在同一平面,而两个窗扇之间没有密封的压力存在,只是依靠毛条进行重叠搭接,形成对流现象,因此推拉窗的构造缺陷造成的气密性大量损失,不属于节能窗的选择使用。平开窗窗扇关闭以后,密封橡胶条压的很紧,周围缝隙严密很难形成对流现象。从结构上看平开窗要比推拉窗有较大的节能优势。但平开窗的不足之处是外平开窗受大风影响,仔在安全隐患,如果采用内平开窗时又占用室内空间。应该在新建或者既有住宅房屋改造时为了节能还是采用平开窗。
2.2外窗的传热系数:外窗的传热系数是指在相对平稳环境下,窗户两侧空气温差为1K.1h内通过1m2表面积传递的热量。外窗的传热系数越大,在冬季通过外窗的热传损失也越太。夏热冬冷某地区几种常用外窗的传热系数见表1。
表1几种常用外窗的传热系数
从表中看出:非金属窗的保温性能明显优于金属窗;中空玻璃窗和双层窗明显优于同类框型材的单玻窗:铝合金断热窗的保温性能明显优于框未断热的铝合金窗:用钢质或铝材作窗框时,如不做断热处理,窗的传热系数较高不宜做为节能用。现在木材资源缺少受气候影响容易变形,所以采用PVC塑料窗比较合适。目前住宅建筑中许多是单框中空PVC塑料窗,热导系数低于2.5W/(m2.K),符合节能要求,冬季太阳辐射光透过率也高。如果采用Low-E低辐射中空玻璃PVC塑料窗,可使热导系数低于1.7W/(m2.K),节能效果达75%。
2.3外窗的安装位置影响:因外窗的洞口周围热桥的存在,通过外窗的实际传热系数要大于窗体本身的传热系数,应将这部分由窗洞口热桥引起的传热系数称作为窗户附加传热系数,用ΔK表示,即:
Kzc=KcT+ΔKΔK=2(r1L+r2h)/Lh
式中:Kzc ——整窗传热系数,W/(m2.K)
KcT ——窗本身的传热系数,W/(m2.K)
r1——窗上、下侧热桥线性传热系数,W/(m2.K)
r2——窗左、右侧热桥线性传热系数,W/(m2.K)
L——窗洞宽度,m
h——窗洞高度,m
窗户附加传热系数ΔK与窗在洞口上的安装位置有关。在传统的墙体中,窗户居中时附加传热系数最小,在内外保温,夹芯保温墙体中,窗户紧靠保温层安装,窗户的附加传热系数最小。
1.4外窗的设置面积大小:正常是外窗的传热系数要大于外墙传热。应该是外窗的面积越小热损失也越少。为此建筑设计规范规定了各不同方向外窗的最大窗墙比面积规定。根据“民用建筑节能设计标准”和“采暖居住建筑部分”的具体要求,窗户面积不宜过大,不同朝向窗墙比面积应当符合:北向窗墙比面积不应大于0.25;东西向窗墙比面积不应大于0.3;南向有阳台的窗墙比面积不应大于0.35;南向无阳台,且采用中空玻璃窗或双层窗时,窗墙比面积不应大于0.45。这些比例只是满足采光和日常采暖用,并没有考虑辐射得热。现在一般住宅建筑南向窗都超过上述比例,提高太阳辐射也利于建筑节能。
3开窗面积与冬季保温
假定单元住宅中间层主卧室开间3.6m,进深4.5m,层高3.0m;外墙为240mm空心砖,内外抹灰层厚度20mm,外侧采用阻燃型聚苯板厚度为40mm,材料导热系数:砖墙为0.58;聚苯板为0.042修正系数1.2,水泥砂浆为0.93。窗户采用PVC塑料单框中空玻璃平开窗,窗本身传热系数2.6W/(m2.K),安装在洞口中间位置,在窗左右侧线性附加传热系数0.5W/(m2.K),窗上、下侧线性附加传热系数0.4W/(m2.K)。施工过程中对框和洞口之间密封良好,冷风渗透热损失还是取决于窗的密封性能。
外窗设计尺寸高×宽分别为:1.5x1.2m;1.5x1.5m;1.5x1.8m;1.5x2.1m;1.5x2.4m计5个规格。窗的气密性指标分别取:1级为15m3/(m2.h),3级为6m3/(m2.h),5级为1.5m3/(m2.h) 。根据开窗尺寸和气密性不同情况,分析其净得热情况。
外墙的传热系数Kp为:
Kp=1/Ri+ΣR+Re=1/0.11+(0.24/0.58)+(0.04/0.042X1.2)+(0.04/0.93)+0.04=0.72W/(m2.K)
再根据公式ΔK=2(r1L+r2h)/Lh求得附加传热系数,再按公式Kzc=KcT+ΔK求整窗传热系数。单位时间内通过外窗和墙的总传热量:QCR为: QCR=(ti-to)(KZGFG+εiKpFp)
单位时间内通过外窗的冷风渗透热损失QST为:
QST=(ti-to)CprLhq2
式中:ti——室内计算温度,K
to——采暖期室外平均温度,K
εi——传热系数修正值,取0.79
Cp——空气比热容,取0.28W.h/(kg.K)
r——空气密度,kg/m3(to=1℃时,r=1.29kg/m3)
q2——单位面积空气渗透量,m3/(m2.h)
单位时间内,通过外窗和墙的总传热量损失Q2为:
Q2=QCR+QST
通过上述计算,其热损失见表2。
表2通过外窗和墙的总传热量及渗透损失
从表2可以看出,提高窗户的气密性,可以有效的降低冷风渗透的热损失,但室内需要一定的换气通风,只有另设换气风窗,通过机械排风回收空气热余量达到节能。进入冬季太阳高度角较低,外窗框安装在墙洞中间位置,窗洞口阴影主要投射在窗框上,对光线的遮挡主要是窗户自身框墙面积比,取0.35则室内通过窗户获得的太阳辐射日平均达0.65x140FC(FC为外窗面积)。
在冬季不同尺寸,不同气密性外窗设计的南向外墙净得热情况见表3。从表3可以看出,随着气密性的提高,建筑能耗显著降低。气密性为1级时,窗面积增大,建筑能耗增加,气密性为3级时,建筑能耗随窗面积增大而减少,效果并不明显。当窗宽由1.2m增至2.4m同比节能3.6%;气密性为5级时,随着窗面积增大,节能效果明显达到同比节能55%,上面分析是针对住宅建筑在南北向无遮挡情况下进行,在实际应用中并不多,多数房屋受到前后排建筑物不同的遮挡,此时日照不足,即使窗的气密性较高,窗面积增大建筑能耗也会增大。此时应按照规范在满足采光要求前提下尽量减小外窗面积。
综上浅述,通过对夏热冬冷地区开窗大小与建筑节能关系的分析,建筑外窗的传热系数和气密性对建筑节能有大的影响,使用普通窗时面积增大更加不利。当太阳资源较好房屋之间遮挡也少时,如采用传热系数低,气密性高的外窗并增大南
表3外窗设计的南向外墙净得热情况
外窗面积,充分利用太阳辐射热可以降低采暖能耗,达到既有明亮视野又不浪费能源目的,提高居住环境质量,
参考文献
1涂逢祥.节能窗技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2004
2曹立辉等.天津地区居住建筑合理开窗与冬季节能关系[J].建筑技术,2005(10):762～765
3付祥钊.夏热冬冷地区建筑节能技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2003