外窗保温对居住建筑采暖空调能耗和节能影响

我国行业标准《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》(JGJ 134-2001)第四章”建筑和建筑热工节能设计”中，对外窗热工性能作了如下规定：

4.0.4 ：外窗(包括阳台门的透明部份)的面积不应过大。不同朝向、不同窗墙面积比的外窗其传热系数应符合表4.0.4的规定。(表4.0.4略)

4.0.6 外窗宜设置活动外遮阳。

该标准对外窗保温性能(传热系数K)作了具体规定,并建议外窗设置活动外遮阳,但标准对外窗隔热性能(遮阳系数SC或太阳传热因子SHGC)没有作出具体规定,不能不说是该标准的一个不足。实际上，我国夏热冬冷地区居住建筑的节能不仅与外窗的保温性能，而且与外窗的隔热性能紧密相关的。

本文首先确定了夏热冬冷地区基准性住宅和住宅节能方案,并选取上海、南京、武汉和重庆4个代表性城市作为分析对象,使用美国劳伦斯.伯克力国家实验室开发的DOE-2软件,对基准性住宅和3000多个节能方案进行摸拟计算,分析外窗传热系数(K)和遮阳系数(SC)对居住建筑能耗影响,并提出相应的看法和建议.

一、基准住宅的确定
（一）基准住宅模型是一座六层楼住宅，建筑平面如图1所示。

基准住宅热工参数和计算条件如下：



1、室内温度设定：冬季16℃，夏季26℃；

2、外墙：24cm粘土实心砖 K=1.833W/（m2·K）；

3、屋顶：砼板+保温板 K=1.872W/（m2·K）;

4、外墙面太阳辐射吸收系数ρ＝0.7；

5、外窗：普通单玻铝合金窗，K=6.0W/（m2·K），SC＝0.9；

6、建筑平均窗墙面积比：CM＝0.3009；

7、换气次数：n＝1.5；

8、设备能效比：冬季EER=1.0，夏季 EER=2.2；

9、内热源：照明0.5875W/m2，其它251W（其中显热180W，潜热71W）。



（二）4个城市基准住宅全年能耗值计算结果

从表1可看出,4个地区住宅夏季空调能耗均占全年采暖与空调总能耗20%或以上，而夏季空调能耗中外窗太阳辐射传热占了相当大的比例,因此夏热冬冷地区居住建筑节能中，外窗隔热性能是不可忽视的重要因素。

表1 
城 市 上 海 南 京 武 汉 重 庆 
年采暖空调总能耗P总 （kWh/m2） 146.67 164.27 157.60 116.67 
年采暖能耗 P暖 （kWh/m2） 116.98 131.88 117.60 79.38 
年空调能耗 P空 （kWh/m2） 29.69 32.40 40.00 37.29 
空调能耗占总能耗比例 ％ 20.24 19.72 25.38 31.96 

二、节能方案的选择
1. 室内温度设定：冬季16℃，夏季26℃；

2. 外墙：24cm粘土实心砖＋保温 K=1.0W/（m2·K）和K=1.5W/（m2·K）;

3. 外墙面太阳辐射吸收系数ρ＝0.7；

4. 屋顶：砼板＋保温板 K=1.0W/（m2·K）；

5. 换气次数：n＝1.0；

6. 设备能效比：冬季EER=1.9，夏季EER=2.3；

7. 内热源：照明0.5875W/m2，其它251W（其中显热180W，潜热71W）；

8. 建筑窗墙面积比CM变化范围：0.2498，0.3009、0.3535，0.3895,0.4256，0.4718；

9. 外窗K和SC变化范围：

K—6.0，5.5，5.0，4.5，4.0，3.5，3.0，2.5，2.0；

SC—0.9，0.8，0.7，0.6，0.5，0.4，0.3。

三、外窗保温隔热性能(K、SC)对住宅能耗的影响
本文通过3000多个节能方案的摸拟计算，选取代表性数据，绘制了外窗K值分别为3.0、4.5、6.0时的P-SC曲线图。图中,P总为全年采暖与空调总能耗, P空为夏季空调能耗，建筑平均窗墙面积比CM=0.3009。
　　我们可以看出：
1.当建筑平均窗墙比CM不变,外窗K值增大(保温性能减弱),住宅年总能耗也随之增大;当外窗K值从0.3增大到0.6时,全地区各地住宅年总能耗平均增大15%左右.但K值变化对住宅夏季空调能耗影响不大。

2.当建筑平均窗墙比CM不变,外窗SC值增大(隔热性能减弱),住宅年总能耗也随之增大;当外窗SC值从0.3增大到0.9时,全地区各地住宅年总能耗平均增大9%左右,但东部上海、南京等地增大值小于中西部武汉、重庆等地增大值；SC值变化对住宅夏季空调能耗影响甚大,如在重庆,SC从0.3值增大到0.9时,空调能耗增大约20%。总之,SC值的变化,不仅对住宅夏季空调能耗,而且对全年总能耗均有影响,因此夏热冬冷地区居住建筑节能应考虑外窗遮阳隔热性能的影响。

表2列出了外窗K、SC值变化对住宅全年采暖与空调总能耗影响的部分数据。

四、夏热冬冷地区外窗热工性能节能设计
通过分析，在保证住宅节能50%的目标下,本文提出夏热冬冷地区外窗传热系数K和遮阳系数SC(太阳得热因子SHGC)的限值表3，供设计人员和今后对该标准修改时参考。

夏热冬冷地区居住建筑外窗的传热系数和遮阳系数限值表3 
外墙 外窗遮阳系数SC（SHGC） 外窗的传热系数K[W/（m2·K）] 
平均窗墙面积比CM≤0.25 平均窗墙面积比0.25<CM≤0.30 平均窗墙面积比0.30<CM≤0.35 平均窗墙面积比0.35<CM≤0.40 平均窗墙面积比0.40<CM≤0.45 
K≤1.0D≥2.5ρ＝0.7 0.9（0.80） ≤6.0 ≤6.0 ≤5.0 ≤4.0 ≤3.0 
0.8（0.71） ≤6.0 ≤6.0 ≤5.5 ≤4.5 ≤3.0 
0.7（0.62） ≤6.0 ≤6.0 ≤5.5 ≤5.0 ≤4.0 
0.6（0.53） ≤6.0 ≤6.0 ≤6.0 ≤5.0 ≤4.0 
0.5（0.44） ≤6.0 ≤6.0 ≤6.0 ≤5.0 ≤4.0 
0.4（0.36） ≤6.0 ≤6.0 ≤6.0 ≤5.5 ≤4.5 
0.3（0.27） ≤6.0 ≤6.0 ≤6.0 ≤5.5 ≤4.5 
K≤1.5D≥3.0ρ＝0.7 0.9（0.80） ≤5.5 ≤4.0 ≤3.5 ≤2.5 --- 
0.8（0.71） ≤5.5 ≤4.0 ≤4.0 ≤3.0 ≤2.0 
0.7（0.62） ≤5.5 ≤4.5 ≤4.0 ≤3.0 ≤2.5 
0.6（0.53） ≤6.0 ≤5.0 ≤4.5 ≤3.5 ≤3.0 
0.5（0.44） ≤6.0 ≤5.0 ≤4.5 ≤4.0 ≤3.5 
0.4（0.36） ≤6.0 ≤5.0 ≤4.5 ≤4.0 ≤3.5 
0.3（0.27） ≤6.0 ≤5.5 ≤4.5 ≤4.0 ≤3.5