門窗對(duì)建筑能耗影響的模擬分析
作者：齊藤 孝一郎1 和常會(huì)芝
1門窗熱工解析工程師YKK AP株式會(huì)社
日本國(guó)富山縣黑部市吉田200
2門窗熱工解析工程師, 威可楷（中國(guó)）投資有限公司.
上海市徐匯區(qū)辛耕路133號(hào)永新中心3樓

摘要：
　　隨著能源的日益緊張，以及建筑物能耗所帶來(lái)的二氧化碳排放量的增加直接導(dǎo)致溫室效應(yīng)的加劇，國(guó)務(wù)院出臺(tái)了《民用建筑節(jié)能條例》，建設(shè)部也頒布了一系列建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。第11屆中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)年會(huì)報(bào)告指出，中國(guó)建筑能耗已占到全社會(huì)總能耗的27％以上（按一次性能源換算），其中采暖、空調(diào)能耗占其中的50%以上。 “十一五”期末將實(shí)現(xiàn)節(jié)約1.1億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的建筑節(jié)能目標(biāo)，占到全社會(huì)節(jié)能量的20％，可見(jiàn)建筑節(jié)能已經(jīng)成為節(jié)能減排工作的重點(diǎn)。

　　本文以北京、上海、廣州的居住建筑為例，主要從采暖、空調(diào)用電能耗方面，說(shuō)明了使用高節(jié)能性門窗對(duì)于降低建筑采暖、空調(diào)能耗有著顯著效果。并且，通過(guò)對(duì)不同系列YKK AP門窗進(jìn)行保溫、隔熱性能的傳熱模擬，以及對(duì)不同地區(qū)住宅年耗能量進(jìn)行的模擬計(jì)算，說(shuō)明了YKK AP門窗對(duì)于降低居住建筑采暖、空調(diào)用電能耗具有顯著效果。

1．引言

　　為貫徹執(zhí)行《民用建筑節(jié)能條例》，各地區(qū)政府陸續(xù)制定或修訂了居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（北京市：《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DBJ 11-602-2006，上海市：《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 DG/TJ08-205-2008，廣州市：《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)——廣東省實(shí)施細(xì)則》DBJ 15-50-2006）。建筑物門窗與墻壁、屋頂相比熱工性能相對(duì)較差，通過(guò)門窗的熱損失和太陽(yáng)光總透射比對(duì)采暖、空調(diào)能耗有著非常大的影響。

　　窗的熱工性能包括保溫性能和隔熱性能。窗的保溫性能由傳熱系數(shù)(UtValue)表示，傳熱系數(shù)對(duì)建筑采暖能耗產(chǎn)生一定的影響。窗的熱工性能標(biāo)準(zhǔn)在近幾年內(nèi)經(jīng)過(guò)反復(fù)的修改和完善，對(duì)傳熱系數(shù)的要求越來(lái)越嚴(yán)格，下面表1為各地區(qū)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)值和舊標(biāo)準(zhǔn)值的比較。

　　窗的隔熱性能由太陽(yáng)光總投射比(SHGC)來(lái)表示，隔熱性能直接影響建筑的空調(diào)能耗。居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不同朝向、窗墻面積比的窗的綜合遮陽(yáng)系數(shù)，并且對(duì)附有遮陽(yáng)裝置的窗的遮陽(yáng)性能也有一定的要求。

2．窗的熱工性能計(jì)算結(jié)果

　　本文依據(jù)建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程JGJ/T 151-2008，通過(guò)對(duì)窗框部截面進(jìn)行模擬，計(jì)算出窗的熱工性能值（傳熱系數(shù)、太陽(yáng)光總透射比）。通過(guò)簡(jiǎn)化截面圖中微小的圓弧和螺絲孔，構(gòu)建模擬模型，再通過(guò)穩(wěn)態(tài)2元傳熱解析求得窗框部的傳熱系數(shù)(UfValue)。解析所用的軟件是由LBNL（Lawrence Berkeley National Laboratory）和NFRC（National Fenestration Rating Council Incorporated）開(kāi)發(fā)的｢WINDOW｣和｢THERM｣軟件。

　　YKK AP窗框部的等溫圖、傳熱系數(shù)結(jié)果以及各商品的特征參照表2。傳熱系數(shù)（UfValue）值按鋁合金、斷橋鋁合金和塑鋼的順序，呈現(xiàn)出等間隔差值提高的特征。所以，通過(guò)采用不同型材與不同玻璃來(lái)制作門窗，就可以滿足從高到低不同的保溫要求。

   
　　圖1表示下述計(jì)算的陽(yáng)臺(tái)門和固定聯(lián)窗的立面圖和尺寸。表 3是該窗型的傳熱系數(shù)(UtValue)和太陽(yáng)光總透射比(SHGC)的計(jì)算結(jié)果。北京例1和上海例1中所采用是舊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傳熱系數(shù)（UtValue）及所對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)光總透射比(SHGC)。廣州對(duì)傳熱系數(shù)沒(méi)有具體要求，廣州例1表示的是普通非斷橋鋁合金型材加單層玻璃的窗進(jìn)行的熱工計(jì)算值。北京例2和上海例2是對(duì)用于對(duì)應(yīng)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的窗型進(jìn)行的熱工計(jì)算值。上海例3和廣州例2采用了以降低夏季空調(diào)能耗為目的而使用的LOW-E遮陽(yáng)型玻璃和斷橋鋁合金型材組合窗，并計(jì)算其熱工值。該計(jì)算明確了在不同地區(qū)、不同窗對(duì)于住宅節(jié)能性能的影響。

3．建筑物采暖、空調(diào)能耗計(jì)算方法

　　采用表3中各個(gè)例子的熱性能值，計(jì)算不同的窗對(duì)住宅采暖、空調(diào)能耗的影響。計(jì)算建筑物采暖、空調(diào)能耗所使用的是以EnergyPlus作為引擎的建筑物能量模擬程序 DesignBuilder Ver.1.5（DesignBuilder Software Ltd）。


　　3.1計(jì)算對(duì)象
　　建筑物的北側(cè)立面圖由圖 2所示，以圖中圈出的八樓最外側(cè)的住戶為計(jì)算對(duì)象。平面圖和窗的配置參照?qǐng)D 3，鄰戶以及樓梯間視為絕熱界限。圖 4表示從北側(cè)觀看的計(jì)算對(duì)象的立體圖。

　　所有計(jì)算部位的外墻都看作是相同的，采用30mm擠塑泡沫塑料作為隔熱材料。通風(fēng)次數(shù)、采暖、空調(diào)能耗設(shè)定溫度遵從各個(gè)地區(qū)的居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)定值參照表 4。在這里設(shè)定凌晨0點(diǎn)到 5點(diǎn)；工作日的9點(diǎn)到17點(diǎn)時(shí)間段空調(diào)不運(yùn)行。

　　3.2 各地的氣象數(shù)據(jù)
　　根據(jù)氣象條件的不同，采暖、制冷所需能耗也不同�；�于各地不同的氣象數(shù)據(jù)，模擬計(jì)算時(shí)采用對(duì)能耗有影響的平均室外氣溫、垂直面直接照射量、水平面擴(kuò)散照射量的各月累計(jì)值，各數(shù)值參照?qǐng)D5。

　　北京、上海、廣州在冬季1月份的三地平均室外氣溫的差異為10℃，到了夏季的7月，三地間差異只有5℃以下。年度垂直面直接照射量北京最大，相對(duì)的水平面擴(kuò)散照射量北京最小。這是因?yàn)樵诒本�，大氣中水蒸氣等直接擴(kuò)散照射的物質(zhì)比其他地區(qū)都少的緣故。在上海，水平面擴(kuò)散照射量在5～7月份最大，而廣州是在10～12月最大。

　　由此可知，在北京和上海地區(qū)需要制冷和采暖，而在廣州只需要制冷。

4．采暖、空調(diào)能耗計(jì)算結(jié)果

　　4.1 年度采暖、空調(diào)能耗和成本計(jì)算結(jié)果
　　采用表3中示例的窗計(jì)算出住宅采暖、空調(diào)年耗電量，由圖6表示。比較三個(gè)地區(qū)，不需要采暖的廣州年耗電量最高，其次是上海，再次為北京。上海的空調(diào)耗電量占全年耗電量的70％左右。與此相對(duì)，北京只占50％。這是因?yàn)楸本┑目照{(diào)設(shè)定溫度是29℃，與其他地方的26℃相比要高。如果北京的空調(diào)設(shè)定溫度也是26℃的話，空調(diào)的耗電量比例將會(huì)達(dá)到65％。從以上的結(jié)果可以看出，降低住宅空調(diào)負(fù)荷的必要性已迫在眉睫。

　　比較上海的例1和例2，北京的例1和例2可以看出，使用符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)值的窗與舊標(biāo)準(zhǔn)相比，年度采暖、空調(diào)能耗的削減效果十分顯著，上�？上鳒p5％，北京可削減7％。比較廣州的例1和例2，上海的例1和例2可看出，使用遮陽(yáng)型中空玻璃與斷橋鋁合金型材組合的窗的能耗降低效果也很顯著，大概廣州能削減10％，上海能削減14％。

    
　　年度采暖、空調(diào)能耗成本和電費(fèi)單價(jià)請(qǐng)參照表 5。在年耗電量相同的情況下，廣州的空調(diào)成本最高，其次是上海，之后是北京。由于廣州的電費(fèi)單價(jià)比其他地區(qū)都貴，年度的耗電成本將達(dá)到上海的1.5倍，北京的2.4倍之多。從中可知，在夏熱冬暖地區(qū)使用遮陽(yáng)型門窗或使用遮陽(yáng)系統(tǒng)是有效果的。

　　4.2 各時(shí)間段空調(diào)能耗計(jì)算結(jié)果
　　降低每天高峰時(shí)段的電力需求量可以降低發(fā)電站的發(fā)電量，由此減少排放到大氣的大量二氧化碳。因此，節(jié)能可以說(shuō)是緩解溫室效應(yīng)的一項(xiàng)有效舉措�？照{(diào)的耗電量在太陽(yáng)最高時(shí)刻或者空調(diào)啟動(dòng)瞬間達(dá)到最大值。從耗電量最大的廣州的每個(gè)時(shí)間段的耗電量對(duì)比可以看出，使用遮陽(yáng)型窗后耗電量下降的幅度是很明顯的。

　　以廣州空調(diào)耗電量的日累計(jì)值是最大的7月20日為例，每個(gè)時(shí)間段的空調(diào)耗電量可參照?qǐng)D 7。對(duì)例1和例2進(jìn)行比較，遮陽(yáng)型窗的節(jié)能效果是顯而易見(jiàn)的。兩者的差值在13:00和16:00達(dá)到最大，遮陽(yáng)型窗可以削減18％的耗電量。與空調(diào)年能耗削減效果（10%）相比，削減率是很大的，因此遮陽(yáng)型窗對(duì)降低用電高峰時(shí)段的耗電量起到積極的作用。

5. 總結(jié)

　　本文通過(guò)對(duì)符合不同地區(qū)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的門窗，以及相關(guān)的遮陽(yáng)門窗系統(tǒng)進(jìn)行熱工性能計(jì)算，并進(jìn)行住宅的能耗模擬計(jì)算，明確了采用YKK AP的門窗對(duì)降低住宅采暖、空調(diào)能耗的效果是很明顯的。從而得到以下結(jié)論：

　　(1)YKK AP窗框部保溫性能按鋁合金、斷橋鋁合金和塑鋼的順序，呈現(xiàn)等間隔差值的性能提高。因此，通過(guò)玻璃與型材的不同組合，可以滿足不同的保溫性能。

　　(2)使用符合上海和北京的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能門窗與使用符合舊標(biāo)準(zhǔn)的門窗相比，節(jié)能效果上，采暖、空調(diào)年耗電量上海削減5％，北京削減7％。

　　(3)采用遮陽(yáng)型中空玻璃和斷橋鋁合金型材組合的保溫、遮陽(yáng)型窗，采暖、空調(diào)能耗年節(jié)能量，廣州可達(dá)到10％，上海可達(dá)到14％。

　　(4各地區(qū)的年度采暖、空調(diào)能耗成本中，不需要采暖的廣州最高，其次為上海，再次為北京。廣州的電力成本比上海高1.5倍，比北京高2.4倍，因此在夏熱冬暖地區(qū)，需要采取降低住宅的空調(diào)能耗的措施。

　　(5)從廣州的各個(gè)時(shí)間段空調(diào)耗電量來(lái)看，遮陽(yáng)型窗在白天可達(dá)到削減能耗18％以上，對(duì)節(jié)制用電高峰的耗電量具有顯著成效。

　　今后，隨著國(guó)家對(duì)建筑節(jié)能的日益重視，各種政策的實(shí)施將接踵而至。我們YKK AP集團(tuán)將積極響應(yīng)相關(guān)的法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)，正確把握窗的熱工性能和其對(duì)各地區(qū)建筑物節(jié)能效果的影響，通過(guò)大力開(kāi)發(fā)門窗產(chǎn)品來(lái)為推進(jìn)中國(guó)的建筑節(jié)能事業(yè)做出貢獻(xiàn)。