门窗对居住建筑能耗影响的模拟分析

门窗对建筑能耗影响的模拟分析
作者：齐藤 孝一郎1 和常会芝
1门窗热工解析工程师YKK AP株式会社
日本国富山县黑部市吉田200
2门窗热工解析工程师, 威可楷（中国）投资有限公司.
上海市徐汇区辛耕路133号永新中心3楼

摘要：
　　随着能源的日益紧张，以及建筑物能耗所带来的二氧化碳排放量的增加直接导致温室效应的加剧，国务院出台了《民用建筑节能条例》，建设部也颁布了一系列建筑节能设计标准。第11届中国科学技术协会年会报告指出，中国建筑能耗已占到全社会总能耗的27％以上（按一次性能源换算），其中采暖、空调能耗占其中的50%以上。 “十一五”期末将实现节约1.1亿吨标准煤的建筑节能目标，占到全社会节能量的20％，可见建筑节能已经成为节能减排工作的重点。

　　本文以北京、上海、广州的居住建筑为例，主要从采暖、空调用电能耗方面，说明了使用高节能性门窗对于降低建筑采暖、空调能耗有着显著效果。并且，通过对不同系列YKK AP门窗进行保温、隔热性能的传热模拟，以及对不同地区住宅年耗能量进行的模拟计算，说明了YKK AP门窗对于降低居住建筑采暖、空调用电能耗具有显著效果。

1．引言

　　为贯彻执行《民用建筑节能条例》，各地区政府陆续制定或修订了居住建筑节能设计标准（北京市：《居住建筑节能设计标准》DBJ 11-602-2006，上海市：《居住建筑节能设计标准》 DG/TJ08-205-2008，广州市：《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准——广东省实施细则》DBJ 15-50-2006）。建筑物门窗与墙壁、屋顶相比热工性能相对较差，通过门窗的热损失和太阳光总透射比对采暖、空调能耗有着非常大的影响。

　　窗的热工性能包括保温性能和隔热性能。窗的保温性能由传热系数(UtValue)表示，传热系数对建筑采暖能耗产生一定的影响。窗的热工性能标准在近几年内经过反复的修改和完善，对传热系数的要求越来越严格，下面表1为各地区现行标准值和旧标准值的比较。

　　窗的隔热性能由太阳光总投射比(SHGC)来表示，隔热性能直接影响建筑的空调能耗。居住建筑节能设计标准规定了不同朝向、窗墙面积比的窗的综合遮阳系数，并且对附有遮阳装置的窗的遮阳性能也有一定的要求。

2．窗的热工性能计算结果

　　本文依据建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程JGJ/T 151-2008，通过对窗框部截面进行模拟，计算出窗的热工性能值（传热系数、太阳光总透射比）。通过简化截面图中微小的圆弧和螺丝孔，构建模拟模型，再通过稳态2元传热解析求得窗框部的传热系数(UfValue)。解析所用的软件是由LBNL（Lawrence Berkeley National Laboratory）和NFRC（National Fenestration Rating Council Incorporated）开发的｢WINDOW｣和｢THERM｣软件。

　　YKK AP窗框部的等温图、传热系数结果以及各商品的特征参照表2。传热系数（UfValue）值按铝合金、断桥铝合金和塑钢的顺序，呈现出等间隔差值提高的特征。所以，通过采用不同型材与不同玻璃来制作门窗，就可以满足从高到低不同的保温要求。

   
　　图1表示下述计算的阳台门和固定联窗的立面图和尺寸。表 3是该窗型的传热系数(UtValue)和太阳光总透射比(SHGC)的计算结果。北京例1和上海例1中所采用是旧标准规定的传热系数（UtValue）及所对应的太阳光总透射比(SHGC)。广州对传热系数没有具体要求，广州例1表示的是普通非断桥铝合金型材加单层玻璃的窗进行的热工计算值。北京例2和上海例2是对用于对应现行标准的窗型进行的热工计算值。上海例3和广州例2采用了以降低夏季空调能耗为目的而使用的LOW-E遮阳型玻璃和断桥铝合金型材组合窗，并计算其热工值。该计算明确了在不同地区、不同窗对于住宅节能性能的影响。

3．建筑物采暖、空调能耗计算方法

　　采用表3中各个例子的热性能值，计算不同的窗对住宅采暖、空调能耗的影响。计算建筑物采暖、空调能耗所使用的是以EnergyPlus作为引擎的建筑物能量模拟程序 DesignBuilder Ver.1.5（DesignBuilder Software Ltd）。


　　3.1计算对象
　　建筑物的北侧立面图由图 2所示，以图中圈出的八楼最外侧的住户为计算对象。平面图和窗的配置参照图 3，邻户以及楼梯间视为绝热界限。图 4表示从北侧观看的计算对象的立体图。

　　所有计算部位的外墙都看作是相同的，采用30mm挤塑泡沫塑料作为隔热材料。通风次数、采暖、空调能耗设定温度遵从各个地区的居住建筑节能设计标准。设定值参照表 4。在这里设定凌晨0点到 5点；工作日的9点到17点时间段空调不运行。

　　3.2 各地的气象数据
　　根据气象条件的不同，采暖、制冷所需能耗也不同。基于各地不同的气象数据，模拟计算时采用对能耗有影响的平均室外气温、垂直面直接照射量、水平面扩散照射量的各月累计值，各数值参照图5。

　　北京、上海、广州在冬季1月份的三地平均室外气温的差异为10℃，到了夏季的7月，三地间差异只有5℃以下。年度垂直面直接照射量北京最大，相对的水平面扩散照射量北京最小。这是因为在北京，大气中水蒸气等直接扩散照射的物质比其他地区都少的缘故。在上海，水平面扩散照射量在5～7月份最大，而广州是在10～12月最大。

　　由此可知，在北京和上海地区需要制冷和采暖，而在广州只需要制冷。

4．采暖、空调能耗计算结果

　　4.1 年度采暖、空调能耗和成本计算结果
　　采用表3中示例的窗计算出住宅采暖、空调年耗电量，由图6表示。比较三个地区，不需要采暖的广州年耗电量最高，其次是上海，再次为北京。上海的空调耗电量占全年耗电量的70％左右。与此相对，北京只占50％。这是因为北京的空调设定温度是29℃，与其他地方的26℃相比要高。如果北京的空调设定温度也是26℃的话，空调的耗电量比例将会达到65％。从以上的结果可以看出，降低住宅空调负荷的必要性已迫在眉睫。

　　比较上海的例1和例2，北京的例1和例2可以看出，使用符合现行标准值的窗与旧标准相比，年度采暖、空调能耗的削减效果十分显著，上海可削减5％，北京可削减7％。比较广州的例1和例2，上海的例1和例2可看出，使用遮阳型中空玻璃与断桥铝合金型材组合的窗的能耗降低效果也很显著，大概广州能削减10％，上海能削减14％。

    
　　年度采暖、空调能耗成本和电费单价请参照表 5。在年耗电量相同的情况下，广州的空调成本最高，其次是上海，之后是北京。由于广州的电费单价比其他地区都贵，年度的耗电成本将达到上海的1.5倍，北京的2.4倍之多。从中可知，在夏热冬暖地区使用遮阳型门窗或使用遮阳系统是有效果的。

　　4.2 各时间段空调能耗计算结果
　　降低每天高峰时段的电力需求量可以降低发电站的发电量，由此减少排放到大气的大量二氧化碳。因此，节能可以说是缓解温室效应的一项有效举措。空调的耗电量在太阳最高时刻或者空调启动瞬间达到最大值。从耗电量最大的广州的每个时间段的耗电量对比可以看出，使用遮阳型窗后耗电量下降的幅度是很明显的。

　　以广州空调耗电量的日累计值是最大的7月20日为例，每个时间段的空调耗电量可参照图 7。对例1和例2进行比较，遮阳型窗的节能效果是显而易见的。两者的差值在13:00和16:00达到最大，遮阳型窗可以削减18％的耗电量。与空调年能耗削减效果（10%）相比，削减率是很大的，因此遮阳型窗对降低用电高峰时段的耗电量起到积极的作用。

5. 总结

　　本文通过对符合不同地区节能标准的门窗，以及相关的遮阳门窗系统进行热工性能计算，并进行住宅的能耗模拟计算，明确了采用YKK AP的门窗对降低住宅采暖、空调能耗的效果是很明显的。从而得到以下结论：

　　(1)YKK AP窗框部保温性能按铝合金、断桥铝合金和塑钢的顺序，呈现等间隔差值的性能提高。因此，通过玻璃与型材的不同组合，可以满足不同的保温性能。

　　(2)使用符合上海和北京的现行标准的节能门窗与使用符合旧标准的门窗相比，节能效果上，采暖、空调年耗电量上海削减5％，北京削减7％。

　　(3)采用遮阳型中空玻璃和断桥铝合金型材组合的保温、遮阳型窗，采暖、空调能耗年节能量，广州可达到10％，上海可达到14％。

　　(4各地区的年度采暖、空调能耗成本中，不需要采暖的广州最高，其次为上海，再次为北京。广州的电力成本比上海高1.5倍，比北京高2.4倍，因此在夏热冬暖地区，需要采取降低住宅的空调能耗的措施。

　　(5)从广州的各个时间段空调耗电量来看，遮阳型窗在白天可达到削减能耗18％以上，对节制用电高峰的耗电量具有显著成效。

　　今后，随着国家对建筑节能的日益重视，各种政策的实施将接踵而至。我们YKK AP集团将积极响应相关的法律、法规、标准，正确把握窗的热工性能和其对各地区建筑物节能效果的影响，通过大力开发门窗产品来为推进中国的建筑节能事业做出贡献。