門窗對居住建筑能耗影響的模擬分析

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

摘要：
　　隨著能源的日益緊張，以及建筑物能耗所帶來的二氧化碳排放量的增加直接導致溫室效應的加劇，國務院出臺了《民用建筑節能條例》，建設部也頒布了一系列建筑節能設計標準。第11屆中國科學技術協會年會報告指出，中國建筑能耗已占到全社會總能耗的27％以上（按一次性能源換算），其中采暖、空調能耗占其中的50%以上。 “十一五”期末將實現節約1.1億噸標準煤的建筑節能目標，占到全社會節能量的20％，可見建筑節能已經成為節能減排工作的重點。

　　本文以北京、上海、廣州的居住建筑為例，主要從采暖、空調用電能耗方面，說明了使用高節能性門窗對于降低建筑采暖、空調能耗有著顯著效果。并且，通過對不同系列YKK AP門窗進行保溫、隔熱性能的傳熱模擬，以及對不同地區住宅年耗能量進行的模擬計算，說明了YKK AP門窗對于降低居住建筑采暖、空調用電能耗具有顯著效果。

1．引言

　　為貫徹執行《民用建筑節能條例》，各地區政府陸續制定或修訂了居住建筑節能設計標準（北京市：《居住建筑節能設計標準》DBJ 11-602-2006，上海市：《居住建筑節能設計標準》 DG/TJ08-205-2008，廣州市：《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準——廣東省實施細則》DBJ 15-50-2006）。建筑物門窗與墻壁、屋頂相比熱工性能相對較差，通過門窗的熱損失和太陽光總透射比對采暖、空調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(UtValue)表示，傳熱系數對建筑采暖能耗產生一定的影響。窗的熱工性能標準在近幾年內經過反復的修改和完善，對傳熱系數的要求越來越嚴格，下面表1為各地區現行標準值和舊標準值的比較。

　　窗的隔熱性能由太陽光總投射比(SHGC)來表示，隔熱性能直接影響建筑的空調能耗。居住建筑節能設計標準規定了不同朝向、窗墻面積比的窗的綜合遮陽系數，并且對附有遮陽裝置的窗的遮陽性能也有一定的要求。

2．窗的熱工性能計算結果

　　本文依據建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程JGJ/T 151-2008，通過對窗框部截面進行模擬，計算出窗的熱工性能值（傳熱系數、太陽光總透射比）。通過簡化截面圖中微小的圓弧和螺絲孔，構建模擬模型，再通過穩態2元傳熱解析求得窗框部的傳熱系數(UfValue)。解析所用的軟件是由LBNL（Lawrence Berkeley National Laboratory）和NFRC（National Fenestration Rating Council Incorporated）開發的｢WINDOW｣和｢THERM｣軟件。

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

   
　　圖1表示下述計算的陽臺門和固定聯窗的立面圖和尺寸。表 3是該窗型的傳熱系數(UtValue)和太陽光總透射比(SHGC)的計算結果。北京例1和上海例1中所采用是舊標準規定的傳熱系數（UtValue）及所對應的太陽光總透射比(SHGC)。廣州對傳熱系數沒有具體要求，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行的熱工計算值。北京例2和上海例2是對用于對應現行標準的窗型進行的熱工計算值。上海例3和廣州例2采用了以降低夏季空調能耗為目的而使用的LOW-E遮陽型玻璃和斷橋鋁合金型材組合窗，并計算其熱工值。該計算明確了在不同地區、不同窗對于住宅節能性能的影響。

3．建筑物采暖、空調能耗計算方法

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


　　3.1計算對象
　　建筑物的北側立面圖由圖 2所示，以圖中圈出的八樓最外側的住戶為計算對象。平面圖和窗的配置參照圖 3，鄰戶以及樓梯間視為絕熱界限。圖 4表示從北側觀看的計算對象的立體圖。

　　所有計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。通風次數、采暖、空調能耗設定溫度遵從各個地區的居住建筑節能設計標準。設定值參照表 4。在這里設定凌晨0點到 5點；工作日的9點到17點時間段空調不運行。

　　3.2 各地的氣象數據
　　根據氣象條件的不同，采暖、制冷所需能耗也不同。基于各地不同的氣象數據，模擬計算時采用對能耗有影響的平均室外氣溫、垂直面直接照射量、水平面擴散照射量的各月累計值，各數值參照圖5。

　　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，相對的水平面擴散照射量北京最小。這是因為在北京，大氣中水蒸氣等直接擴散照射的物質比其他地區都少的緣故。在上海，水平面擴散照射量在5～7月份最大，而廣州是在10～12月最大。

　　由此可知，在北京和上海地區需要制冷和采暖，而在廣州只需要制冷。

4．采暖、空調能耗計算結果

　　4.1 年度采暖、空調能耗和成本計算結果
　　采用表3中示例的窗計算出住宅采暖、空調年耗電量，由圖6表示。比較三個地區，不需要采暖的廣州年耗電量最高，其次是上海，再次為北京。上海的空調耗電量占全年耗電量的70％左右。與此相對，北京只占50％。這是因為北京的空調設定溫度是29℃，與其他地方的26℃相比要高。如果北京的空調設定溫度也是26℃的話，空調的耗電量比例將會達到65％。從以上的結果可以看出，降低住宅空調負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，使用符合現行標準值的窗與舊標準相比，年度采暖、空調能耗的削減效果十分顯著，上海可削減5％，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、空調能耗成本和電費單價請參照表 5。在年耗電量相同的情況下，廣州的空調成本最高，其次是上海，之后是北京。由于廣州的電費單價比其他地區都貴，年度的耗電成本將達到上海的1.5倍，北京的2.4倍之多。從中可知，在夏熱冬暖地區使用遮陽型門窗或使用遮陽系統是有效果的。

　　4.2 各時間段空調能耗計算結果
　　降低每天高峰時段的電力需求量可以降低發電站的發電量，由此減少排放到大氣的大量二氧化碳。因此，節能可以說是緩解溫室效應的一項有效舉措。空調的耗電量在太陽最高時刻或者空調啟動瞬間達到最大值。從耗電量最大的廣州的每個時間段的耗電量對比可以看出，使用遮陽型窗后耗電量下降的幅度是很明顯的。

　　以廣州空調耗電量的日累計值是最大的7月20日為例，每個時間段的空調耗電量可參照圖 7。對例1和例2進行比較，遮陽型窗的節能效果是顯而易見的。兩者的差值在13:00和16:00達到最大，遮陽型窗可以削減18％的耗電量。與空調年能耗削減效果（10%）相比，削減率是很大的，因此遮陽型窗對降低用電高峰時段的耗電量起到積極的作用。

5. 總結

　　本文通過對符合不同地區節能標準的門窗，以及相關的遮陽門窗系統進行熱工性能計算，并進行住宅的能耗模擬計算，明確了采用YKK AP的門窗對降低住宅采暖、空調能耗的效果是很明顯的。從而得到以下結論：

　　(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，呈現等間隔差值的性能提高。因此，通過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行標準的節能門窗與使用符合舊標準的門窗相比，節能效果上，采暖、空調年耗電量上海削減5％，北京削減7％。

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

　　(4各地區的年度采暖、空調能耗成本中，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，需要采取降低住宅的空調能耗的措施。

　　(5)從廣州的各個時間段空調耗電量來看，遮陽型窗在白天可達到削減能耗18％以上，對節制用電高峰的耗電量具有顯著成效。

　　今后，隨著國家對建筑節能的日益重視，各種政策的實施將接踵而至。我們YKK AP集團將積極響應相關的法律、法規、標準，正確把握窗的熱工性能和其對各地區建筑物節能效果的影響，通過大力開發門窗產品來為推進中國的建筑節能事業做出貢獻。