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夏熱冬暖地區建筑外窗的選擇與節能問題的探討

來源:  作者:石民祥  日期:2005-2-18
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    迄今為止,我國尚無建筑外窗夏季隔熱性能標準和豐采暖地區民用建筑節能設計標準。本文根據華南夏熱冬暖地區建筑氣候特點和熱工設計要求,提出了空調建筑外窗夏季隔熱節能綜合性能指標體系與措施的建議,以及該地區建筑外窗的選擇意見。對于我國中部夏熱冬冷地區(以夏季防熱為主,兼顧冬季保溫)建

    五、國家建筑外窗性能標準要求
    我國建筑外窗性能國家標準共有六項:(1)抗風壓性能(GB7106-86);(2)空氣滲透性能(GB7107-86);(3)雨水滲漏性能(GB7108-86);(4)保溫性能(GB8484-87);(5)空氣聲隔聲性能(GB8485-87);(6)采光性能(GB11976-89)。

    建筑外窗的保溫性能指標是在模擬冬季采暖建筑室內、外溫差條件(室內18℃;室外:單層窗檢測為-10℃,雙層窗或單框雙玻窗檢測為-20℃,風速為3.0m/s下,測得的窗戶冬季傳熱系數K值(W/m2·K)(不包括窗縫隙的傳熱),不能直接作為窗的夏季傳熱系數,不能作為建筑外窗的夏季隔熱性能指標,只能作為窗的傳熱性能比較參考。

    保溫和隔熱是有區別的。保溫是指外窗在冬季幾十度的溫差條件下,阻止室內向室外的溫差傳熱;隔熱是指外窗在夏季隔離太陽輻射熱和阻止室外向室內的溫差(<10℃,)傳熱,其中因太陽輻射產生的熱量遠比因溫差產生的熱量大[2]。

    根據窗的傳熱系數計算公式K=1/(1/ai+Rw+1/ae),內表面換熱系數ai,冬季和夏季為同樣取值8.7(W/m2·K)[2]。現假設以窗體本身傳熱阻Fw=1/6.4帶入以上公式,分別帶入冬季和夏季外表面換熱系數ae計算,則可得出冬季窗的傳熱系數K冬=3.2;夏季窗的傳熱系數K夏=3.1,由此可見窗的傳熱系數K值冬季與夏季是不一樣的。

    按美國ASHRAE標準條件計算窗的傳熱系數U值(即K值:冬季夜間Uw值是在室外溫度-18℃,室內溫度21℃,風速為24kph,無日光條件下計算;夏季白天Us值是在室外溫度32℃,室內溫度24℃,日光強度為789W/T,風速為12kph條件下計算。5mm透明浮法玻璃Uw值6.25,Us值5.85;6mm透明浮法玻璃Uw值6.19,Us值5.85。

    六、建筑外窗隔熱性能指標
    夏季空調建筑中,通過窗戶進入室內的熱量包括室內外溫差得熱和太陽輻射得熱兩部分,由于夏季時室內、外平均計算溫差通常僅6℃左右,因此,通過窗戶的溫差得熱所占比例較小;而通過向陽面窗戶特別是東、西向窗戶的太陽輻射得熱是窗的總得熱的主要部分,是構成空調負荷的主體。

    空調建筑中窗戶的隔熱功能就在于減少窗戶的太陽輻射得熱和室內外溫差得熱[3]。因此,應將窗玻璃的遮陽系數(實際透過窗玻璃的太陽輻射得熱與透過透明窗玻璃的太陽輻射得熱之比值)和窗戶的夏季傳熱系數K作為窗戶的隔熱性能指標。顯然,遮陽系數和傳熱系數愈小,則窗戶的隔熱性能愈好,反之亦然。

    目前,我國尚未有建筑外窗隔熱性能標準和外窗夏季傳熱系數的試驗實測數據;《旅館空調節能標準》規定“非嚴寒地區,外窗玻璃的遮陽系數應小于0.60,或采取外遮陽措施” ;其它有關標準尚未有我國南方地區外窗玻璃遮陽系數值的具體規定。但窗玻璃的生產廠家一般在產品說明書中給出玻璃的遮陽系數,如深圳南玻集團給出的數據:6mm單片透明玻璃遮陽系數Sc=0.99;6+12A+6透明中空玻璃Sc=0.87;6mm單片熱反射CTS240綠色鍍膜玻璃Sc=0.45;6mmCTS240+12+6mm熱反射中空玻璃Sc=0.31。

    七、建筑外窗隔熱節能措施
    建筑節能的原則,應考慮盡可能利用自然條件,采用最小的技術手段和投入,在保證獲得適宜的室內熱環境的前提下,得到最大的節能降耗效果。

    1.確定適宜的室內空調溫度
    國家標準《采暖通風與空氣調節設計規范》GBJ19-87(以下簡稱《采暖空調規范》)規定的舒適性空氣調節設計計算參數為:溫度24~28℃,相對濕度40~65%,風速不大于0.3m/s。

    調查測試表明,許多人都以為,夏季室內溫度定得越低越好,將室內設計狀態點選定在規定范圍的高標準側24℃,結果導致夏季室內過冷,要穿外套。實際上,這并不符合華南地區的氣候特點和人們對地方氣候的適應能力及生活習慣。根據多年考察測定,當輻射溫度27.8~29.7℃、相對濕度84~90%、氣流速度0.05~0.2m/s、人體皮膚溫度29.7~32.0℃時,而室內溫度27~29℃是感到舒適的。因而認為:28~29℃是舒適溫度,30~32℃是人體可忍受的溫度,33℃以上是人體感到過熱的溫度。溫度每提高1℃,可減少空調器用電量5~10%,空調房間溫度標準提高2~3℃可節省大量電能。而且可防止目前華南地區人們從空調房到室外由于相對溫差過大引起冷傷風等癥狀的“空調病”。

    2.窗戶遮陽
    空調建筑中,窗的遮陽是不可少的,它對防止因太陽直射室內,避免室內過熱,減少空調機冷負荷效果很大。

    外遮陽效果最好。根據對廣州西向房間的試驗觀測資料[4],在閉窗情況下,有無遮陽,室溫最大差值達2℃,平均差值達1.4℃;在開窗情況下,有無遮陽,室溫最大差值達1.2℃,平均差值為1℃。室外遮陽可比單層玻璃窗的透過能量下降88%。夏熱冬暖地區應采用活動式遮陽。對廣州地區主要考慮東、西向窗的活動結構的擋板式遮陽,南向窗戶上部的水平遮陽板實際上主要是作了窗口防雨構件,試驗實測證明[5],夏季水平遮陽板的伸出長度對室溫沒有什么影響,而在冬季遮陽板會使室內熱環境變差,因此,對廣州地區可以不用水平遮陽板。

    窗內遮陽最方便。室外的活動式遮陽設施由于易受風雨損壞、安裝和維修較困難等缺點,所以,一般情況下,最方便和最經濟有效的方法是采用室內懸掛淺色窗簾,可隔離40%左右的太陽輻射熱。表1[6]給出了幾種隔熱窗簾的“遮陽系數”。

    3.采用隔熱節能玻璃
    通過建筑外窗的熱量中,占窗面積80%左右的玻璃得熱是第一位,其次是窗縫隙空氣滲透傳熱,而窗框所傳熱量占第三位。因此,使用既隔熱又隔聲的采光玻璃是提高窗戶熱學、聲學和光學性能的關鍵。

    (1)熱反射鍍膜玻璃:又稱陽光控制鍍膜玻璃,能透過可見光,而又能將40~80%的太陽輻射熱阻隔在室外,同時減少眩光和色散,使外觀顯現不同的色彩,還具有單向透視性,裝飾效果好。其隔熱反射性能用遮陽系數表示,遮陽系數越小,鍍膜的性能越好。但是,單片熱反射鍍膜玻璃僅降低了玻璃的遮陽系數,對傳熱系數影響不到,隔聲效果也無影響,但可見光透過率有所下降。

表1 室內遮陽設施的遮陽系數
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