窗戶系統(tǒng)的選擇不僅很大程度地影響著建筑能耗，同時顯著影響室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性。制定科學(xué)可行的窗戶能耗等級評價體系，從而合理選擇窗戶材料和設(shè)計(jì)窗戶結(jié)構(gòu)，對降低建筑耗能、節(jié)約費(fèi)用和設(shè)計(jì)開發(fā)節(jié)能新產(chǎn)品都具有十分重要的意義。本文通過研究窗戶熱工參數(shù)的模擬計(jì)算方法，開創(chuàng)性地定義了表征窗戶節(jié)能效果的兩個參數(shù)：ER和ERC，并根據(jù)典型的建筑平面圖，計(jì)算分析了多種因素對建筑節(jié)能的影響，得出了北京和哈爾濱兩個城市的判斷住宅窗戶節(jié)能效果的經(jīng)驗(yàn)回歸公式，為設(shè)計(jì)人員和普通用戶因地制宜地選擇節(jié)能窗戶提供了便捷有效的計(jì)算方法。

　　1 引言

　　窗戶是建筑必不可少的組成部分，其長期使用能耗約占整個建筑長期使用能耗的50%，十分可觀，因此窗戶的節(jié)能是建筑節(jié)能的重要突破口。近年來我國窗戶節(jié)能領(lǐng)域出現(xiàn)了很多的新技術(shù)，使得過去品種單一的窗戶不僅變得形式多樣，熱工性能也更為復(fù)雜。此時單憑窗戶的玻璃層數(shù)，或是窗戶的傳熱系數(shù)甚至已知窗戶的所有熱工參數(shù)，也無法衡量不同窗戶在具體使用條件下各自的節(jié)能效果。如何根據(jù)不同地區(qū)的氣象條件，合理選擇窗戶材料、形式以達(dá)到最佳節(jié)能，則需要深入研究窗戶的熱工特性從而科學(xué)合理地制定出窗戶節(jié)能效果優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。

　　住宅窗戶的主要評價參數(shù)有：太陽得熱系數(shù)G、整窗傳熱系數(shù)U和空氣滲透率AL，為綜合考慮這些參數(shù)的影響，建立一套合適標(biāo)準(zhǔn)來評價、區(qū)分各種窗戶產(chǎn)品，本文提出了兩個新的參數(shù)：ER和ERC，并選取19種典型窗戶，分別計(jì)算它們應(yīng)用在北京和哈爾濱的不同朝向時的能耗值，線性回歸得到ER和ERC關(guān)于U和G的公式(當(dāng)窗戶密閉等級符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求時，空氣滲透率AL對于窗戶能耗的影響很微小，故本文不將其列入研究)，直觀反映了具體朝向和具體氣象參數(shù)下窗戶的節(jié)能情況。ER和ERC越大，該窗戶的節(jié)能效果越好。

　　2 窗戶的熱工參數(shù)研究

　　2.1 窗戶主要熱性能指標(biāo)

　　窗戶的得熱和失熱形式包括：太陽得熱、熱傳導(dǎo)和空氣滲透，相對于這些形式各有對應(yīng)的評價參數(shù)，即太陽得熱系數(shù)G、傳熱系數(shù)U和空氣滲透率AL。

　　太陽得熱系數(shù)G是指透過窗戶進(jìn)入室內(nèi)的太陽能量與入射到窗戶外表面的太陽能量的比值。該值越小，窗戶的太陽輻射得熱量就越少。傳熱系數(shù)U定義為：在單位溫差下通過單位面積窗戶所傳遞的熱量。在相同的室內(nèi)外溫差下，U值越低則通過對流傳導(dǎo)傳遞的熱能越少。本文討論的窗戶傳熱系數(shù)，是指整窗的綜合傳熱系數(shù)。

　　空氣滲透率AL是與窗戶密閉性能有關(guān)的量，以目前國內(nèi)門窗的生產(chǎn)水平，要達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的密閉等級并不難。根據(jù)國外的研究成果，當(dāng)窗戶密閉等級符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求時，它對于窗戶能耗的影響很微弱，所以本文不將其列入研究，默認(rèn)窗戶的密閉性能達(dá)到了設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

　　2.2 窗戶熱工參數(shù)的模擬計(jì)算

　　由于不可能對所研究窗戶的熱工參數(shù)一一測試，所以，在本文研究中提出了模擬計(jì)算的方法。模擬計(jì)算方法是基于玻璃窗的傳熱物理模型，通過計(jì)算求得窗戶的熱工性能參數(shù)。

　　在模擬計(jì)算中，一般把窗戶分為三個部分：中心玻璃，邊緣玻璃和窗框。對于窗戶的中心玻璃部分，一維傳熱模型與實(shí)際情況已很接近，而窗戶的玻璃邊緣，尤其是雙層窗兩層玻璃邊緣之間的墊片材料的導(dǎo)熱能力比玻璃間氣體層的導(dǎo)熱能力要大很多，產(chǎn)生“熱橋”效應(yīng)，必須采用二維傳熱模型，窗框的傳熱也可近似為一維傳熱。在求得各個部分的傳熱系數(shù)和已知各部分面積的基礎(chǔ)上，對這三個部分的傳熱系數(shù)進(jìn)行面積的加權(quán)平均，就得到窗戶整體的傳熱系數(shù)。本文應(yīng)用了WINDOW4.1軟件來計(jì)算窗戶玻璃的U值和G值。

　　2.3 窗戶能耗評價體系

　　目前我國常用的窗戶玻璃的選型依據(jù)是遮陽系數(shù)Sc，Sc的定義是：透過該玻璃的太陽能與相同條件下透過3mm普通透明玻璃的太陽能量的比值。反映了窗戶對陽光的遮蔽效果，Sc越高則透過窗戶的太陽能越多，反之則越少。但這種評價方法有著明顯的不足之處。首先，遮陽系數(shù)Sc只能反映窗戶夏季遮陽節(jié)能，沒有考慮冬季透光節(jié)能，因此很不全面。其次，它不能從長期角度如整個空調(diào)期或供暖期來分析窗戶節(jié)能效果。

　　文獻(xiàn)(1)中介紹了美國和加拿大的窗戶能耗等級評價體系。雖然這兩個國家的評價體系的計(jì)算方法和結(jié)果表現(xiàn)形式都不相同，美國的HR和CR體系是通過動態(tài)模擬計(jì)算窗戶的能耗，而加拿大的ER體系則是穩(wěn)態(tài)計(jì)算窗戶的傳熱量。但兩者的評價要素都是太陽得熱系數(shù)、窗戶的傳熱系數(shù)和空氣滲透系數(shù)。由此我們可以得到啟發(fā)：綜合考慮太陽得熱系數(shù)、窗戶得熱系數(shù)及滲透系數(shù)是設(shè)計(jì)和選擇窗戶得關(guān)鍵。

　　3 建筑能耗計(jì)算

　　3.1 計(jì)算軟件簡介

　　為了準(zhǔn)確的得到與窗戶有關(guān)的建筑能耗，本文選用了動態(tài)能耗模擬計(jì)算軟件Dest Housing，對建筑物進(jìn)行逐時的模擬計(jì)算。

　　DeST是Designer's Simulation Toolkit的縮寫，中文名為建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)模擬工具包。是清華大學(xué)空調(diào)實(shí)驗(yàn)室在十余年的科研成果的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)的面向暖通空調(diào)設(shè)計(jì)者的集成于AutoCAD R14上的輔助設(shè)計(jì)計(jì)算軟件。DeST能夠模擬計(jì)算建筑在逐時外溫、太陽輻射、室內(nèi)熱擾、長波輻射、鄰室影響等綜合作用下的逐時自然室溫和耗冷耗熱量。

　　3.2 窗戶計(jì)算原理

　　在DeST Housing中，窗戶在建筑整體的計(jì)算中是作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分嵌入的，由于DeST是運(yùn)用狀態(tài)空間法進(jìn)行傳熱計(jì)算，因此窗戶跟墻一樣，要分層并給定溫度節(jié)點(diǎn)，已有的算法認(rèn)為每片玻璃的中心為一個溫度節(jié)點(diǎn)，根據(jù)這一原則進(jìn)行分層，列出整個窗戶的熱平衡方程組，在此基礎(chǔ)上將其與整個建筑的熱平衡方程組聯(lián)立，就能進(jìn)行各種計(jì)算。

　　窗戶的特殊之處在于它不僅是類似于墻的一種傳熱構(gòu)件，還是一種透光構(gòu)件，這一特殊之處表現(xiàn)在整個算法當(dāng)中就是將窗戶的計(jì)算分為兩個獨(dú)立的部分：傳熱和導(dǎo)光，兩者的交叉之處在于消光得熱的計(jì)算。傳熱部分由窗戶的熱平衡方程組解決，導(dǎo)光部分單獨(dú)計(jì)算，并把窗戶吸收的熱量放到熱擾矩陣中去。