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)計窗戶結(jié)構(gòu)，對降低建筑耗能、節(jié)約費用和設(shè)計開發(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)驗回歸公式，為設(shè)計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、形式以達到最佳節(jié)能，則需要深入研究窗戶的熱工特性從而科學合理地制定出窗戶節(jié)能效果優(yōu)劣的標準。

　　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，建立一套合適標準來評價、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(當窗戶密閉等級符合設(shè)計標準的要求時，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

　　窗戶的得熱和失熱形式包括：太陽得熱、熱傳導和空氣滲透，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，要達到設(shè)計標準要求的密閉等級并不難。根據(jù)國外的研究成果，當窗戶密閉等級符合設(shè)計標準的要求時，它對于窗戶能耗的影響很微弱，所以本文不將其列入研究，默認窗戶的密閉性能達到了設(shè)計規(guī)范的要求。

　　2.2 窗戶熱工參數(shù)的模擬計算

　　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算的方法。模擬計算方法是基于玻璃窗的傳熱物理模型，通過計算求得窗戶的熱工性能參數(shù)。

　　在模擬計算中，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熱能力比玻璃間氣體層的導熱能力要大很多，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(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)模擬計算窗戶的能耗，而加拿大的ER體系則是穩(wěn)態(tài)計算窗戶的傳熱量。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)計和選擇窗戶得關(guān)鍵。

　　3 建筑能耗計算

　　3.1 計算軟件簡介

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

　　DeST是Designer's Simulation Toolkit的縮寫，中文名為建筑熱環(huán)境設(shè)計模擬工具包。是清華大學空調(diào)實驗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)計者的集成于AutoCAD R14上的輔助設(shè)計計算軟件。DeST能夠模擬計算建筑在逐時外溫、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 窗戶計算原理

　　在DeST Housing中，窗戶在建筑整體的計算中是作為圍護結(jié)構(gòu)的一部分嵌入的，由于DeST是運用狀態(tài)空間法進行傳熱計算，因此窗戶跟墻一樣，要分層并給定溫度節(jié)點，已有的算法認為每片玻璃的中心為一個溫度節(jié)點，根據(jù)這一原則進行分層，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，就能進行各種計算。

　　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)在整個算法當中就是將窗戶的計算分為兩個獨立的部分：傳熱和導光，兩者的交叉之處在于消光得熱的計算。傳熱部分由窗戶的熱平衡方程組解決，導光部分單獨計算，并把窗戶吸收的熱量放到熱擾矩陣中去。