深圳地区居住建筑外窗遮阳性能模拟分析

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1、深圳地区居住建筑外窗遮阳性能模拟分析深圳地区居住建筑外窗遮阳性能模拟分析 田智华1，2 刘俊跃1 康侍民2（1 深圳市建筑科学研究院，深圳市建筑节能重点实验室,深圳 518031； 2 重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆 400044） 摘摘 要：要：本论文首先对深圳地区的居住建筑外窗及其遮阳现状进行调研分析，并利用 WINDOWS5.2 模拟软件对深圳地区建筑外窗的常用形式及其节能外窗的性能参数（包括传热系数 U-值，太阳辐射得热系数SHGC，以及可见光透过率 VT 等）进行模拟分析。以一栋实际建筑为基础，利用 Resfen5.0 对不同外窗及其遮阳组合方式的采暖空调总能耗、各朝向的建筑外

2、窗能耗以及峰值能耗等进行比较分析。最后根据模拟分析结果，得出了几点深圳地区居住建筑外窗遮阳性能的结论。 关键词：关键词：居住建筑 外窗 遮阳性能 模拟分析 引言引言 深圳市的气候特点是冬季温和短暂， 夏季炎热漫长且相对湿度大， 一般从 4 月份开始进入夏季，直到 10 月份才转入秋季，这种高温高湿气候的持续时间可达 7 个月1。因此决定了夏季防热是该地区建筑节能的重点， 而建筑遮阳是该地区最有效的建筑节能措施之一。 但是目前深圳市乃至整个南方地区建筑设计的潮流却是开窗面积越来越大， 大面积飘窗、 凸窗和全玻璃幕墙建筑比比皆是， 建筑设计中几乎没有考虑建筑遮阳的节能设计。 因此在夏季通过建筑外窗

3、进入室内的太阳辐射热越来越多，据调查 2004 年深圳市夏季最大空调耗电量中有 50是用来消除建筑外窗的辐射得热和传导得热。本文将在调研的基础上，对深圳地区建筑外窗及其遮阳组合方式的遮阳性能进行模拟分析。 1 深圳地区建筑外窗及遮阳现状分析深圳地区建筑外窗及遮阳现状分析2 2004 年 12 月至 2005 年 4 月我们对深圳地区的 18 个具有代表性的住宅小区 （其中包括高层住宅、小高层住宅、普通多层住宅、联排别墅等）进行了详细调研和分析，共计 109栋建筑， 其中对窗户调研分析的参数包括窗墙比、 外窗可开启面积与所在房间地面面积的比值、窗户构造形式和外窗遮阳设施等。调研结果分析如下： （

4、1）窗户构造形式：除两个小区采用中空玻璃和双层透明玻璃外，调研建筑中绝大部分采用普通透明玻璃铝合金门窗和塑钢门窗，均没有达到深圳市居住建筑节能设计规范（以下简称节能设计规范 ）中对外窗传热系数K4.7W/(m2.K)的要求。 （2） 外窗遮阳设施： 所有调研建筑都没有采用活动式外遮阳形式； 除建筑构造遮阳 （包括阳台遮阳）外，所有调研建筑都没有采用水平遮阳或者垂直遮阳措施，但是几乎所有的建筑在建成后都采用窗帘等内遮阳措施。这与节能设计规范中的遮阳设计要求不符，规范要求建筑外窗应设置活动式遮阳设施，建筑外窗的太阳辐射透过率不应大于 0.3。 （3）窗墙比：所有调研建筑的平均窗墙面积比较大，并有不

5、断增大的趋势。另外为了追求住宅的外视景观，许多建筑都采用近乎密闭式的大玻璃窗、落地玻璃（阳台）门等设计手法，但极少考虑遮阳和自然通风措施。 http:/能源世界-中国建筑节能网（4）外窗可开启面积与所在房间地面面积的比值：客厅、主卧和次卧的平均可开启外窗面积与地面面积的比值都大于 10，该指标达到了夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准8的要求，其中联排别墅的平均窗地面积比较大。 2 深圳地区建筑外窗性能参数的模拟分析深圳地区建筑外窗性能参数的模拟分析 2.1 建筑外窗构造形式建筑外窗构造形式 调研建筑中除两个小区采用中空玻璃和采用双层透明玻璃外， 其他的建筑采用无色透明 玻璃的铝合金门窗和塑钢门窗

6、（其中绝大部分为铝合金普通玻璃窗） 。表 1 为深圳地区常用 建筑外窗构造形式，表 2 为深圳地区节能外窗构造形式。 深圳地区常用外窗构造形式深圳地区常用外窗构造形式 表表 1 序号 建筑外窗构造形式 备注 1 3mm 普通透明玻璃+铝合金窗框（不断热） 不考虑遮阳 2 3mm 普通透明玻璃+塑钢窗框 不考虑遮阳 3 3mm 普通透明玻璃+12mm 空气间层+3mm 普通透明玻璃+铝合金窗框 不考虑遮阳 4 3mm 普通透明玻璃+12mm 空气间层+3mm 普通透明玻璃+塑料窗框 不考虑遮阳 深圳地区节能外窗构造形式深圳地区节能外窗构造形式 表表 2 序号 建筑外窗构造形式 备注 1 6mmL

7、ow-E 玻璃+铝合金窗框（不断热） 不考虑遮阳 2 6mmLow-E 玻璃+铝合金窗框（断热） 不考虑遮阳 3 6mm 低透射率 Low-E 玻璃+铝合金窗框（不断热） 不考虑遮阳 4 6mm 低透射率 Low-E 玻璃+铝合金窗框（断热） 不考虑遮阳 5 6mm 低透射率 Low-E 玻璃+塑料窗框 不考虑遮阳 6 6mmLow-E 玻璃+塑料窗框 不考虑遮阳 2.2 建筑外窗性能参数的模拟分析及结果建筑外窗性能参数的模拟分析及结果 采用WINDOW5.2 对深圳地区的几种常用建筑外窗以及几种节能外窗的性能参数进行 了模拟分析。WINDOW5.2 可以对窗户的传热系数（U-值） 、太阳辐射

8、得热系数（SHGC） 、 可见光透过率（VT） 、遮阳系数（SC） 、冷凝热阻（CR）等进行模拟分析。WINDOW5.2 的 模拟计算方法采用美国国家门窗协会（NFRC）标准、ISO-15099 和ASHRAE-SPC442 标准， 并且可以动态显示窗户的温度场分布，以及可以链接DOE-2E和EnergyPlus等能耗计算软件， 是一个专用的窗户性能模拟分析软件3。 计算模拟的环境及边界条件采用美国国家门窗评级 协会的NFRC 100-2001（summer）标准。室外温度：32；室外太阳辐射强度：783.0W/m2； 室外平均风速：2.8m/s；室外对流换热系数：采用ASHRAE/NFRC模

9、型，取 15.00W/(m2.K)； 室内温度：24；室内对流换热系数：采用ASHRAE/NFRC模型。模拟的结果见表 3 和表 4。 深圳地区常用建筑外窗性能参数的模拟结果深圳地区常用建筑外窗性能参数的模拟结果 表表 3 序号 U值（W/m2.K）SHGCVT使用情况 3mm 普通透明玻璃+铝合金窗框（不 断热） 6.54 0.795 0.751 最常用 3mm 普通透明玻璃+塑钢窗框 4.93 0.703 0.721 有所使用 3mm 普通透明玻璃+12mm 空气间层 +3mm 普通透明玻璃+铝合金窗框 4.13 0.713 0.681 很少采用 3mm 普通透明玻璃+12mm 空气间层

10、+3mm 普通透明玻璃+塑料窗框 3.6 0.624 0.652 很少采用 http:/能源世界-中国建筑节能网深圳地区节能外窗性能参数的模拟结果 表 4 深圳地区节能外窗性能参数的模拟结果 表 4 序号 U值 （W/m2.K）SHGCVT备注 6mmLow-E 玻璃+铝合金窗框（不断热） 4.27 0.509 0.652 不考虑遮阳6mmLow-E 玻璃+铝合金窗框（断热） 3.432 0.472 0.652 不考虑遮阳6mm 低透射率 Low-E 玻璃+铝合金窗框（不断 热） 4.43 0.391 0.418 不考虑遮阳6mm 低透射率 Low-E 玻璃+铝合金窗框 （断热）3.595 0

11、.355 0.418 不考虑遮阳6mm 低透射率 Low-E 玻璃+塑料窗框 2.89 0.316 0.401 不考虑遮阳6mmLow-E 玻璃+塑料窗框 2.73 0.429 0.652 不考虑遮阳注： SHGC(Solar Heat Gain Coefficient)， 太阳辐射得热系数， 一般的取值范围是 0.10.9 之间，SHGC 值越小表示进入室内的太阳辐射越小，SHGC 与遮阳系数 SC 的换算关系， SC1.19SHGC；VT(Visible Transmittance)，可见光透过率。 2.3 与节能设计标准的比较分析 2.3 与节能设计标准的比较分析 深圳地区的建筑节能工作

12、尽管起步比较晚， 相对南方地区其它城市来说还是开展的比较 好， 是夏热冬暖地区第一个制定居住建筑节能设计标准的城市。 表 5 列出了国内外几种节能 设计标准和规范对深圳地区居住建筑外窗性能参数的规定， 尽管要求有所差别， 但都对建筑 外窗的太阳辐射得热系数有比较严格的规定。 根据以上的模拟结果并对比居住建筑节能设计 标准，可以得出以下的几点结论： （1）深圳地区居住建筑最常采用的单玻铝合金外窗和单玻塑钢窗均不符合现有的建筑节能 规范，但是单玻塑钢外窗的传热系数已经接近深圳市居住建筑节能设计规范中规定的建 筑外窗传热系数小于 4.7W/（m2.K）的要求（单玻塑钢窗的传热系数U-值为 4.93W

13、/m2.K） ，其他的两种外窗构造形式的传热系数符合节能设计规范对传热系数U-值的要求。 （2） 深圳地区居住建筑目前采用的几种外窗构造形式的太阳辐射得热系数 SHGC 值均不符合 现有节能设计规范的要求，由于均采用普通透明玻璃，所以对太阳辐射的遮挡效果相当差， 而最常用的单玻铝合金外窗的 SHGC 值几乎是节能设计规范要求的近两倍左右。 （3）深圳地区居住建筑的外窗几乎全部没有考虑外遮阳形式，而窗户外遮阳是深圳地区居 住建筑最主要的节能技术措施之一。 几种节能规范对深圳地区居住建筑外窗性能参数的规定 几种节能规范对深圳地区居住建筑外窗性能参数的规定4,5,64,5,6 表 5 表 5 规范名

14、称 U 值（传热系数） 太阳辐射得热系数（SHGC） 深圳市居住建筑节能设计规 范 （SJG10-2003） 4.7 0.3 夏热冬暖地区居住建筑节能设 计标准 （JGJ75-2003） 无要求 0.30.6 IEEC国际节能规范 4.3 0.4 ASHRAE节能规范 无要求 0.4 注： 根据外墙传热系数的不同和窗墙面积比的不同取相应的综合遮阳系数值； 适合窗墙 比30的 3 层及低于 3 层的居住建筑的外窗； 适合窗墙比40的 3 层以上居住建筑的 外窗。 3 深圳地区居住建筑外窗遮阳性能的模拟分析 3 深圳地区居住建筑外窗遮阳性能的模拟分析 RESFEN5.0 计算模拟软件是居住建筑外窗

15、的能耗及其经济性模拟分析软件， 该软件能够 计算新建和既有居住建筑不同朝向外窗的全年能耗及能耗费用，以及建筑外窗的峰值能耗。http:/能源世界-中国建筑节能网用户只需要输入当地的气象数据（RESFEN5.0 中已经有我国大部分城市地区气象数据资料， 而以前的RESFEN版本只有美国和加拿大等城市的气象数据资料） ，建筑外窗的朝向，电力和 燃气费用，建筑的详细信息（包括建筑外墙构造、地板方式、HVAC系统类型等） ，以及窗户 的大小、形状、遮阳方式（目前的RESFEN有 8 种典型的遮阳组合方式供选择） ，需要输入建 筑外窗的性能参数（包括传热系数U-值，太阳辐射得热系数SHGC，空气渗透率VT） ，由于 RESFEN5.0 可以动态链接WINDOWS5.0 软件，可以利用WINDOWS5.0 的模拟计算结果来分析建 筑外窗的节能特性7。由于考虑到RESFEN5.0 版本目前并不能定量的改变建筑外窗的遮阳方式。因此只分析在具体遮阳方式下不同建筑外窗的节能性能。 3.1 建筑模型和边界条件 3.1 建筑模型和边界条件 利用Resfen5.0 模拟软件， 我们对调研的某一别墅建筑采用不同建筑外窗及其遮阳组合 形式的总体能耗、各朝向的建筑外窗能耗和峰值能耗等进行比较和分析。该建筑共有两层， 总建筑面积为 3