296_严寒地区外窗节能改造及节能性与经济性评价严寒地区外窗节能改造及节能性与经济性评价吉林建筑工程学院 白莉 赵嵩颖Cold regions of the energy-saving windows and energy-saving and economic evaluationBAL li，ZhAO Song-Ying，Jilin Architectural Engineering Institute，Changchun 130021，China；摘 要：外窗是住宅围护结构保温性能最薄弱的部位，外窗传热系数主要取决于玻璃、窗框型材的热工性能及其组合形式，它是外窗节能改造的主要指标本文对严寒地区外窗传热的决定因素进行分析研究，计算出常用外窗的传热系数U值，同时对外窗改造的节能性与经济性进行了评价关键词：外窗改造;传热系数;节能性;经济性 Abstract: Outside the window of the residential building envelope insulation is the weakest part of the performance，Outside the window heat transfer coefficient is mainly decided by the glass, the window frame molding hot working performance and the combination form ，It is outside the window of the main indicators of energy-saving3>. This article the window heat transfer determining factor carries on the analysis to the severely cold area outside，And windows used to calculate the heat transfer coefficient U value，At the same time, the external window of the energy transformation and economic evaluation.Key words: Outside the window of the transformation ; Heat transfer coefficient ; Energy saving ; The economical 外窗是建筑物重要的组成部分，它与外墙、屋顶构成建筑物的外围护结构。
外窗具有采光、通风、保温、隔热等作用，但外窗也是住宅围护结构保温性能最薄弱的部位外窗传热由窗框的温差传热、窗户缝隙的空气渗透传热、玻璃的太阳辐射传热等部分组成，其总量高达整个采暖建筑热损失的7>50% [1]因此，对既有建筑外窗的节能改造是降低建筑能耗的重要途径之一在进行既有建筑外窗节能改造时，由于外窗的朝向、窗墙比等参数已是固定且不易改变的，外窗节能的关键取决于玻璃的热工性能、窗框型材的种类及窗制作的质量窗的制作质量直接关系到空气渗透传热量的大小，由外窗设计与施工技术所决定，是可以人为控制的，在保证窗的制作质量前提下，反映外窗隔热保温性能的传热系数U值主要取决于玻璃、窗框型材的热工性能及其组合形式，它是外窗节能改造关注的主要指标由于构成外窗的玻璃与窗框材质的不同，下面分别对其进行分析1 玻璃体系的传热分析对于由多层玻璃中间夹空气层组成的外窗的玻璃部分，这里称为玻璃体系外窗玻璃体系的传热可以看做是多层材料的对流换热，传热系数用Ug表示，Ug值由下列公式计算[2]： （1）式中he——玻璃外表面换热系数，是玻璃附近风速的函数，可选用he=23 W/(m2·K)；hi——玻璃内表面换热系数，由室内空气自由对流与辐射导热换热组成，对于通常情况可以取hi=8 W/(m2·K)；ht——多层玻璃体系内部热传导系数，W/(m2·K)。
多层玻璃体系内部传热系数ht按照以下公式计算： （2）式中 hs——气体空隙的热传导系数，W/(m2·K)；N——空气层的数量；M——材料层的数量； dm——每一个材料层的厚度，m；rm——每一个材料层的热阻率（玻璃的热阻率为1m·K/W）气体空隙的热传导系数按下式计算： （3）式中 hr——气体空隙的辐射导热系数，W/(m2·K)；hg——气体空隙的导热系数（包括传导和对流），W/(m2·K)气体空隙的辐射导热系数hr取决于气体平均温度与发射率；气体空隙的导热系数hg包括传导和对流两部分，既与气体导热率、气体厚度有关又与流动参数努塞尔准数Nu、格拉晓夫准数Gr、普朗特准数Pr有关[3]按照以上传热学计算原理，可以计算出各种不同的玻璃配置情况下玻璃体系相应的传热系数Ug值目前以节能为目的的玻璃品种很多，有吸热玻璃、镀膜玻璃、中空玻璃、真空玻璃、光致变色玻璃等，但从国内生产能力和市场价格考虑，表1中列出的四种玻璃具有代表性，计算出相应的传热系数Ug值见表1表1玻璃体系的传热系数U值 序号 玻璃配置 传热系数 W/(m2·K) 1 6mm透明+12A+6mm透明中空玻璃 Ug=2.813 2 6mm透明+12A+6mm透明中空玻璃充氩气 Ug=2.645 3 6mm透明+12A+6mmLow-E中空玻璃 Ug=1.777 4 6mm透明+12A+6mm+12A+6mm透明中空玻璃 Ug=1.864注： 6mm为玻璃厚度；12A为空气层厚度为12mm。
2 窗框体系的传热分析目前需改造的既有建筑外窗窗框型材有木窗、钢窗、铝合金窗等几种形式常用替代的新型窗框型材有隔热铝合金型材、PVC-U塑钢型材两种隔热铝合金窗是在铝型材中间穿入隔热条，将铝型材断开形成断桥，有效阻止热量的传导，用PA66玻璃纤维增强尼龙隔热条与铝合金型材复合而成的隔热铝合金型材，保温隔热性好，窗体强度高、耐腐蚀、寿命长，且造型优美、颜色丰富、装饰效果好，是高档建筑用窗的首选产品PVC-U塑钢型材可加工性强，通过模具可以形成精确的断面构造，形成分割的腔室，腔室的数量可从两腔到五腔不等，用以提高窗的保温、隔音、排水的功能，避免型钢的锈蚀，同时PVC-U塑钢窗具有装饰效果好，与人体接触感比金属的舒适等多方面优点各种常用隔热铝合金型材及PVC-U型材传热系数见表2 [4]表2隔热铝合金型材及PVC-U型材传热系数W/(m?B style='color:white;background-color:#886800'>5·k) 隔热铝合金型材 PVC-U型材 PA66隔热条宽度B 型材的传热系数W/(m?B style='color:white;background-color:#886800'>5·k) 腔室数量 型材传热系数W/(m?B style='color:white;background-color:#886800'>5·k) B=10mm 3.50－4.50 二腔 2.10 B=12mm 2.80－3.72 三腔 1.80-1.91 B=24－30mm 2.05－2.80 四腔 1.60 B=32mm <2.04 五腔 1.50从表2可以看出隔热铝合金型材PA66隔热条宽度尺寸越大,型材的传热系数越小；PVC-U型材腔室数量越多,型材的传热系数越小。
从热工性能发方面比较，加隔热条的隔热铝合金型材仍比PVC-U型材的传热系数高出很多3 外窗的综合传热分析外窗的传热系数受窗框体系和玻璃体系传热共同制约，若假定玻璃及窗框的传热为严格的并联关系，窗户的总传热热阻为[5]： （4）式中Rg0——玻璃系统对应的总热阻，(m2·K)/W；Rf0——窗框对应的总热阻，(m2·K)/W；Fg——玻璃的面积，m2；Ff——窗框的面积，m2外窗的综合传热系数 ，故当已知窗框所占的面积比率，可以把外窗的传热系数表示为 （5）式中Ug——玻璃的传热系数，W/(m2·K)；Uf——窗框的传热系数，W/(m2·K)在外窗采用不同的窗框材料和不同的玻璃配置组合的情况下，可以计算出各种形式外窗的综合传热系数，表3列出了几种常用组合情况不同形式外窗的综合传热系数表3外窗综合传热系数 W/( m?B style='color:white;background-color:#886800'>5·k) 窗框材料 普通铝合金窗 隔热铝合金窗 PVC-U型材窗 窗框的传热系数W/(㎡·k) 6.210 2.800 1.600 窗框的面积比（％） 20 30 25 40 30 40 6mm+12A+6mm透明中空玻璃Ug =2.813 W/(m?B style='color:white;background-color:#886800'>5k) 3.492 3.832 2.810 2.808 2.449 2.328 6mm+12A+6mm透明中空玻璃充氩气Ug =2.645 W/(m?B style='color:white;background-color:#886800'>5k) 3.358 3.715 2.684 2.707 2.332 2.227 6mm+12A+6mmLow-E中空玻璃Ug =1.777 W/(m?B style='color:white;background-color:#886800'>5k) 2.664 3.107 2.033 2.186 1.724 1.706 6mm+12A+6mm+12A+6mm透明中空玻璃Ug =1.864 W/(m?B style='color:white;background-color:#886800'>5k) 2.733 3.168 2.098 2.238 1.785 1.758根据《民用建筑节能数据标准(采暖居住建筑部分)》的要求,长春市居住建筑外窗传热系数限制值为2.50W/(m2·K)。
从表3可以看出，当窗框选取PVC-U塑钢型材窗且腔室数量为四腔时，四种玻璃配置方案组合的外窗传热系数均满足限制值2.5W/(m2·K)的要求（见表3中阴影部分）；当玻璃体系选用Low-E中空玻璃或三玻中空玻璃配合（表3中后二项）四腔PVC-U型材窗，外窗的传热系数均在1.80W/(m2·K)以下，相当于低于限制值的28％左右4 节能性与经济性评价4.1节能性以长春市为例分析根据文献[6]，可以计算出通过节能改造单位面积外窗采暖期节省的耗煤量： （6）式中△Q煤——单位面积外窗节能改造后的节煤量，kg标准煤/（m2·年）；△K0——外窗节能改造后的综合传热。