寒冷地區(qū)太陽能住宅直接受益窗的節(jié)能設計研究

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摘要：本文根據(jù)寒冷地區(qū)氣候特點，通過研究直接受益式太陽能住宅的合理的窗墻比與提高窗戶各部件的熱工性能，以改善寒冷地區(qū)居住熱環(huán)境，提高采暖的能源使用效率，提高可再生能源（太陽能）利用率，達到節(jié)約能源，保護環(huán)境的目標。 

關鍵詞：寒冷地區(qū)、直接受益窗、節(jié)能設計  abstract: in this paper, according to the cold climate characteristics, through the study of solar house directly benefits the reasonable window than and improve the window wall of all parts of the thermal performance to improve cold areas living hot environment, improve heating energy efficiency, improve the renewable energy (solar) utilization rate, to save energy and protect the environment goals.  keywords: cold areas, direct benefit from the window, the energy saving design    中圖分類號：tu201.5 文獻標識碼：a 文章編號：  正文：  在傳統(tǒng)居住建筑中，建筑師為了爭取日照，以及獲得明快、開朗的建筑藝術效果，總希望把窗戶開大些，由于窗戶與外墻的傳熱系數(shù)相差較大，窗戶是外圍護結構保溫的薄弱環(huán)節(jié)，這必然增加采暖的負荷。為改善寒冷地區(qū)居住建筑在晴天白天透過南向窗戶的太陽輻射量大，引起的室溫超過設計溫度（采暖系統(tǒng)沒有那么靈敏，迅速減少暖氣片的熱水流量），熱量浪費不能蓄存起來夜晚使用的問題。在國家倡導節(jié)能減排的環(huán)境下，太陽能住宅采用被動式直接受益窗，在熱工計算中提高窗戶的太陽輻射得熱量及窗戶的熱工性能，既合理的增加窗墻面積比，又可達到節(jié)能的目的。  1、寒冷地區(qū)氣候特點  《民用建筑熱工設計規(guī)范》（gb50176-93）對建筑熱工設計進行了分區(qū)，將全國建筑熱工設計劃分為5個分區(qū)，包括嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)。我國的寒冷地區(qū)包括天津、山東、寧夏全境；北京、河北、山西、陜西大部分；遼寧南部；甘肅中東部以及河南、安徽、江蘇北部的部分地區(qū)。  寒冷地區(qū)的普遍氣候特點是：1月平均氣溫-10~0℃，7月平均氣溫18~28℃，年降水量300~1000mm，基本風壓0.3~0.5。而寒冷地區(qū)屬于全國太陽能資源分布豐富的地區(qū)，這就為在居住建筑中利用太陽能提供了有力的自然資源支持。寒冷地區(qū)居住建筑冬季采暖能耗占建筑全年總能耗的40%左右，利用被動式太陽能住宅直接受益窗，即可將白天收集的太陽能在夜晚釋放，減少室內溫度波動，又可使用太陽輻射能代替部分常規(guī)能源，節(jié)約能源。  2、被動式太陽能住宅直接受益窗  直接受益窗是被動式太陽能住宅是使用最廣的一種方式，具有構造簡單，易于制作、安裝和日常的管理與維修；與建筑功能配合緊密，便于建筑立面處理，有利于設備與建筑一體化設計等優(yōu)點。其是利用地板和側墻蓄熱，就是房間本身就是一個集熱儲熱體，在日照階段，太陽光透過南向玻璃窗進入室內，地面和墻體吸收熱量，表面溫度升高，所吸收的熱量一部分以對流的方式供給室內空氣，另一部分以輻射的方式與其他圍護結構內表面進行熱交換，第三部分則由地板和墻體的導熱作用吧熱量傳入內部儲存起來。當沒有日照時，被吸收的熱量釋放出來，主要加熱室內空氣，維持室溫，其余傳遞到室外。  經(jīng)穩(wěn)態(tài)計算得知窗戶的傳熱系數(shù)較小時，南向窗戶是凈得熱構件。被動式太陽能住宅基本的原則是盡量增大南向采光窗面積，減小北向窗面積，減少或不設東西向窗。  總而言之，集熱、蓄熱、保溫措施是被動式太陽能住宅設計中三個重要組成部分，三部分的性能直接決定太陽能的使用效率。直接受益窗作為太陽能集熱和外圍護結構中的熱損失薄弱部件，對窗戶的設計至關重要，具體做法既是合理增加住宅南向的窗墻及提高窗戶各部件的熱工性能。  3、窗戶節(jié)能設計  3.1合理窗墻面積比  窗墻比為窗戶洞口面積與房間立面單元面積（即建筑層高與開間定位線圍成的面積）之比。根據(jù)《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》(jgj26-2010)規(guī)定，窗墻比最大值控制在南向0.5，北向0.3，東西向0.35。如果需要擴大窗墻比，應進行維護結構熱工性能的權衡判斷。嚴寒和寒冷地區(qū)夏季空調降溫的需求相對很小，因此建筑圍護結構的總體熱工性能權衡判斷以建筑物耗熱量指標為判據(jù)。  1.1 首先假定一個基準：房間建筑面積 ，南向窗戶，窗墻面積比按規(guī)范限值0.5。與之對應的窗的傳熱系數(shù)為2.3 w/（ k），外墻的傳熱系數(shù)為0.70 w/（ k）。建筑物耗熱量指標的基準值： = + -（1）  式中： 為基準建筑物耗熱量指標（w/ ）； 為折合到單位建筑面積上單位時間內通過建筑圍護結構的傳熱量； 為折合到單位建筑面積上單位時間內建筑物空氣滲透耗熱量； 為折合到單位建筑面積上單位時間內建筑物內部得熱量，取3.8 w/  其中： = + + + +（2）  式中： 、 、 、 、 分別為折合到單位建筑面積上單位時間內通過外墻、屋面、地面、窗（門）、內非采暖封閉陽臺的傳熱量（w/ ）。  其中： ＝ ＝（3）  式中： 為窗的面積； 為窗外表面采暖期平均太陽輻射熱； 為窗的太陽輻射修正系數(shù)（ ＝0.87×0.70×sc，其中sc為窗的綜合遮陽系數(shù)；0.87為3mm普通玻璃的太陽輻射透過率；0.70為折減系數(shù)）。  1.2當太陽能住宅利用直接受益窗時，提高圍護結構熱工性能，為收集更多的太陽能合理增加窗墻比設為x，則外墻在整個立面單元所占的比例為(1-x)，建筑物耗熱量指標為 ，折合到單位建筑面積上單位時間內建筑物內部得熱量為 外墻平均傳熱系數(shù) (w/（ k）)；窗戶的傳熱系數(shù) ，  1.3 為了控制待定房間的耗熱量指標，使之小于或等于基準房間的水平，即： ≤（4）  經(jīng)（1）（2）（3）（4）整理得： ≤  上式給出了決定窗墻比的因素有：外墻、窗戶的熱工性能（保溫、隔熱），地區(qū)的氣候特征（氣溫、太陽輻射強度）。  控制使用直接受益窗的被動太陽能住宅耗熱量指標小于或等于傳統(tǒng)住宅耗熱量指標，即  以常規(guī)住宅房間尺寸為例，計算當使用直接受益窗的太陽能住宅，窗墻比可以達到的系數(shù)。假定：房間開間×進深×層高＝3.3×4.8×2.8 ，外墻結構為200mm加氣混凝土+80mm聚苯板保溫+18 mm純石膏板，傳熱系數(shù)0.57 w/（ k），外窗選用斷橋鋁三層玻璃（充入惰性氣體），傳熱系數(shù)1.9 w/（ k），使用直接受益窗后被動式太能住宅能節(jié)能率為30%，空氣滲透耗熱量占窗戶熱損失量的8%（僅為縫隙滲透）。計算出采用直接受益式太陽能住宅的窗墻比 ≤0.55即可滿足標準要求。當提高外墻、窗戶的熱工性能，窗戶的氣密性及太陽能輻射透過率時，窗墻比可繼續(xù)增加。窗墻比增加的同時，建筑室內熱環(huán)境標準不變，采暖常規(guī)能源消耗會顯著減少。