采暖地區(qū)建筑外窗節(jié)能對室內(nèi)舒適度的影響

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　　關(guān)鍵詞：熱流量 熱損失 冷輻射（詞條“冷輻射”由行業(yè)大百科提供）室內(nèi)舒適度要素 空氣相對濕度（詞條“相對濕度”由行業(yè)大百科提供） 建筑外窗室內(nèi)表面不結(jié)露、不發(fā)霉的溫度窗框與整窗的傳熱系數(shù)

　　摘要：根據(jù)建筑外窗室內(nèi)玻璃表面結(jié)露和結(jié)冰現(xiàn)象，依照熱工（詞條“熱工”由行業(yè)大百科提供）學(xué)原理，根據(jù)我國實(shí)際氣候條件，詳細(xì)分析了室內(nèi)外溫度，空氣相對濕度相互影響，得出外窗的保溫程度對室內(nèi)舒適度起關(guān)鍵作用，而外窗的保溫是由其傳熱系數(shù)大小決定，從這些影響因素，因地制宜，推導(dǎo)幾個采暖（詞條“采暖”由行業(yè)大百科提供）地區(qū)外窗傳熱系數(shù)的具體要求，以滿足居住環(huán)境的舒適度，并舉出實(shí)例得出室內(nèi)舒適度和節(jié)能的結(jié)論，是比較切實(shí)可行的辦法。

　　前言

　　節(jié)能降碳、綠色環(huán)保是我國的基本國策，全國城鎮(zhèn)2018年采暖能耗為2.1億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，二氧化碳(co2)等污染氣體排放總量為3.5億噸，相當(dāng)于3500億立方米，而采暖產(chǎn)生的熱量70%由于建筑外窗的保溫性能低而流失，提高建筑外窗的保溫性能對行業(yè)來說是重要的責(zé)任和義務(wù)，也是創(chuàng)新發(fā)展的機(jī)遇。

　　我國采暖地處偏大陸氣候，采暖地區(qū)空氣濕度較小，氣候干燥，結(jié)合我國氣候特點(diǎn)因地制宜采取節(jié)能措施。

　　一、建筑外窗熱損失的起因

　　在冬季采暖期，居民早上常會見到建筑外窗室內(nèi)玻璃表面有露水，靠近外窗會感覺涼，有不舒服的感覺，往往以為供暖溫度不足導(dǎo)致，其實(shí)也有可能是窗戶保溫性能不足導(dǎo)致的。具體進(jìn)行分析。

　　熱量傳遞有三種形式：輻射、對流和傳導(dǎo)（詞條“傳導(dǎo)”由行業(yè)大百科提供）。

　　采暖地區(qū)太陽熱輻射可以通過建筑外窗玻璃提高室內(nèi)的溫度，建筑外窗室內(nèi)玻璃表面溫度也隨室外溫度下降而下降，溫度低到一定程度，會對人體產(chǎn)生冷輻射，使人感覺到不舒服，如果建筑外窗的保溫性能不好，室內(nèi)冷輻射會更加嚴(yán)重。

　　室內(nèi)外熱量對流大部分被建筑外窗隔斷，但可以通過窗戶的縫隙產(chǎn)生熱交換，造成熱量損失，其損失計入整窗的熱損失中。

　　采暖期熱傳導(dǎo)（詞條“熱傳導(dǎo)”由行業(yè)大百科提供）是從溫度高的室內(nèi)流向溫度低的室外，它與室內(nèi)外溫差、窗的熱傳導(dǎo)大小和窗的面積成正比。

　　由此分析可知，熱量傳遞三種形式對室溫或居住舒適度的影響中，除太陽輻射增加室內(nèi)溫度外，其余均與建筑外窗熱傳導(dǎo)有關(guān)，室內(nèi)溫度和建筑外窗室內(nèi)表面溫度會影響居住舒適度，而建筑外窗的熱傳導(dǎo)性能會很大程度影響室內(nèi)溫度和建筑外窗室內(nèi)表面溫度。

　　二、室內(nèi)外溫度與外窗室內(nèi)表面溫度、傳熱系數(shù)的關(guān)系

　　按熱工學(xué)原理，在穩(wěn)態(tài)傳熱條件下，構(gòu)件每層表面之間單位面積的熱流量必須相等的。對建筑外窗來說，室內(nèi)外溫度與外窗室內(nèi)表面溫度和傳熱系數(shù)的關(guān)系如下：

圖1整窗的傳熱系數(shù)KW

　　三、室內(nèi)居住舒適度相關(guān)要素分析

　　建筑物的主要目的就是為居住者提供舒適的室內(nèi)氣候環(huán)境，根據(jù)以上述公式，對室內(nèi)舒適環(huán)境起決定作用的是室內(nèi)溫度(Ti)、室外溫度(To)和建筑外窗室內(nèi)表面溫度(Tib)，對這三個要素說明如下：

　　1、室內(nèi)溫度

　　根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)要求，采暖區(qū)域室內(nèi)溫度為18~23℃。

　　2、建筑外窗室內(nèi)表面溫度

　　(1)室內(nèi)空氣相對濕度

　　室內(nèi)空氣相對濕度影響舒適度，在冬季相同的室溫條件下，我國南方空氣相對濕度偏高，還有潮濕偏涼的感覺，我國北方采暖地區(qū)空氣相對濕度偏低，則有干燥偏暖的感覺，居住室內(nèi)的空氣相對濕度在40~60%為舒適度范圍。

　　我國采暖地區(qū)，處于偏大陸性氣候，其空氣相對濕度偏低，采暖期室內(nèi)可采取加濕措施，使室內(nèi)相對濕度達(dá)40~50%。

　　(2)建筑外窗室內(nèi)表面產(chǎn)生結(jié)露的溫度

　　玻璃、窗框和外窗室內(nèi)表面結(jié)露與室內(nèi)溫度和空氣相對濕度有關(guān)，即不同溫度下的飽和水蒸氣壓是不一樣的，隨著溫度的升高，空氣中所能達(dá)到的飽和水蒸汽壓就增大，達(dá)到飽和水蒸汽壓Ps時，相對濕度就達(dá)到100%，就會產(chǎn)生結(jié)露水珠。若室內(nèi)空氣相對溫度為50%時，則其水蒸汽壓為飽和氣壓的50%，與50%的水蒸汽壓相對應(yīng)的溫度即為露點(diǎn)溫度（詞條“露點(diǎn)溫度”由行業(yè)大百科提供）。

　　舉例：若室內(nèi)溫度為20℃、室內(nèi)相對濕度為50%時見表1，20℃時的飽和水蒸汽壓為17.53mmhg，在空氣相對濕度為50%時，則這時的蒸汽壓為17.53×50%=8.765mmhg。8.765mmhg在表1中介于9℃和10℃的飽和水蒸汽壓之間。

　　當(dāng)t=9℃時 Ps=8.609

　　當(dāng)t=10℃時 Ps=9.209

表1不同溫度的飽和水蒸汽氣壓(mmhg)

　　室內(nèi)舒適溫度為18~23℃,現(xiàn)分別取18℃、20℃、23℃的室內(nèi)溫度，按上例計算方法得：

表2建筑外窗室內(nèi)表面結(jié)露的溫度

　　(3)靠近外窗內(nèi)表面時人體感覺無冷輻射的溫度

　　這個問題與室內(nèi)空氣相對濕度和室外溫度有密切關(guān)系，室內(nèi)空氣相對濕度越大和室外溫度越低，則對外窗室內(nèi)表面的溫度要求越高。為了解決這個問題，我們在沈陽居室作了實(shí)際測試，并與理論計算互相驗(yàn)證。

　　1.測試條件與結(jié)果

　　(a)溫度計、濕度計

　　(b)室內(nèi)空氣溫度為23℃，室內(nèi)地?zé)岵膳?/P>

　　(c)室內(nèi)空氣相對濕度50%

　　(d)室外溫度-7℃(通過各種溫度測試得出)

　　(e)中空玻璃（詞條“中空玻璃”由行業(yè)大百科提供）的傳熱系數(shù)為2.8w/㎡..k

　　將以上數(shù)據(jù)代入等熱流量公式

　　8×(23-Tib)=2.8×[23-(-7)]

　　Tib=12.5℃

　　實(shí)際驗(yàn)證，在溫度12.5℃時，在靠近外窗附近時無冷輻射的感覺。

　　2.建筑外窗室內(nèi)表面不發(fā)霉的溫度

　　在窒內(nèi)相同溫度下，建筑外窗室內(nèi)表面的發(fā)霉點(diǎn)溫度要高于結(jié)露點(diǎn)溫度，露點(diǎn)水蒸汽壓=霉點(diǎn)水蒸汽壓×80%。

　　舉例：若室內(nèi)溫度為20℃，室內(nèi)相對濕度為50%，求其不發(fā)霉點(diǎn)溫度。

　　20℃時的飽和水蒸汽壓為17.53mmhg

　　空氣相對濕度為50%時飽和水蒸汽壓為17.53×50%=8.765mmhg

　　空氣相對濕度為50%時的發(fā)霉點(diǎn)水蒸汽壓為

　　8.765/0.8=10.956(mmhg)

　　10.956(mmhg)在表1中介于12℃和13℃時的飽和水蒸汽壓值之間。

　　當(dāng)t=12℃時 Ps=10.51mmhg

　　當(dāng)t=13℃時 Ps=11.23mmhg

　　用補(bǔ)差法求得相對應(yīng)的飽和水蒸汽壓溫度為

　　故分別取室內(nèi)溫度為18℃、20℃和23℃，按上例計算方法得值見表3。

表3建筑外窗室內(nèi)表面不發(fā)霉的溫度

　　從表3來看，只有室溫是20℃和23℃在室內(nèi)空氣相對濕度50%的條件下的建筑外窗室內(nèi)表面不發(fā)霉溫度大于測試溫度，不產(chǎn)生冷輻射的溫度為12.5℃。

　　3、室外溫度

　　按不同采暖地區(qū)的室外溫度來確定。

　　四、窗框與整窗的保溫性能

　　當(dāng)室內(nèi)溫度和建筑外窗室內(nèi)表面溫度確定后，這時對窗框和整窗的保溫性能的要求就與室外溫度有關(guān)，對建筑外窗的保溫性能要求越高，對建筑外窗的傳熱系數(shù)要求就越低。具體計算傳熱系數(shù)時，將室外溫度、室內(nèi)溫度和建筑外窗室內(nèi)表面溫度代入等熱流公式即可得出。熱流公式為：

　　1、窗框的傳熱系數(shù)K_f

　　按上述公式，分別將室內(nèi)溫度、室外溫度和空氣相對濕度50%相對應(yīng)的外窗室內(nèi)表面不發(fā)霉的溫度代入，按下述舉例計算方法得值見表4。

表4窗框的傳熱系數(shù)K_f

　　舉例：室內(nèi)溫度18℃，建筑外窗室內(nèi)表面不發(fā)霉溫度為10.72℃，室外溫度-9℃時的窗框傳熱系數(shù)K_f為：

　　2、整窗的傳熱系數(shù)Kw

　　(1)由于室內(nèi)溫度18℃，其空氣相對濕度為50%時的建筑外窗室內(nèi)表面發(fā)霉溫度小于測試的溫度12.5℃，故在該溫度計算整窗傳熱系數(shù)Kw時采用12.5℃。由于室內(nèi)溫度18℃，相應(yīng)的空氣相對濕度也降為40%，12.5℃均高于室內(nèi)溫度20℃、23℃時的空氣相對濕度40%的不發(fā)霉溫度。

　　(2)室內(nèi)溫度20℃、23℃時的建筑外窗室內(nèi)表面溫度在空氣相對濕度50%時的不發(fā)霉溫度均大于測試溫度，故采用最大值。

　　(3)這樣選定的結(jié)果，既保證了建筑外窗室內(nèi)表面對人體無冷輻射感覺。又保證了建筑外窗室內(nèi)表面不發(fā)霉的效果。

　　按下述計算舉例的計算方法，分別將室內(nèi)溫度、室外溫度和空氣相對濕度50%相對應(yīng)的建筑外窗室內(nèi)表面不發(fā)霉的溫度和室內(nèi)溫度18℃時用12.5℃溫度代入公式計算所得值見表5。

表5整窗的傳熱系數(shù)Kw

　　計算舉例：室內(nèi)溫度20℃，空氣相對濕度50%時的建筑外窗室內(nèi)表面不發(fā)霉溫度為>12.6℃，室外為-19℃時的整窗傳熱系數(shù)Kw為：

　　3、窗框和整窗的傳熱系數(shù)的選用

　　在采暖地區(qū)室外溫度確定后，選用的傳熱系數(shù)應(yīng)當(dāng)滿足室內(nèi)舒適溫度為18℃-23℃變化的要求，故從表4、表5中選取。

表6保證室內(nèi)舒適度的窗框和整窗的傳熱系數(shù)K_f、Kw

　　根據(jù)節(jié)能需要，可選用整窗的傳熱系數(shù)Kw小于表內(nèi)數(shù)據(jù)，可降低采暖消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。北京市2021年1月1日起執(zhí)行居住建筑節(jié)能設(shè)計新標(biāo)準(zhǔn)DB11-2020中要求建筑外窗的傳熱系數(shù)1.1w/㎡k，對提高建筑外窗熱損耗提出更高要求，符合國家戰(zhàn)略，增加人民的居住舒適度和幸福感。

　　五、既有建筑的節(jié)能外窗改造

　　我國采暖地區(qū)，涉及15個省市區(qū)，人口達(dá)5億以上，采暖面積超過147億平方米，大部分都是上世紀(jì)90年代以后建造，這些建筑到現(xiàn)在多數(shù)20年左右，因此貫徹節(jié)能減排建造零能耗建筑也不可能一步到位，只能逐漸改造和新建。

　　既有建筑中，有些小區(qū)或住戶室內(nèi)溫度不夠，我們分析可能主要由于以下兩種原因：

　　1、是暖氣供應(yīng)不足;

　　2、是建筑外窗的保溫性能不好傳熱系數(shù)大。

　　由于建筑外窗散熱量占采暖熱量的70%以上，所以建筑外窗的保溫性能非常重要，如果建筑外窗的傳熱系數(shù)大，熱量散失就多，同時建筑外窗室內(nèi)表面溫度就低，易產(chǎn)生結(jié)露、結(jié)冰和冷輻射，使人體感覺不舒服。

　　室內(nèi)溫度不夠問題只要按上述指標(biāo)對建筑外窗改造即可達(dá)到室內(nèi)舒適度要求。

　　以沈陽為例，既有建筑大部分建筑外窗的傳熱系數(shù)在3.5w/㎡..k左右，我們在采暖期間考察了一些小區(qū)，常見到外窗室內(nèi)表面玻璃上一般在上午有結(jié)露或不透明現(xiàn)象，有時甚至結(jié)冰，當(dāng)室外溫度低時，整天都這樣，如果采用保溫性能Kw≤1.2~1w/㎡..k的建筑外窗，則每平方米熱損失從3.5w/㎡..k降至1.2~1w/㎡..k，即降低66~70%熱能耗，沈陽年采暖耗煤達(dá)700萬噸左右，而建筑外窗占整個建筑的能耗約70%左右，約490萬噸。建筑外窗改造后可節(jié)約采暖煤300多萬噸以上，不但保證了居住環(huán)境舒適，還實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。

　　結(jié)束語

　　通過以上論述，在既有建筑和新建建筑上采用低能耗的建筑外窗進(jìn)行改造既節(jié)能環(huán)保，又能滿足室內(nèi)舒適度要求，是比較切實(shí)可行的辦法。

　　作者單位：上海茵捷建筑科技有限公司

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