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窗户尺寸对低能耗房屋能量平衡的影响
Mari-Louise Persson，Arne Roos
摘要：一种普遍接受的建造被动房屋的方法是向北开放小窗户，向南开放大窗户。这是为了尽量减少北侧的损失，同时在南方获得尽可能多的太阳能热量。2001年春天，在哥德堡外面建造了20座梯田住宅，部分就是这样建造而成。通过被动方法，利用太阳能增益和家用电器和居住者的内部收益，将室内温度保持在舒适的水平。由于建筑围护结构良好隔热，并且安装了现代涂层三层玻璃窗，因此热损失非常低。
这项工作的目的是研究在这些低能耗房屋中减小面向南方的窗户尺寸并增加朝北的窗户尺寸将怎样影响将室内温度保持在23至26℃之间所需的能量消耗和最大功率。且已经研究了不同的取向以及窗口类型的影响。
使用动态建筑模拟工具DEROB-LTH，模拟结果表明房屋的能源需求极低。结果表明，节能窗户的大小对冬季供暖需求没有重大影响，但与夏季的降温需求相关。这表明，与传统的建造被动房屋的方式不同，可以扩大朝北的窗户区域，并获得更好的照明条件。为了降低冷却所需的过高温度或能量的风险，朝南的最佳窗户尺寸小于被调查建筑物的原始尺寸。
关键词：节能窗；低能耗窗；建筑模拟；DEROB-LTH；窗户尺寸
目录
一、介绍
被动式房屋是在夏季和冬季不需要传统供暖系统的情况下，确保室内气候舒适的建筑。为了实现这一目标，建筑物对空间供暖的年需求量不得超过15 kWh / (msup2;·年)[1]。例如，这种最小的加热要求可以通过加热通风系统中的供应空气来提供 - 在任何情况下都是必需的系统。在建造被动式房屋时，常见的技术是让大窗户区域朝南，并使用朝北的小窗户，以尽量减少通过窗户的热量损失。随着建筑外围护结构的U值多年来变得越来越低，这可能不再那么重要了。
2001年春天在瑞典哥德堡外建造了20栋梯田屋。距离大海5分钟路程，距离市区20分钟车程，难怪有些租户因为地理位置而选择住在那里[2]. 这些房屋的设计旨在通过使用最好的建筑技术最大限度地减少供暖的能源需求。它们的图片可以在图1中看到，显示了具有相对大的窗口区域的南立面。其玻璃阳台护栏的设计不会遮挡窗户。在北面，窗户面积比正常小，以减少热量损失。屋顶悬垂和阳台防止房间在夏季期间过热，但在冬季太阳较低时不要减少入射辐射。
这些房屋采用超厚绝缘材料和非常气密的结构，无需传统加热系统即可保温。所有这些都需要非常严格的质量控制，因为任何不受控制的空气泄漏都会导致热量损失。通过项目涉及的各方之间的密切合作，实现了这一目标。然后假设来自居住者员的身体热量以及他们使用产生热量的电气设备足以将室内温度保持在20℃。在最寒冷的冬季，通风系统中安装了900 W的电动助力加热器作为备用。通风系统还配备了高效的热交换器。屋顶上安装了太阳能集热器，以满足50％的热水需求。所有安装的窗户都是现代节能窗户。
本论文的目的是从能源角度评估露台房屋窗户系统的大小和方向的重要。
二、建筑物的动态能量响应LTH（DEROB-LTH）
建筑物的动态能量响应LTH（DEROBLTH）[3]是用于对建筑物进行能量模拟的模拟工具。该程序由六个交互计算模块和三个显示例程组成（见图2）。这些模块是单独执行的，这有助于加快程序的运行速度。如果在模型中定义了新的气候文件，则不必重新计算建筑物的几何图形，但可以按照之前模拟中的方式使用。
第一个模块使用输入数据计算建筑物几何图形。在第二步中，计算建筑物表面之间的辐射热传递的视角因子。第三步，确定建筑物表面之间的短波和长波辐射的分布因子。第四步保持传热特性，第五步计算太阳辐射的逐时分布。冷却和加热所需的能量与小时温度值一起存储在模块6中。显示程序产生图表，舒适性分析和建筑几何图形。
建筑物被定义为在一个容积中具有一个或多个房间的不同部分（见图4）。通过使用太阳能增益，体热和内部增益，可以计算为实现所需室内温度所需的空间加热和冷却需求（见图3）。
输入：建筑几何图形
材料的隔热性能
气候条件
通风气流
加热及冷却设定点
内部得热（人体及设备散热）
输出：空间加热及冷却需求热量（KWh）
加热及冷却峰值功率（W）
温度（℃）
太阳辐射分为漫射和直接部分，它们分开处理。它也可以作为建筑物两个房间之间的短波辐射传播，这有利于模拟具有大窗户区域或内部窗玻璃的建筑物。在计算过程中详细处理太阳辐射也是DEROB-LTH的优势。
输出表示为每个体积的每小时值。加热和冷却需求以W/h给出，表示保持一定温度所需的加热/冷却需求。计算用于冷却的能量指门和窗关闭后空调单元用于冷却建筑物的能量。冷却需求也可被视为过热风险的指标。还计算了用于冷却和加热的峰值负载。在确定加热和冷却设备的尺寸时，峰值负载对于研究是非常重要的
三、模拟模型
DEROB-LTH用于模拟梯田房屋在一年中在能源方面的表现。模拟工具在第2节中描述。如图4所示，构建了一个由五个容积组成的中等大小的房屋模型。总建筑面积为120平方米，原始窗户面积约为16％，超过瑞典建筑法规[4]建议的内部充足照明条件。然而，南窗区比朝北的区域大得多。建筑围护结构是通过定义墙壁，地板和屋顶中不同元素的属性来建立的。窗户由三层玻璃单元中的窗格和气层的相应特性以相同的方式组成，并且框架被添加为墙壁部分。定义的模拟参数在以下部分中给出。
3.1 位置、朝向及气候
这些房屋位于瑞典南部，最初以大窗户朝南为导向。在模拟中，房屋朝向不同的方向，以研究它如何影响能源需求。我们使用了1988年的小时数据气候文件，该数据被认为是哥德堡的平均年份的气候条件。这些气候文件由瑞典气象和水文研究所SMHI提供。
3.2 构造
与瑞典的传统房屋相比，这些房屋的建筑结构的气密性与隔热性能更强。隔墙是分隔公寓的墙。它们被定义为绝热壁，因为没有假设热量通过它们传递。房子里面有几个内墙。在表1中，已经指定了构造材料的不同U值。
3.3 窗户
这些房屋安装了两种不同的三层玻璃窗组合。一种组合是可操作的，即可以打开以进行通风。另一种玻璃组合是固定的三重IG单元。两种组合均由三个4毫米厚的窗格组成。
在固定窗口中，IG单元的中间窗格是普通的透明浮法玻璃，而外窗格和内窗格具有面向中间窗格的薄银色low-E层。窗格之间的两个间隙填充有90％的氪。
可操作的组合包括一个单外板和一个双IG单元。IG单元填充有90％的氩气，而IG单元和外部窗格之间的通风空间中存在空气。面向房间的IG单元中的窗格在其外表面上具有薄银层，如在固定组合中，并且外窗格在其内表面上具有硬质氧化锡涂层。
在DEROB-LTH中，通过窗格的太阳光透射率，反射率和发射率来识别不同的窗口，并将它们与气体填充物相结合。表2中列出了不同窗格的指定值。
3.4 遮阳
这些房屋建有一个延伸的屋顶，可防止太阳辐射在夏季进入朝南的窗户，但在春天和秋天太阳较低时则能让其进入。此阴影包含在模拟模型中，但不包括其他外部阴影，例如树木和其他周围建筑物。
3.5 内部得热与HVAC
关于房屋内部的热量增加的假设来自电器和体热[5]。这一年分为两个时期，夏季（6月至8月）和冬季，内部收益分别为11.9和12.7千瓦时/天。此外，假设租户在周末比在工作日更多地在家，这也在模拟模型中被考虑。在所有的模拟中，一个四口之家，两个成人和两个孩子，应该住在房子里。成年人的体热比儿童更多。
建议房屋应保持最低室内温度23℃，室内最高温度26℃。通常情况下，20℃被认为是标准的室内温度，但是将温度设定值提高到23℃的决定是由于项目评估期间房屋的实际温度[6]。
冷却的设定点定义为当占用者打开窗户并使用遮阳装置时的温度。
室内温度的设定点保持恒定至Tmin = 23℃，Tmax = 26℃，渗透速率为每小时0.035次换气。内部收益总结在表3中。假设一名成年人贡献70瓦，并根据占用时间表将可用的内部收益添加到表中。
在实践中，通风系统中的电加热器提供额外的热量，但也可以使用其他能源。请注意，梯田式房屋没有配备主动冷却系统。相反，通过通过天窗的通风来促进房屋的冷却，当与其他窗户中的一个开口组合打开时，该天窗产生烟囱效应。这项研究尚未对此进行建模。
四、结果与讨论
建造低能耗房屋以最大限度地减少温带气候下的供暖能源需求。由于它们比普通房屋需要更少的能量，因此它们也将减少免费太阳能的利用。通常被动房屋建有朝南的较大窗户区域以收集太阳能，但在这种情况下，问题是：尺寸是否重要？在本节中，将介绍和分析模拟的一些结果。结果基于本文作者[2,7,8]的早期工作。
由于23℃（而不是20℃）的最低温度略高，因此需要比类似的标准模拟更多的加热能量。对于中等大小房屋进行模拟的事实减少了与末端房屋相比所需的相同能量。
在所有情况下，与目前建造的大多数建筑物相比，总能量需求仍处于较低水平。根据瑞典国家测试研究所的测量，Linds房屋供暖的平均能源需求为1642千瓦时[9]，而根据今天标准建造的瑞典梯田房屋在相同的生活区域仅使用5088千瓦时[10]。
4.1 朝向
如上所述，大型窗户区域通常安装在建筑物的南侧面以获得太阳能，而朝北的区域则较小。由于在高纬度地区可用太阳辐射较少的寒冷月份需要额外的能量，因此在这种情况下大型玻璃幕墙的方向不太重要，窗户的大小也是如此。为了进一步研究这个问题，我们模拟了不同方向的梯田房屋。
在图5中，针对房屋的不同方向示出了用于加热和冷却的年度能量需求。在该图中，正轴表示加热需求，负轴表示冷却需求。结果表明，如果房屋放置时大窗户朝南，则需要较少的能源供暖。将窗户朝向西方或向东方向定位并不会明显影响能量平衡。因此，应该可以不同地定向房屋，而不会消耗太多能量。还应该可以更均匀地分布窗口区域，即减小面向南方的窗口区域并增加面向北方的区域。
峰值功率需求对于这种建筑的性能非常重要。在图6中，示出了用于房屋的加热所需的功率，使得玻璃幕墙朝北。可以看出峰值功率仅为950W，并且仅在模拟年的1小时内需要。所有值都非常低，例如可以与普通微波炉的功率进行比较。这表明，即使是朝向北方的大窗户区域，房屋也表现得非常好，并且暗示朝向北方的窗户区域可以在原始设计中增加，以从该侧带来更多光线。需要进一步调查，以了解这将如何影响每个房间的能源需求和采光。朝向南方的房屋的相应数值如图7所示，它们略低。由于在这个方向上寒冷但阳光充足的日子，太阳的贡献更高，因此价值也更加分散。
4.2 窗户尺寸
如果使用普通的无涂层三层玻璃窗代替现在使用的低辐射窗，则需要几乎两倍的能量来加热房屋（见图8）。通过比较没有窗户的情况和最初的窗户与能量玻璃的情况，可以看出使用节能窗户甚至比没有窗户的高隔热墙更好。这是因为在阳光照射和室外温度低于室内温度期间，窗户可以收集和使用太阳能来加热房屋。
面向南方的窗户玻璃面积减少20％甚至50％，表明该区域不会对年度供暖需求产生太大影响。这是由于隔热墙的U值为0.09 W /（msup2;·K），优良的窗户和高效的通风系统，这些都可以最大限度地减少房屋的能源需求。最大的能量需求发生在冬天，当太阳照射的时间比一年中的其他部分时少，因此房屋不会像隔热的房屋那样使用太多的太阳能。大部分覆盖有能量玻璃的南面板的情况也被模拟，图8中的大窗户实际上需要更多的能量，不仅用于冷却，而且用于一年中的加热。在该模型中，为简单起见，仅增加了玻璃面积并且框架区域保持
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