窗墙比对围护结构传热的影响分析

窗墙比对围护结构传热的影响分析
卢丽冰;王玉石;高梦;吴国忠;李栋
【摘要】以住宅的围护结构、朝向和当地气候的特点为研究对象,选取南、北朝向不同窗墙比的围护结构进行传热分析,建立了不同窗墙比的围护结构传热模型,计算出南北朝向的逐时热流密度值,并作为计算窗户传热的边界条件,利用FLUENT软件对进行数值模拟.模拟结果表明随着窗墙比的增加,围护结构传热量迅速上升.%By taking the enclosure structure and orientation of housing and characteristics of local climate as the research object,the heat transfer analysis on the different window-wall ratios of enclosure structure in southern and northern orientation are studied. With different window-wall ratios, the heat transfer model of enclosure structure is established, which can calculate hourly heat flux value as boundary conditions of calculating window heat transfer. The heat transfer model is simulated using FLUENT software. The results show that heat transfer quantity of enclosure structure increased rapidly with increasing window-wall ratio.
【期刊名称】《低温建筑技术》
【年(卷),期】2011(033)010
【总页数】3页(P105-106,117)
【关键词】窗墙比;围护结构;能耗;影响分析
【作者】卢丽冰;王玉石;高梦;吴国忠;李栋
【作者单位】东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318;东北石油大学
土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大
庆163318;东北石油大学土木建筑工程学院,黑龙江大庆163318;东北石油大学土
木建筑工程学院,黑龙江大庆163318
【正文语种】中文
【中图分类】TU111.19
我国建筑能耗所占社会总能耗的比例已经接近28%。

特别是我国严寒地区，冬季
围护结构传热能耗中，通过窗户的热损失所占比重很大，其通过窗户的传热损失和空气渗透热损失总和约占总热损失的30%。

窗户是由玻璃或其他透光材料以及框
架组成的透明围护结构。

窗户具有保温性差、密封性低、能够直接透射太阳辐射热等特点。

透明围护结构与非透明围护结构单位面积传热能耗不同，窗墙比的变化将导致二者的建筑面积的此消彼长。

因此，窗墙比对围护结构能耗影响较大，是建筑能耗的重要影响因素之一。

国内的很多学者对这方面进行了探讨与研究。

梁珍，赵加宁，路军对公共建筑能耗在主要影响因素方面进行了模拟计算并采用正交试验方差分析方法分析［1］;侯余波，付祥钊对建筑能耗在夏热冬冷地区窗墙比方面利用DOE-2软件进行了分析［2］;简毅文，江亿采用DeST软件对建筑全年的供暖、空调能耗进行了动态模拟，分析了窗墙比对建筑全年供暖、空调能耗的影响规律［3］;陈雷娟，刘春花利用DeST-h软件对建筑模型进行建筑节能模拟［4］;冯雅，杨红对建筑开窗受太阳辐射的热过程影响进行了计算分析［5］。

但针对严寒地区不同窗墙比的传热研究相对来说还较少。

考虑到上述情况，本文结合严寒地区大庆农村住宅围护结构、气候的特点和农村住
宅的朝向特点，选取南、北朝向不同窗墙比的围护结构，建立了窗户的传热模型及不同窗墙比的物理模型，计算出南北朝向的不同窗墙比时的逐时热流密度值，将该密度值编写成UDF程序，作为计算窗户传热的边界条件，利用FLUENT软件对模型进行数值模拟，分析窗墙比对围护结构传热的影响。

1 问题描述和数学模型
1.1 问题描述
墙体采用240mm粘土砖墙，墙体外部加80mm厚的EPS保温板，单侧墙体(包
括窗户)的总体尺寸为3m×4m，窗户选择采用4级塑钢窗，窗户玻璃采用9mm
中空玻璃。

窗墙比分别为:0.1、0.2、0.3、0.4、0.5。

1.2 数学模型
由于透光围护结构可以透过太阳辐射，而且这部分热量在建筑物热环境的形成过程中发挥了重要的作用，因此形成的热交换得热包括两部分:通过玻璃板壁的传热量
和透过玻璃的日射辐射得热量。

窗户的传热控制方程为:
式中，q为窗户总的传热热流;q1为窗户通过导热传递到室外的热流;q2为冷风渗
透耗热;q3为太阳辐射穿过窗户得热。

(1)窗户通过导热传递到室外的热流。

由于玻璃的比热较小，且玻璃与墙体相比较薄，所以对玻璃热传递近似采用各时刻室内外温度差的方法计算:
式中，tw、tn分别为室外、内温度;K为玻璃传热系数。

式中，Cp为空气的比定压热容;ρw为供暖室外计算温度下的空气密度。

塑钢窗冷空气渗透量采用GB/T 7107-2002《建筑外窗气密性能分级及检测方法》
中规定的方法进行计算，公式如下:
式中，V为渗透冷空气量;L为通过每m塑钢窗缝隙进入室内的渗透冷空气量;n为渗透空气量的修正系数;l为塑钢窗缝隙的计算长度。

(3)太阳辐射透射得热量:对于窗户等透明围护结构，除太阳辐射引起温差传热外，还存在太阳辐射透射得热，即太阳辐射引起的瞬间得热，其计算公式如下［6］:
式中，τD为玻璃的直射辐射透过系数;τF为玻璃的散射辐射透过系数;ID、IF为垂直面上的直射和散射辐射强度;μ为窗户的太阳辐射通过系数，取0.7;β为太阳热利用系数，取1;γ为窗户结霜影响系数，南向取0.5，北向取0.2;τ为窗户的总透过系数，取0.37;I为太阳辐射强度。

2 窗户当量热流密度计算
针对该墙体的窗户尺寸见表1缝隙长度为7.6m，窗户尺寸为0.8m ×1.5m;缝隙长度为 10.4m，窗户尺寸为1.2m×2m;缝隙长度为11.6m，窗户尺寸1.8m ×2m;缝隙长度为13.6m，窗户尺寸为2m ×2.4m;缝隙长度为 16.0m，窗户尺寸为
2m×3m。

表1 墙体窗户尺寸/m 7.6 10.4 11.6 13.6 16.0窗户尺寸/m·缝隙长度m 0.8 ×1.5 1.2 ×2 1.8 ×2 2 ×2.4 2 ×3
冷风朝向修正系数:北 0.3，南 1.0［7］。

每米渗入空气量为L=1.5m3/(m·h)。

在冬季室外平均风速vpj=3.8m/s。

室外温度采用大庆地区1月份室外温度，假定室内恒温，取291K。

对窗户的传热计算进行简化处理，根据式(1)可计算出窗墙比0.1～0.5时北窗和南窗的当量热流密度值，计算结果如图1和图2所示。

由图1和图2可以看出，由于南窗采光效果好于北窗，所以临近中午太阳辐射引
起的瞬间得热量南窗明显高于北窗，南窗总体向室外热流密度迅速降低，导致南窗的传热的波动值明显大于北窗。

3 计算结果与讨论
为便于计算，墙体上下边缘的边界条件选择绝热;窗户的边界条件为第二类，选择
当量热流密度;墙体内表面的边界条件为第三类，外表面对流换热系数
8.7W/(m2·K)，温度为291K。

通过对模拟得到单侧围护结构(包括墙体和窗户)单位面积的的热流密度值，如图
3～图6所示。

由图3及图4可以看出，在围护结构材料相同的情况下，随着窗墙比的增大，围
护结构热流密度增加;随着太阳辐射的加强，在接近中午12时，外墙所得的太阳辐射能逐渐增大，导致整体传热量下降;随着窗墙比的增加，热流密度产生的波动幅
度增加，昼夜热流密度浮动越大;其中，北向外墙昼夜热流密度的波动幅度明显较
南向外墙小。

由图5及图6可以看出，随着窗墙比的增大，窗户传热占总墙体(包括窗户)能耗的比例迅速增加;在临近中午12点的时候，南窗传热占总能耗有所下降，说明该时刻窗户所得太阳辐射较多，南窗传热量下降;而北窗传热量所占的比例随时间变化很小。

当窗墙比达到0.5时，窗户的传热已占外墙的总能耗的90%左右。

4 结语
随着窗墙比的增大，围护结构热流密度增加，窗户传热占总墙体(包括窗户)能耗的比例迅速增加。

越接近中午12时，外墙所得的太阳辐射能越大，导致整体传热量下降;南窗传热量下降比北窗明显。

窗墙比越大，昼夜热流密度浮动越大;当窗墙比
达到0.5时，窗户的传热已约占外墙的总能耗的90%。

参考文献
［1］梁珍，赵加宁，路军.公共建筑能耗主要影响因素的分析［J］.低温建筑技术，
2001，(3):52-54.
［2］侯余波，付祥钊.夏热冬冷地区窗墙比对建筑能耗的影响［J］.建筑技术，2001，32(10):661-662.
［3］简毅文，江亿.窗墙比对住宅供暖空调总能耗的影响［J］.暖通空调HV＆AC，2006，36(6):1-5.
［4］陈雷娟，刘春花.建筑窗墙比对于建筑耗冷量耗热量的影响［J］.山西建筑，2010，36(33):250-251.
［5］冯雅，杨红.《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中窗墙面积比的确定［J］.西安建筑科技大学报(自然科学版)，2001，33(4):348-351.
［6］薛殿华.空气调节［M］.北京:清华大学出版社，1991.
［7］董重成，李春刚，张思思.塑钢窗冷风渗透耗热量计算［J］.暖通空调，2009，39(9):104-107.。