农村民居外窗日光采暖的敏感性分析

Sensitivity Analysis of Solar Heating through the Outside Window of the Residential in Rural Areas

Liang Haidong；Luo Jianghai

（Shijiazhuang Vocational Technology Institute，Shijiazhuang 050081，China）

摘要：本文从建筑节能的角度论述了北方寒冷地区太阳辐射能量通过外窗玻璃对室内温度的影响，并根据一个简单的计算模型，分析了几种常用玻璃窗的建筑节能特点，计算结果表明：对于建筑外窗形式，双层玻璃窗节能效果最好，中空玻璃其次，单层玻璃最差；对于日光采暖，当地的太阳辐射强度，建筑物的朝向和光照是重要的影响因素，即太阳辐射能量是一个非常重要的敏感因素，而室外温度并不是一个敏感的因素。

Abstract: From the point of energy-saving, this article discussed the influence of solar radiation energy through the outside windows of building in northern cold regions on the room temperature, and based on a simple calculation model, analyzed building energy-saving features of several commonly used windows. The results show that, for the form of windows, the double-layer windows have best energy saving effect, hollow glass followed, the single-layer glass is the worst; for solar heating, the local solar radiation intensity, building orientation and lighting are important factors, namely the solar radiation energy is a very important sensitive factor, while the outdoor temperature is not a sensitive factor.

关键词：建筑节能 日光采暖 敏感性分析

Key words: building energy efficiency；solar heating；sensitivity analysis

中图分类号：TU24 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）27-0067-02

0引言

随着国民经济的高速发展，现代社会需要消耗大量能源，而其中建筑物中所消耗的能源几乎占到全部能源消耗总量的一半左右。在能源价格持续攀升的情况下，建筑节能问题引起我们的重视。

在建筑节能问题中，外窗节能问题是最为关键和最为突出的内容。因为在现实中，外窗的面积和其采暖能耗是不成正比的。特别是广大农村住宅由于没有集中供热，一般中小住宅每年冬天大约需要2-3吨燃煤用于取暖，价值2000多元，对农村居民确实是一个沉重的经济负担。因此，尽可能采用日光采暖，应该是我们建筑节能研究中的一个重点。就外窗与外墙而言，两者在采暖性能方面有着巨大的差异，外墙的保温隔热性能比外窗好，而外窗在利用太阳光照方0引言

随着国民经济的高速发展，现代社会需要消耗大量能源，而其中建筑物中所消耗的能源几乎占到全部能源消耗总量的一半左右。在能源价格持续攀升的情况下，建筑节能问题引起我们的重视。

在建筑节能问题中，外窗节能问题是最为关键和最为突出的内容。因为在现实中，外窗的面积和其采暖能耗是不成正比的。特别是广大农村住宅由于没有集中供热，一般中小住宅每年冬天大约需要2-3吨燃煤用于取暖，价值2000多元，对农村居民确实是一个沉重的经济负担。因此，尽可能采用日光采暖，应该是我们建筑节能研究中的一个重点。就外窗与外墙而言，两者在采暖性能方面有着巨大的差异，外墙的保温隔热性能比外窗好，而外窗在利用太阳光照方面远优于外墙。外窗通过吸收大量的太阳辐射能量，使室内获得自然热量，在冬季实现日光采暖，有效地降低了化学能源的消耗。由此可见，我们加强对外窗的太阳辐射热能研究就显得相当必要了。

1外窗日光采暖的直观认识与感性分析

众所周知，外窗所接收的太阳辐射有直射、散射和反射三种类型，每种类型的特点和作用是不尽相同的。这些太阳辐射热能并不能全部地传到室内，它有很大一部分会被外窗所吸收和反射，这不仅导致了外窗玻璃自身温度的提高，也导致了其对流向室内的传导。

在现实中，外窗玻璃传递的热能主要有温差传热和太阳辐射传热两部分内容。这两部分内容都有自身科学的计算方法，以每平方米的玻璃为标准，其温差传热部分为：Q1=U×（T0－Ti）。在这个公式中，Q1代表着温差传热部分，U代表着玻璃的传热系数，T0－Ti代表着玻璃两侧室内外的温度差。而太阳辐射传热部分为：Q2=0.97×I0×Sc×Rz，而在这个公式中，0.97是大气透明度，I0是照射在玻璃上的太阳辐射强度，Sc是遮阳系数，Rz是日照百分率。因此，外窗玻璃传递的热能Q=Q1＋Q2=U×（T0－Ti）＋0.97×I0×Sc×Rz。从这个公式中，我们可以看出，影响传递热能的因素主要有U和Sc两个。具体地说，U反映着玻璃保温性能的差异，U值越大，传递的热能越多，但玻璃的保温性能较差。而Sc体现了玻璃日光采暖性能的差异，Sc值越大，进入室内的阳光比例状况越佳，同时玻璃的日光采暖性能就越好。

为了更好地阐述以上所述的问题，我们在固定玻璃面积、气温环境、太阳辐射能量的前提下，对北京市的常用玻璃窗的主要光热状况进行了统计分析，并以此制作了表1。

从表1中，我们不难发现，在这些常用的窗户类型中，断热桥铝合金双层玻璃窗和塑钢双层玻璃窗的节能效果是最佳的，分别可以节能43度和44度，这完全能满足建筑节能的要求。而传统的铝合金单层玻璃窗是高耗能的，整个冬季耗能量最高为－200度，不能满足节能的需要。由此可见，窗户类型在提高室内热量方面发挥着极其重要的作用。

2农村民居外窗日光采暖的敏感性分析

为了进一步地提出建筑节能问题的可行性措施，敏感性分析将成为本文的核心内容。敏感性分析是指从定量分析的角度研究有关因素发生某种变化对某一个或一组关键指标影响程度的一种不确定分析技术。其实质是通过逐一改变相关变量数值的方法来解释关键指标受这些因素变动影响大小的规律。具体到建筑节能问题，它主要研究外界因素的变化对节能效果的影响程度。在现实中，我们主要用敏感性大小的指标来衡量这一问题。所谓敏感性大小，是指节能效果评价值对外界因素变化的敏感程度。通常将对节能效果评价值产生较大影响的外界因素称为敏感因素，而将相对影响较弱者称为不敏感因素。通过对敏感性大小的分析，有利于我们发现影响节能效果的主要因素，有利于我们提出合理、有效的改进措施。

从定义中，我们可以看出，敏感性分析是通过一种因素的变化来研究另一种因素变化的。因此，它的基本研究方法应当是因素替换法。因素替换法，就是指在保持公式中其它因素不变的前提下，去研究一种因素变化对整个事物的影响，然后以此类推，来找出所有的影响因素以及最为关键的因素的一种分析方法。下面，我们就对公式Q=Q1＋Q2=U×（T0－Ti）＋0.97×I0×Sc×Rz中的每一项因素进行逐一地分析，详细内容如下：①我们来研究日照百分率Rz对建筑外窗节能效果的影响。我们首先以60%为起始值，然后分别提高和降低10个百分点来分析其变化。得出的数据如下：当Rz值为70%时，塑钢中空玻璃窗的节能量达到32度/m2，而且断热桥铝合金中空玻璃窗从耗能状态转为节能状态，节能量提高了37度，节能效果明显；当Rz值为50%时，塑钢中空玻璃窗的耗能量提高到32度/m2，而断热桥铝合金中空玻璃窗的耗能量提高到59度/m2，节能效果更为明显。②我们来研究遮阳系数Sc也就是建筑朝向对外窗节能效果的影响。与上文类似，我们先以正南方向为起始值，然后分别将方向调整为南偏西30度和西南45度来分析其变化。得出的数据如下：当方向为南偏西30度时，太阳日辐射总量为3319W/m2，塑钢中空玻璃窗的耗能量提高了26度，而与上文相反的是，此时塑钢和断热桥铝合金双层玻璃窗具有一定的节能效果，节能量分别达到19度/m2和14度/m2；而当方向为西南45度时，几乎所有类型的外窗玻璃都呈现不同程度的耗能状态，也就是说，它们不具有任何的节能效果。由此可见，为了更好地达到建筑节能的目的，我们应当将外窗朝向调整为正南或者南偏西30度的方向。③我们来研究不同地区冬季平均温度和太阳辐射强度对建筑外窗日光采暖的影响。本文选取了六个主要城市为比照对象，通过数据的比照来直观地分析这两项因素对于建筑节能的影响。首先，我们将这六个城市的冬季平均温度和太阳辐射强度的数据进行了表2的统计，具体情况如表2。其次，根据表1以及表2的内容，我们对三种比较有节能效果的外窗玻璃的传递热能进行了统计分析，具体内容如表3所示。

除已讨论过的北京地区外，基于表2和表3的数据，我们将其它五个城市的日光采暖效果作出了如下的归类分析：①日光采暖效果最好的城市是西宁。这是由于西宁的海拔高度造成的。太阳辐射强就很好地弥补了其冬天平均温度较低的劣势。②日光采暖效果较好的城市是呼和浩特。与西宁相比，其太阳辐射强度低，而其冬天平均温度也低，这就导致了其日光采暖效果劣于西宁。③日光采暖效果一般的城市是沈阳和兰州。沈阳的冬天平均温度低、太阳辐射强，而兰州的冬天平均温度高、太阳辐射弱。它们不像西宁和呼和浩特那样，通过较强的太阳辐射来弥补冬天平均温度低的劣势，而是两种因素相互抵消，使得它们的日光采暖效果一般。④日光采暖效果最差的城市是西安。由于西安太阳辐射最弱，虽然其也是冬天平均温度最高的，但这并不足以弥补太阳辐射弱而带来的消极影响。

3结论

通过以上分析，我们不难发现，影响一个城市日光采暖效果的因素主要有两个，一个是太阳辐射强度，另一个是冬天平均温度。太阳辐射会带来的是日光采暖效应，而冬天平均温度带来的是室内散热效应。而在这两个因素之中，最主要的因素就是太阳辐射强度。这也就是我们所研究的敏感性分析的重要内容和结果，也是解决建筑节能问题的重要依据。以这六个城市为基准，我们来上升为对整个农村地区的研究。对于北方广大农村而言，虽然其冬季比较漫长，而且室外温度较低，这不利于日光采暖。但是，其晴天多、阳光充足，而且阳光入射角小，这些都有利于日光采暖效果的提高。对于南方广大农村而言，由于纬度较低，太阳辐射本身就强，日光采暖效果也是非常理想的。对于广大农村地区而言，尽管室外温度比城市低，但农村，光照条件好，太阳辐射强度因此要比相邻城市高一些，相比城市更加有利于日光采暖的要求。最好采用塑钢和断热桥铝合金双层玻璃窗，在隔热保温的基础上最大限度地利用太阳辐射能量，从而节约大量的燃煤消耗，实现建筑节能的要求。

参考文献：

[1]涂逢祥主编.《节能窗技术》，中国建筑工业出版社，2003.92．民用建筑热工设计规程JGJ24―86，建设部，1986.7.13．建筑气象标准JGJ35―87，建设部，1987.7.1

[2]梁海东，罗江海.建筑外窗日光采暖的敏感性分析[M].应用技术，2011，（1）.