1 引言
窗戶是建筑必不可少的組成部分，其長期使用能耗約占整個建筑長期使用能耗的50％，十分可觀，因此窗戶的節能是建筑節能的重要突破口。近年來我國窗戶節能領域出現了很多的新技術，使得過去品種單一的窗戶不僅變得形式多樣，熱工性能也更為復雜。此時單憑窗戶的玻璃層數，或是窗戶的傳熱系數甚至已知窗戶的所有熱工參數，也無法衡量不同窗戶在具體使用條件下各自的節能效果。如何根據不同地區的氣象條件，合理選擇窗戶材料、形式以達到最佳節能，則需要深入研究窗戶的熱工特性從而科學合理地制定出窗戶節能效果優劣的標準。
住宅窗戶的主要評價參數有：太陽得熱系數G、整窗傳熱系數U和空氣滲透率AL，為綜合考慮這些參數的影響，建立一套合適標準來評價、區分各種窗戶產品，本文提出了兩個新的參數：ER和ERC，并選取19種典型窗戶，分別計算它們應用在北京和哈爾濱的不同朝向時的能耗值，線性回歸得到ER和ERC關于U和G的公式（當窗戶密閉等級符合設計標準的要求時，空氣滲透率AL對于窗戶能耗的影響很微小，故本文不將其列入研究），直觀反映了具體朝向和具體氣象參數下窗戶的節能情況。ER和ERC越大，該窗戶的節能效果越好。
2 窗戶的熱工參數研究
2.1 窗戶主要熱性能指標
窗戶的得熱和失熱形式包括：太陽得熱、熱傳導和空氣滲透，相對于這些形式各有對應的評價參數，即太陽得熱系數G、傳熱系數U和空氣滲透率AL。
太陽得熱系數G是指透過窗戶進入室內的太陽能量與入射到窗戶外表面的太陽能量的比值。該值越小，窗戶的太陽輻射得熱量就越少。傳熱系數U定義為：在單位溫差下通過單位面積窗戶所傳遞的熱量。在相同的室內外溫差下，U值越低則通過對流傳導傳遞的熱能越少。本文討論的窗戶傳熱系數，是指整窗的綜合傳熱系數。
空氣滲透率AL是與窗戶密閉性能有關的量，以目前國內門窗的生產水平，要達到設計標準要求的密閉等級并不難。根據國外的研究成果，當窗戶密閉等級符合設計標準的要求時，它對于窗戶能耗的影響很微弱，所以本文不將其列入研究，默認窗戶的密閉性能達到了設計規范的要求。
2.2 窗戶熱工參數的模擬計算
由于不可能對所研究窗戶的熱工參數一一測試，所以，在本文研究中提出了模擬計算的方法。模擬計算方法是基于玻璃窗的傳熱物理模型，通過計算求得窗戶的熱工性能參數。
在模擬計算中，一般把窗戶分為三個部分：中心玻璃，邊緣玻璃和窗框。對于窗戶的中心玻璃部分，一維傳熱模型與實際情況已很接近，而窗戶的玻璃邊緣，尤其是雙層窗兩層玻璃邊緣之間的墊片材料的導熱能力比玻璃間氣體層的導熱能力要大很多，產生“熱橋”效應，必須采用二維傳熱模型，窗框的傳熱也可近似為一維傳熱。在求得各個部分的傳熱系數和已知各部分面積的基礎上，對這三個部分的傳熱系數進行面積的加權平均，就得到窗戶整體的傳熱系數。本文應用了WINDOW4.1軟件來計算窗戶玻璃的U值和G值。
2.3 窗戶能耗評價體系
目前我國常用的窗戶玻璃的選型依據是遮陽系數Sc，Sc的定義是：透過該玻璃的太陽能與相同條件下透過3mm普通透明玻璃的太陽能量的比值。反映了窗戶對陽光的遮蔽效果，Sc越高則透過窗戶的太陽能越多，反之則越少。但這種評價方法有著明顯的不足之處。首先，遮陽系數Sc只能反映窗戶夏季遮陽節能，沒有考慮冬季透光節能，因此很不全面。其次，它不能從長期角度如整個空調期或供暖期來分析窗戶節能效果。
文獻(1)中介紹了美國和加拿大的窗戶能耗等級評價體系。雖然這兩個國家的評價體系的計算方法和結果表現形式都不相同，美國的HR和CR體系是通過動態模擬計算窗戶的能耗，而加拿大的ER體系則是穩態計算窗戶的傳熱量。但兩者的評價要素都是太陽得熱系數、窗戶的傳熱系數和空氣滲透系數。由此我們可以得到啟發：綜合考慮太陽得熱系數、窗戶得熱系數及滲透系數是設計和選擇窗戶得關鍵。
3 建筑能耗計算
3.1 計算軟件簡介
為了準確的得到與窗戶有關的建筑能耗，本文選用了動態能耗模擬計算軟件Dest Housing，對建筑物進行逐時的模擬計算。
DeST是Designer's Simulation Toolkit的縮寫，中文名為建筑熱環境設計模擬工具包。是清華大學空調實驗室在十余年的科研成果的基礎上，研制開發的面向暖通空調設計者的集成于AutoCAD R14上的輔助設計計算軟件。DeST能夠模擬計算建筑在逐時外溫、太陽輻射、室內熱擾、長波輻射、鄰室影響等綜合作用下的逐時自然室溫和耗冷耗熱量。
3.2 窗戶計算原理
在DeST Housing中，窗戶在建筑整體的計算中是作為圍護結構的一部分嵌入的，由于DeST是運用狀態空間法進行傳熱計算，因此窗戶跟墻一樣，要分層并給定溫度節點，已有的算法認為每片玻璃的中心為一個溫度節點，根據這一原則進行分層，列出整個窗戶的熱平衡方程組，在此基礎上將其與整個建筑的熱平衡方程組聯立，就能進行各種計算。
窗戶的特殊之處在于它不僅是類似于墻的一種傳熱構件，還是一種透光構件，這一特殊之處表現在整個算法當中就是將窗戶的計算分為兩個獨立的部分：傳熱和導光，兩者的交叉之處在于消光得熱的計算。傳熱部分由窗戶的熱平衡方程組解決，導光部分單獨計算，并把窗戶吸收的熱量放到熱擾矩陣中去。
3.3 計算過程
3.3.1 定義表示窗戶節能效果的參數：ER/ERC
DeST Housing雖然可以計算出房間的采暖能耗和空調能耗，但是房間能耗并不能直觀地反映窗戶的節能效果。在本文中，定義一種單層透明玻璃窗為基準窗，這個基準窗的具體熱工參數為：U＝6.17 W/ m2. ℃，G＝0.86。假設使用這個窗戶時，房間的采暖季全年累計能耗為（KWh/m2），而使用某一種窗戶n的房間采暖季全年累計能耗為（KWh /m2），房間面積為（m2），窗戶面積（m2），則采暖季累計每平方米窗戶節省的能耗為：，定義：
（KWh/m2） (1)
由于房間能耗從變化到，除了窗戶改變以外，其它條件均保持不變，故ER反映了該窗戶相對于基準窗的采暖季節能量。而任意兩個窗戶的ER的差，則反映了它們之間節能量的差異。ER越大，該窗戶的采暖季節能效果就越好。
同樣假設使用基準窗時，房間的空調季全年累計能耗為（KWh/m2），而使用某一種窗戶n的空調季全年累計能耗為（KWh /m2），則空調季累計每平方米窗戶節省的能耗為，定義ERC如式(2)，則ERC就是一個可以表征窗戶空調季節能效果的數了。
（KWh/m2） (2)
在本文以后的計算分析中，就以ER/ERC來計量某一窗戶的節能效果。
3.3.2 計算條件設定
本文在接近實際情況的基礎上，取了一個實際塔樓建筑的平面圖，該建筑有四個分別朝向東、西、南、北的房間，每個房間有一扇外窗，且這四個房間除了外窗朝向不同外，其它條件基本一致。圍護結構的材料和參數取常用值。
通過改變窗戶玻璃的參數及其玻璃組合，設定了19種玻璃窗并模擬計算的其傳熱系數U和太陽得熱系數G，如表1所示, 其中玻璃g4為有色玻璃，g5為低輻射鍍膜玻璃。空氣層厚度是指兩片玻璃之間的空氣層厚度，單層玻璃窗不存在空氣夾層。
表1 典型玻璃窗結構及其熱工參數
窗戶編號
玻璃組合①
空氣層厚度（mm）
U(W/ m2. ℃)
G
W0
g1
——
6.17
0.86
W1
g4
——
6.17
0.61
W2
g3
——
6.12
0.75
W3
g7+g7
6
3.28
0.83
W4
g2+g2
6
3.27
0.76
W5
g1+g3
6
3.19
0.71
W6
g3+g3
6
3.17
0.61
W7
g6+g6
6
3.07
0.57
W8
g7+g7
12
2.82
0.83
W9
g2+g2
12
2.81
0.76
W10
g1+g1
12
2.75
0.76
W11
g4+g4
12
2.75
0.44
W12
g1+g3
12
2.74
0.71
W13
g3+g4
12
2.74
0.56
W14
g3+g3
12
2.73
0.61
W15
g6+g6
12
2.65
0.57
W16
g2+g5
12
2.24
0.72
W17
g7+g7+g7
12
1.82
0.77
W18
g2+g2+g2
12
1.81
0.68
注①: 玻璃組合從左到右依次為從室外側到室內側的玻璃。如g1+g3，表示該玻璃窗g1玻璃朝向室外，g3玻璃朝向室內。
4 影響窗戶節能效果的因素分析
以ER和ERC為主要度量參數，以北京和哈爾濱兩地為例，利用DeST Housing對建筑樓層、外墻性能、窗墻比、房間大小、內部發熱量和窗戶朝向等可能影響窗戶節能效果的因素分別做了計算分析。這些影響因素的變化范圍的選取，充分考慮了實際住宅可能達到的變化范圍的上、下限，因此，所得的結論適用于普通住宅。計算分析結果表明：
（1）對于多層建筑，窗戶在建筑中所處的樓層位置對窗戶ER和ERC的影響不大，一層以上的房間，窗戶ER基本相等。除了底層和頂層房間，中間樓層的ERC也基本相等；
（2）ER和ERC受外墻保溫和蓄熱性能的影響很小，在討論的外墻變化范圍內，ER的浮動最大不超過5%，ERC的浮動最大不超過10%，一般情況下浮動在2%左右，所以認為，ER和ERC受外墻保溫和蓄熱性能的影響小到可以忽略，即不管和什么外墻配合使用，每平米窗戶節省的能耗基本不變；
（3）當窗墻比從15%變化到30%時，絕大部分窗戶在各個朝向的ER值基本保持不變，個別變化幅度大的，變化的絕對值也小；窗戶ERC的變化幅度比ER的變化大一些，但基本能保持在5%到10%之間。因此認為窗戶的節能效果受窗墻比的影響很小，特別是采暖季；
（4）房間大小對窗戶冬季節能效果的影響很小，可以忽略不計，但是對窗戶空調季節能效果的影響比較大，可不可以忽略要視具體情況而定；
（5）房間的內部發熱量大小在住宅可能的范圍內變化時，對每單位面積窗戶采暖季或空調季平均節能效果的影響并不顯著；
（6）根據普通居民的開窗習慣，房間通風量對窗戶冬季節能效果的影響很小，可以忽略不計；而房間通風量對窗戶空調季節能效果的影響比較大，能不能忽略要視具體情況而定；
（7）窗戶朝向對窗戶節能效果的影響無論采暖季還是空調季都比較顯著，對窗戶的節能研究進行分朝向探討是必要的。
5對北京和哈爾濱的采暖季建立窗戶ER的經驗回歸公式
通過上面的分析發現，表征窗戶采暖季和空調季節能效果的量ER和ERC受住宅樓層、外墻保溫性能、窗墻比、以及房間內部發熱量等因素的影響不大，在誤差范圍內可以忽略。特別是采暖季，房間大小和通風換氣氣數對窗戶節能效果的影響也都小到可以忽略。同時，采暖季不存在遮陽問題，用戶的使用習慣對窗戶節能效果的影響也很少。因此，窗戶采暖季的節能效果可以認為只和窗戶朝向、窗戶所在地理位置和窗戶本身的性能有關。
在窗戶的熱工性能里，影響采暖能耗的主要是保溫隔熱性能、太陽得熱性能和密閉性能。其中，密閉性能對窗戶能耗的影響較保溫性能和太陽得熱性能相比，又小了很多，特別是以目前的技術水平，要使得窗戶達到優良的密閉性能并不難。所以，在本文里暫不考慮窗戶密閉性能對采暖能耗的影響，假設窗戶的密閉性能都很相近，并達到了較好的水平。由此，在相同氣象參數下，窗戶采暖季的節能效果就只和窗戶朝向以及窗戶的保溫性能和太陽得熱性能有關，即在相同氣象參數、相同朝向下，窗戶的ER可以表示為窗戶的傳熱系數U和太陽得熱系數G的函數。如果通過動態模擬計算得到多組窗戶的ER和U與G的關系，就可以回歸成一個經驗公式，用它來預測某種已知U和G的窗戶的采暖季節能效果。該回歸公式可以表示為：，其中和是通過量綱歸一得到的無量綱的量，,，G是太陽得熱系數，原本無量綱。
因為某一窗戶的ER代表了使用該窗戶和基準窗相比，平均每平米窗戶節省的采暖季累計能耗。如果建立了窗戶的經驗回歸公式，就能夠很快地由窗戶的傳熱系數U和太陽得熱系數G計算出，從而也就大概知道了該窗戶在整個采暖季平均每單位面積節省的能耗。當兩個窗戶需要比較節能效果時，就可以通過它們的U和G方便快捷地計算出各自的，大的窗戶節能效果好，從而解決了已知窗戶的熱工參數，但如果不做具體的能耗模擬計算，就無法評價該窗戶節能效果的問題。也避免了單憑傳熱系數U來選擇窗戶可能出現的失誤。當然，由于前面所討論的各個影響因素的存在，利用經驗回歸公式計算得到的值可能和實際值有一定的差異，但是，上面的討論結果和以下的檢驗結果都證明這個誤差不會太大。更重要的是，窗戶按照經驗公式計算的值的大小進行節能等級排序的結果，和按照實際模擬計算得到的值的大小進行節能等級排序的結果是一致的。
從物理意義上講，一定和和G的一次項相關，因此可據此選定回歸公式的模型，再通過多元線性回歸統計檢驗方程和模型參數估計值的可靠性。從而分別得到北京地區采暖季窗戶的節能效果的回歸公式：
北： （5.1）
西： （5.2）
東： （5.3）
南： （5.4）
以上四個回歸公式中，表征了哈爾濱采暖季窗戶的節能效果越大，該窗戶采暖季的節能量越大。四個回歸公式中，的系數都為負，的系數都為正，這符合北京冬季窗戶的節能量隨著的增大而減小，隨著的增大而增大的物理意義。
同理，對哈爾濱地區采暖季窗戶的節能效果有回歸公式如下：
北： (5.5)
西： (5.6)
東： (5.7)
南： (5.8)
以上四個回歸公式中，表征了哈爾濱采暖季窗戶的節能效果,越大,該窗戶每單位面積節省的累計采暖能耗就越多，節能效果越好。四個回歸公式中，的系數都為負,而的系數都為正,這符合哈爾濱冬季窗戶的節能量和傳熱系數U成正比，而和太陽得熱系數成反比的實際情況。
6 結論
公式可以幫助設計人員迅速準確地估計窗戶在具體城市具體朝向使用時的節能效果，從而因地制宜地采用節能窗戶，避免盲目性，同時也避免了繁雜的能耗模擬計算。對于普通用戶而言，則可以把晦澀難理解的熱工參數方便地轉化為一個簡單直觀的評估量，避免被片面的宣傳所誤導，如很低的傳熱系數等。
公式的長處是綜合了美國的窗戶評級公式之基于動態模擬計算的優點，以及加拿大窗戶評級公式之物理概念明確的優點。同時，公式對不同氣象條件、不同朝向的窗戶分別討論，也符合我國幅員遼闊，氣象多樣化的實際情況。公式不足的是，不能對全國范圍建立一個統一的公式，這將造成每個公式使用的地域局限性。
