塑钢窗冷风渗透耗热量计算的研究
哈尔滨工业大学 董重成 李春刚 张思思
摘要 提出了用《建筑外窗空气渗透性能分级及其检测方法》GB7107中规定计算塑钢窗冷风渗透量的方法。选定一个典型的住宅户型，计算了几个典型城市在该户型条件下的冷风渗透热负荷能耗比例，并进行相应的对比分析。采用示踪气体法对塑钢窗冷风渗透量进行了实验，得出塑钢窗的实际单位长度渗风量范围，通过对实验结果的分析，认为本文提出的塑钢窗冷风渗透量计算方法符合实际，可供设计参考。
关键词 塑钢窗 冷风渗透量 比例 示踪气体法 0 引言
随着建筑节能的深入，塑钢窗被越来越广泛的使用在各种类型的建筑物上，但是在采暖计算冷风渗透耗热量时，有关设计资料却查不到塑钢窗单位缝隙长度的渗风量。因此，一些设计者采用换气次数法来估算冷风渗透耗热量，而实际上由于塑钢窗气密性好，形成的室内换气次数法很小。导致计算结果比实际的冷风渗透耗热量大，造成建筑物的供热量偏大，室温偏高，居民由于室内过热，开窗进行降温，这样不但没有达到节能的目的，反而浪费了能源。本文通过对塑钢窗冷风渗透量的研究，为采暖设计提供一些参考。 1 塑钢窗冷风渗透耗热量计算方法的探讨 1.1 塑钢窗冷风渗透量计算方法的分析
在工程设计中，对于多层建筑的建筑物冷风渗透耗热量主要考虑风压的作用，忽略了热压的影响。当风吹过建筑物时，空气会经过迎风面的方向的缝隙渗入，而从背风向的缝隙渗出。冷风渗透量取决于门窗两侧的风压差，门窗两侧的风压差f P ?与空气穿过该楼层整个流动途径的阻力情况和风本身所具有的能量f P 有关。即可用下式表示之[1]。
22
f P V ρ
=
Pa
22
f f f f
P c P c V ρ
?== Pa
式中
ρ——空气密度，kg/m 3；
V ——风速，m/s ；
f P ——理论风压，指恒定风速V 的气流所具有的动压，Pa ；
f P ?——由于风力作用，促使门窗产生空气渗透的有效作用压差，简称风压差，Pa ；
f c ——作用在门窗上的风压差相当于理论风压的百分数，简称风压差系数。
当风垂直吹到墙面上时，且在建筑物内部气流流通阻力很小的情况下，风压差系数的
最大值，可取f c ＝0.7。当建筑物内部的气流阻力很大时，风压差系数f c 值降低，约达f c ＝0.3~0.5左右。
门窗两侧的作用压差P ?与单位缝隙长度渗透空气量L 之间的关系通常由实验确定，一般将实验数据整理成下式
b L a P =? m 3/(m ·h)
式中 a ，b ——与门窗构造有关的特性常数。
a 可查文献[5]表6-11。
b 可采用：对木窗，b=0.56；对钢窗，b=0.67；对铝合金窗，b=0.78。
由此可见作用在外窗两侧的作用压差P ?越大，单位缝隙长度渗透空气量L 也越大。
以哈尔滨为例，冬季室外平均风速 3.8p j v ?=m/s ，取f c ＝0.7，外窗产生空气渗透的有效作用压差为
221.39
0.7 3.87.032
2
f f f f
P c P c V ρ
?===?
?=Pa ＜10 Pa 可以验算沈阳、北京、西安这几个城市的冬季外窗产生空气渗透的有效作用压差也都小于10 Pa 。综上所述，在我国严寒或寒冷地区冬季作用在外窗产生空气渗透的有效作用压差小于国家标准《建筑外窗气密性能分级及检测方法》GB/T 7107-2002所规定的10Pa 压差，即在实际情况下外窗的实际冷风渗透量要小于《建筑外窗空气渗透性能分级及其检测方法》GB7107-2002中规定的4级塑钢窗对应的冷风渗透量。 1.2 标准中关于外窗气密性的规定
国家标准《公共建筑节能设计标准》（GB50189－2005）和北京市地方标准《居住建筑节能设计标准》DBJ01－602－2004均要求外窗气密性不应低于《建筑外窗气密性能分级及其监测方法》GB/T 7107-2002规定的4级。行业标准《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》JGJ 26-95中规定：在l ～6层建筑中，不应低于国家标准《建筑外窗空气渗透性能分级及其检测方法》GB7107-1986规定的Ⅲ级水平，相当于窗户单位缝长空气渗透量q ≤2.5m 3/m·h ；在7～30层建筑中，不应低于上述标准规定的Ⅱ级水平，相当于窗户单位缝长空气渗透量q ≤1.5m 3/m·h 。旧国家标准中Ⅲ级窗相当于新国家标准中的3级窗，而Ⅱ级窗相当于新国家标准中的4级窗。
新修编的《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准（征求意见稿）》JGJ 26-2008中，关于外窗的密闭性规定：外窗应具有良好的密闭性能，外窗气密性等级不应低于《建筑外窗空气渗透性能分级及其检测方法》GB/T 7107-2002中规定的4级。故本文提出塑钢窗采用4级进行分析计算。
国家标准《建筑外窗气密性能分级及检测方法》GB/T 7107-2002规定的建筑外窗气密性能分级如下：
采用压力差为10 Pa 时的单位缝长空气渗透量q 1和单位面积空气渗透量q 2作为分级指标。分级指标值如表1所示：
表 1 建筑外窗气密性能分级表
1.3 采用《建筑外窗空气渗透性能分级及其检测方法》GB7107中规定的方法进行计算
塑钢窗渗透冷空气量根据不同的朝向，按下式计算： V nLl =
式中 L ——通过每米塑钢窗缝隙进入室内的渗透冷空气量，应根据实际情况采用表1中4
级窗的数据，m 3/(m ·h)；
n ——渗透空气量的修正系数； l ——塑钢窗缝隙的计算长度，m 。
《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019－2003给出了我国104个城市的n 值。
确定了塑钢窗的渗透冷空气量V 后，塑钢窗的冷风渗透耗热量Q 可按下式计算
()'0.278w p n w Q V c t t ρ=-
式中
Q ——由塑钢窗缝隙渗人室内的冷空气的耗热量，W ； p c ——空气的定压比热容，c= 1kJ/(kg ·℃)；
w ρ——供暖室外计算温度下的空气密度，kg/m 3；
V ——渗透冷空气量，m 3/h ；
n t ——供暖室内计算温度，℃； 'w
t ——供暖室外计算温度，℃；
0.278——单位换算系数，1 kJ/h=0.278 W 。
2 几个典型城市住宅建筑冷风渗透耗热量比例的计算及对比分析
选定的典型户型实例的平面图1所示：
图1 户型实例平面图 图2 实验房间平面图
2.1 该户型实例的基本情况 1) 层高3m ；
2) 使用面积69.4m 2；
3) 厨房的外窗尺寸1200×1500，卧室的外窗尺寸1500×1500，起居室尺寸1800×1500。 2.2 冷风渗透耗热量和房间热负荷的计算
下面采用缝隙法来计算户型实例厨房的冷风渗透耗热量。
哈尔滨市的冷风朝向修正系数：北0.3，东0.2，南1.0，西0.7 。哈尔滨地区采用4级塑钢窗时每米塑钢窗缝渗入的空气量L= 1.5 m 3/m·h ，户型实例的厨房北向外窗采用塑钢窗时缝隙总长度为3.14m 。总的冷风渗透量 3.140.3 1.5 1.413V nLl ==??= m 3/h
冷风渗透耗热量()
'0.2780.278 1.411.4314424.71w p n w Q V c t t ρ=-=????=W
在冬季室外平均风速 3.8p j v ?=m/s ，哈尔滨每米双层钢窗缝渗入的空气量L=2.52 m 3/m·h ，户型实例的厨房北向外窗采用双层钢窗时的缝隙总长度为 6.57m 。总的冷风渗透量
0.3 6.57 2.52 4.96
V nLl ==??= m 3/h 冷风渗透耗热量()
'0.2780.278 4.96 1.4314486.88w p n w Q V c t t ρ=-=????=W 铝合金窗和木窗情况下的冷风渗透耗热量计算与上例类似。按照《采暖通风与空气调节
设计规范》GB50019－2003给出的外墙与外窗等外围护结构基本耗热量的计算方法计算各个房间的热负荷。阳台按不封闭阳台考虑，不考虑阳台的温差修正系数。 2.3 冷风渗透耗热量比例计算结果对比分析 由于篇幅所限，本文只给出部分计算结果。哈尔滨采用四种典型外窗的冷风渗透耗热量比例计算，见表 2 ，四个典型城市采用塑钢窗时的户型实例总冷风渗透耗热量占总热负荷比例计算结果见表3、表4。
表2 哈尔滨采用四种典型外窗的冷风渗透耗热量比例计算结果（%）
注 表中塑钢窗为单框双玻平开窗，铝合金窗为双层推拉窗，钢窗和木窗为双层平开窗。
由表2可以看出，在相同的计算条件下（外墙的构造为490mm 砖墙、内抹灰20mm 厚。此时外墙的传热系数是1.285 W /(m2·K)），四种典型外窗的冷风渗透耗热量占房间总热负荷比例在逐渐递增，表明木窗、钢窗、铝合金窗以及塑钢窗四种外窗的气密性依次增强。
表3 四个典型城市采用塑钢窗时的户型实例总冷风渗透耗热量占总热负荷比例计算结果
表4 一面山墙时四个典型城市采用塑钢窗的户型实例总冷风渗透耗热量占总热负荷比例计算结果
注 表3和表4在计算外墙基本耗热量时，外墙传热系数采用《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》JGJ26—95中规定的最低限值。
从表3和表4的计算结果，表明四个城市随着地理位置的由北向南，总冷风渗透耗热量、总热负荷是逐渐递减的，总冷风渗透耗热量占总热负荷的比例也是有递减趋势的，虽然表中西安的比例大于北京，但是相差的结果不大。
3 塑钢窗实际渗风量的测试及实验结果分析
本实验在实验房间充入二氧化碳作为示踪气体，通过塑钢窗缝隙进入实验房间的空气对二氧化碳浓度有稀释作用，利用实验房间中二氧化碳浓度的自然衰减情况来测定该房间的换气次数，通过该房间的换气次数便可以求出房间的通风换气量，再计算得到塑钢窗的实际单位长度渗风量。
二氧化碳性质稳定，与空气的密度差也小，易于与空气充分混合，并且二氧化碳的价格很便宜。因此本次实验选用二氧化碳作为示踪气体。利用示踪气体测量空气龄的释放方法有3种：浓度自然降低法、示踪气体恒量释放法和室内恒定浓度法。其中浓度自然降低法最为简单，且实验精度较高，因此本次实验选用浓度自然降低测量房间的换气次数。
本实验选用telaire 7001 CO2/temperature监测仪作为示踪气体测量设备。这种仪器可以在实验现场直接连续测定低浓度的二氧化碳，测量范围为1-2485ppm，精度为1ppm，测点浓度的采样时间间隔可在数据采集软件中设定，本次实验取为5min。
本次实验分别对一套住宅（见图2）的两间卧室、起居室以及两间办公室进行了测试，根据每个房间的二氧化碳浓度衰减情况，得出塑钢窗的实际单位长度渗风量范围，并实测了相应的室外风速、风向、温度等。
实验房间的一些数据见表5，实验数据见表6 ，对实验房间计算结果见表7 。
表5 实验房间的一些基本数据
表6 实验数据结果表
表7 对实验房间计算结果
由表6和表7对比可以看出住宅两个卧室的实验结果与国家标准《建筑外窗空气渗透性
能分级及其检测方法》GB/T 7107-2002中3级窗（即旧国家标准中的Ⅲ级窗）单位长度缝隙渗风量2.5m3/m·h很接近，表6所示的两个房间的实验最大的房间通风换气量和换气次数与表7也很接近。但是起居室的实验数据比3级窗单位长度缝隙渗风量2.5m3/m·h大很多，从实验房间的平面图（图2）来看起居室的内部气流流通阻力比较小，故起居室的通风换气量比较大。两个办公室的实验结果与4级窗单位长度缝隙渗风量1.5m3/m·h很接近，实验最
大的房间通风换气量和换气次数与表7也相差不多。
住宅三个实验房间使用的塑钢窗的气密性仅达到《建筑外窗空气渗透性能分级及其检测
方法》GB7107-1986中规定的Ⅲ级窗的要求。满足了《民用建筑节能设计标准（采暖居住建
筑部分）》JGJ 26-95中规定。两个办公室实验房间使用的塑钢窗的气密性要好得多，满足《建
筑外窗空气渗透性能分级及其检测方法》GB/T 7107-2002中4级窗的要求。该实验的数据
表明，在通常的气象条件下，本文提出的塑钢窗冷风渗透耗热量计算方法具有可行性。
4 结论
1塑钢窗冷风渗透量可采用《建筑外窗空气渗透性能分级及其检测方法》GB/T 7107-2002
中规定的4级计算，并根据当地冬季室外平均风速的大小合理选取单位长度缝隙渗风量。
2采用该方法计算的塑钢窗冷风渗透耗热量占房间热负荷的比例，一般在7~15%之间。
3采用《建筑外窗空气渗透性能分级及其检测方法》GB/T 7107-2002中规定的4级塑钢
窗时，一般房间室内换气次数仅约0.2。
4文中提出塑钢窗冷风渗透耗热量计算方法，通过对实验结果的对比分析，符合实际，可供设计参考。
参考文献
[1] 贺凭，孙刚．供热工程．中国建筑工业出版社，1993
[2] 中华人民共和国建设部．GB50019－2003采暖通风与空气调节设计规范[S]．北京：中国
计划出版社，2003
[3] 中华人民共和国建设部．GB50189－2005公共建筑节能设计标准[S]．北京：中国建筑工
业出版社，2005
[4] 中国建筑科学研究院．GB/T 7107-2002 建筑外窗空气渗透性能分级及其检测方法[S]．
北京：中国建筑工业出版社，2002
[5] 陆耀庆．供暖通风设计手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1986
[6] 中国建筑科学研究院．JGJ26—95 民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）[S]．
北京：中国建筑工业出版社，1996
董重成，男，1951年12月生，教授.地址：哈尔滨市南岗区海河路202号哈工大二区2651# 邮编：150090 电话：0451-******** 手机：139******** 传真：0451-******** E-mail：dzc1214@https://www.doczj.com/doc/d26695483.html,