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關鍵詞：熱流量 熱損失 冷輻射（詞條“冷輻射”由行業大百科提供）室內舒適度要素 空氣相對濕度（詞條“相對濕度”由行業大百科提供） 建筑外窗室內表面不結露、不發霉的溫度窗框與整窗的傳熱系數
摘要：根據建筑外窗室內玻璃表面結露和結冰現象，依照熱工（詞條“熱工”由行業大百科提供）學原理，根據我國實際氣候條件，詳細分析了室內外溫度，空氣相對濕度相互影響，得出外窗的保溫程度對室內舒適度起關鍵作用，而外窗的保溫是由其傳熱系數大小決定，從這些影響因素，因地制宜，推導幾個采暖（詞條“采暖”由行業大百科提供）地區外窗傳熱系數的具體要求，以滿足居住環境的舒適度，并舉出實例得出室內舒適度和節能的結論，是比較切實可行的辦法。
前言
節能降碳、綠色環保是我國的基本國策，全國城鎮2018年采暖能耗為2.1億噸標準煤，二氧化碳(co2)等污染氣體排放總量為3.5億噸，相當于3500億立方米，而采暖產生的熱量70%由于建筑外窗的保溫性能低而流失，提高建筑外窗的保溫性能對行業來說是重要的責任和義務，也是創新發展的機遇。
我國采暖地處偏大陸氣候，采暖地區空氣濕度較小，氣候干燥，結合我國氣候特點因地制宜采取節能措施。
一、建筑外窗熱損失的起因
在冬季采暖期，居民早上常會見到建筑外窗室內玻璃表面有露水，靠近外窗會感覺涼，有不舒服的感覺，往往以為供暖溫度不足導致，其實也有可能是窗戶保溫性能不足導致的。具體進行分析。
熱量傳遞有三種形式：輻射、對流和傳導（詞條“傳導”由行業大百科提供）。
采暖地區太陽熱輻射可以通過建筑外窗玻璃提高室內的溫度，建筑外窗室內玻璃表面溫度也隨室外溫度下降而下降，溫度低到一定程度，會對人體產生冷輻射，使人感覺到不舒服，如果建筑外窗的保溫性能不好，室內冷輻射會更加嚴重。
室內外熱量對流大部分被建筑外窗隔斷，但可以通過窗戶的縫隙產生熱交換，造成熱量損失，其損失計入整窗的熱損失中。
采暖期熱傳導（詞條“熱傳導”由行業大百科提供）是從溫度高的室內流向溫度低的室外，它與室內外溫差、窗的熱傳導大小和窗的面積成正比。
由此分析可知，熱量傳遞三種形式對室溫或居住舒適度的影響中，除太陽輻射增加室內溫度外，其余均與建筑外窗熱傳導有關，室內溫度和建筑外窗室內表面溫度會影響居住舒適度，而建筑外窗的熱傳導性能會很大程度影響室內溫度和建筑外窗室內表面溫度。
二、室內外溫度與外窗室內表面溫度、傳熱系數的關系
按熱工學原理，在穩態傳熱條件下，構件每層表面之間單位面積的熱流量必須相等的。對建筑外窗來說，室內外溫度與外窗室內表面溫度和傳熱系數的關系如下：
圖1整窗的傳熱系數KW
三、室內居住舒適度相關要素分析
建筑物的主要目的就是為居住者提供舒適的室內氣候環境，根據以上述公式，對室內舒適環境起決定作用的是室內溫度(Ti)、室外溫度(To)和建筑外窗室內表面溫度(Tib)，對這三個要素說明如下：
1、室內溫度
根據我國標準要求，采暖區域室內溫度為18~23℃。
2、建筑外窗室內表面溫度
(1)室內空氣相對濕度
室內空氣相對濕度影響舒適度，在冬季相同的室溫條件下，我國南方空氣相對濕度偏高，還有潮濕偏涼的感覺，我國北方采暖地區空氣相對濕度偏低，則有干燥偏暖的感覺，居住室內的空氣相對濕度在40~60%為舒適度范圍。
我國采暖地區，處于偏大陸性氣候，其空氣相對濕度偏低，采暖期室內可采取加濕措施，使室內相對濕度達40~50%。
(2)建筑外窗室內表面產生結露的溫度
玻璃、窗框和外窗室內表面結露與室內溫度和空氣相對濕度有關，即不同溫度下的飽和水蒸氣壓是不一樣的，隨著溫度的升高，空氣中所能達到的飽和水蒸汽壓就增大，達到飽和水蒸汽壓Ps時，相對濕度就達到100%，就會產生結露水珠。若室內空氣相對溫度為50%時，則其水蒸汽壓為飽和氣壓的50%，與50%的水蒸汽壓相對應的溫度即為露點溫度（詞條“露點溫度”由行業大百科提供）。
舉例：若室內溫度為20℃、室內相對濕度為50%時見表1，20℃時的飽和水蒸汽壓為17.53mmhg，在空氣相對濕度為50%時，則這時的蒸汽壓為17.53×50%=8.765mmhg。8.765mmhg在表1中介于9℃和10℃的飽和水蒸汽壓之間。
當t=9℃時 Ps=8.609
當t=10℃時 Ps=9.209
表1不同溫度的飽和水蒸汽氣壓(mmhg)
|
T(℃) |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
|
Psmmhg |
4.926 |
5.294 |
5.685 |
6.101 |
6.543 |
7.013 |
7.513 |
8.045 |
8.609 |
9.209 |
9.844 |
10.51 |
11.23 |
|
T(℃) |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
26 |
|
Psmmhg |
11.98 |
12.78 |
13.63 |
14.53 |
15.47 |
16.47 |
17.53 |
18.65 |
19.82 |
21.06 |
22.37 |
23.75 |
25.21 |
室內舒適溫度為18~23℃,現分別取18℃、20℃、23℃的室內溫度，按上例計算方法得：
表2建筑外窗室內表面結露的溫度
|
室內溫度（℃） |
18 |
20 |
23 |
|
室內空氣相對為濕度50%時外窗室內表面結露的溫度（℃） |
<7.4 |
<9.26 |
<12.03 |
(3)靠近外窗內表面時人體感覺無冷輻射的溫度
這個問題與室內空氣相對濕度和室外溫度有密切關系，室內空氣相對濕度越大和室外溫度越低，則對外窗室內表面的溫度要求越高。為了解決這個問題，我們在沈陽居室作了實際測試，并與理論計算互相驗證。
1.測試條件與結果
(a)溫度計、濕度計
(b)室內空氣溫度為23℃，室內地熱采暖
(c)室內空氣相對濕度50%
(d)室外溫度-7℃(通過各種溫度測試得出)
(e)中空玻璃（詞條“中空玻璃”由行業大百科提供）的傳熱系數為2.8w/㎡..k
將以上數據代入等熱流量公式
8×(23-Tib)=2.8×[23-(-7)]
Tib=12.5℃
實際驗證，在溫度12.5℃時，在靠近外窗附近時無冷輻射的感覺。
2.建筑外窗室內表面不發霉的溫度
在窒內相同溫度下，建筑外窗室內表面的發霉點溫度要高于結露點溫度，露點水蒸汽壓=霉點水蒸汽壓×80%。
舉例：若室內溫度為20℃，室內相對濕度為50%，求其不發霉點溫度。
20℃時的飽和水蒸汽壓為17.53mmhg
空氣相對濕度為50%時飽和水蒸汽壓為17.53×50%=8.765mmhg
空氣相對濕度為50%時的發霉點水蒸汽壓為
8.765/0.8=10.956(mmhg)
10.956(mmhg)在表1中介于12℃和13℃時的飽和水蒸汽壓值之間。
當t=12℃時 Ps=10.51mmhg
當t=13℃時 Ps=11.23mmhg
用補差法求得相對應的飽和水蒸汽壓溫度為
故分別取室內溫度為18℃、20℃和23℃，按上例計算方法得值見表3。
表3建筑外窗室內表面不發霉的溫度
|
室內溫度(℃) |
18 |
20 |
23 |
|
室內空氣相對濕度為50%外窗室內表面不發霉的溫度(℃)
|
>10.72 |
>12.6 |
>15.45 |
|
室內空氣相對濕度為40%外窗室內表面不發霉的溫度(℃)
|
>7.4 |
>9.26 |
>12.03 |
從表3來看，只有室溫是20℃和23℃在室內空氣相對濕度50%的條件下的建筑外窗室內表面不發霉溫度大于測試溫度，不產生冷輻射的溫度為12.5℃。
3、室外溫度
按不同采暖地區的室外溫度來確定。
四、窗框與整窗的保溫性能
當室內溫度和建筑外窗室內表面溫度確定后，這時對窗框和整窗的保溫性能的要求就與室外溫度有關，對建筑外窗的保溫性能要求越高，對建筑外窗的傳熱系數要求就越低。具體計算傳熱系數時，將室外溫度、室內溫度和建筑外窗室內表面溫度代入等熱流公式即可得出。熱流公式為：
1、窗框的傳熱系數Kf
按上述公式，分別將室內溫度、室外溫度和空氣相對濕度50%相對應的外窗室內表面不發霉的溫度代入，按下述舉例計算方法得值見表4。
表4窗框的傳熱系數Kf
|
室外溫度（℃） |
-9 |
-19 |
-26 |
|
室內溫度（℃） |
18 |
窗框的傳熱系數Kf(w/m2..k) |
≤2.1 |
≤1.6 |
≤1.3 |
|
20 |
≤2.04 |
≤1.52 |
≤1.28 |
|
23 |
≤1.88 |
≤1.44 |
≤1.23 |
舉例：室內溫度18℃，建筑外窗室內表面不發霉溫度為10.72℃，室外溫度-9℃時的窗框傳熱系數Kf為：
2、整窗的傳熱系數Kw
(1)由于室內溫度18℃，其空氣相對濕度為50%時的建筑外窗室內表面發霉溫度小于測試的溫度12.5℃，故在該溫度計算整窗傳熱系數Kw時采用12.5℃。由于室內溫度18℃，相應的空氣相對濕度也降為40%，12.5℃均高于室內溫度20℃、23℃時的空氣相對濕度40%的不發霉溫度。
(2)室內溫度20℃、23℃時的建筑外窗室內表面溫度在空氣相對濕度50%時的不發霉溫度均大于測試溫度，故采用最大值。
(3)這樣選定的結果，既保證了建筑外窗室內表面對人體無冷輻射感覺。又保證了建筑外窗室內表面不發霉的效果。
按下述計算舉例的計算方法，分別將室內溫度、室外溫度和空氣相對濕度50%相對應的建筑外窗室內表面不發霉的溫度和室內溫度18℃時用12.5℃溫度代入公式計算所得值見表5。
表5整窗的傳熱系數Kw
|
室外溫度（℃） |
-9 |
-19 |
-26 |
|
室內溫度（℃） |
18 |
整窗的傳熱系數Kw(w/m2..k) |
<1.63 |
<1.18 |
<1.0 |
|
20 |
<2.04 |
<1.52 |
<1.28 |
|
23 |
<1.88 |
<1.44 |
<1.23 |
計算舉例：室內溫度20℃，空氣相對濕度50%時的建筑外窗室內表面不發霉溫度為>12.6℃，室外為-19℃時的整窗傳熱系數Kw為：
3、窗框和整窗的傳熱系數的選用
在采暖地區室外溫度確定后，選用的傳熱系數應當滿足室內舒適溫度為18℃-23℃變化的要求，故從表4、表5中選取。
表6保證室內舒適度的窗框和整窗的傳熱系數Kf、Kw
|
室外溫度（℃） |
-9 |
-19 |
-26 |
|
窗框的傳熱系數Kf（w/m2..k） |
≤1.8 |
≤1.4 |
≤1.2 |
|
整窗的傳熱系數Kw（w/m2..k） |
<1.6 |
<1.2 |
<1.0 |
根據節能需要，可選用整窗的傳熱系數Kw小于表內數據，可降低采暖消耗，實現節能減排。北京市2021年1月1日起執行居住建筑節能設計新標準DB11-2020中要求建筑外窗的傳熱系數1.1w/㎡k，對提高建筑外窗熱損耗提出更高要求，符合國家戰略，增加人民的居住舒適度和幸福感。
五、既有建筑的節能外窗改造
我國采暖地區，涉及15個省市區，人口達5億以上，采暖面積超過147億平方米，大部分都是上世紀90年代以后建造，這些建筑到現在多數20年左右，因此貫徹節能減排建造零能耗建筑也不可能一步到位，只能逐漸改造和新建。
既有建筑中，有些小區或住戶室內溫度不夠，我們分析可能主要由于以下兩種原因：
1、是暖氣供應不足;
2、是建筑外窗的保溫性能不好傳熱系數大。
由于建筑外窗散熱量占采暖熱量的70%以上，所以建筑外窗的保溫性能非常重要，如果建筑外窗的傳熱系數大，熱量散失就多，同時建筑外窗室內表面溫度就低，易產生結露、結冰和冷輻射，使人體感覺不舒服。
室內溫度不夠問題只要按上述指標對建筑外窗改造即可達到室內舒適度要求。
以沈陽為例，既有建筑大部分建筑外窗的傳熱系數在3.5w/㎡..k左右，我們在采暖期間考察了一些小區，常見到外窗室內表面玻璃上一般在上午有結露或不透明現象，有時甚至結冰，當室外溫度低時，整天都這樣，如果采用保溫性能Kw≤1.2~1w/㎡..k的建筑外窗，則每平方米熱損失從3.5w/㎡..k降至1.2~1w/㎡..k，即降低66~70%熱能耗，沈陽年采暖耗煤達700萬噸左右，而建筑外窗占整個建筑的能耗約70%左右，約490萬噸。建筑外窗改造后可節約采暖煤300多萬噸以上，不但保證了居住環境舒適，還實現了節能降耗。
結束語
通過以上論述，在既有建筑和新建建筑上采用低能耗的建筑外窗進行改造既節能環保，又能滿足室內舒適度要求，是比較切實可行的辦法。
作者單位：上海茵捷建筑科技有限公司
