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关键词：热流量 热损失 冷辐射（词条“冷辐射”由行业大百科提供）室内舒适度要素 空气相对湿度（词条“相对湿度”由行业大百科提供） 建筑外窗室内表面不结露、不发霉的温度窗框与整窗的传热系数
摘要：根据建筑外窗室内玻璃表面结露和结冰现象，依照热工（词条“热工”由行业大百科提供）学原理，根据我国实际气候条件，详细分析了室内外温度，空气相对湿度相互影响，得出外窗的保温程度对室内舒适度起关键作用，而外窗的保温是由其传热系数大小决定，从这些影响因素，因地制宜，推导几个采暖（词条“采暖”由行业大百科提供）地区外窗传热系数的具体要求，以满足居住环境的舒适度，并举出实例得出室内舒适度和节能的结论，是比较切实可行的办法。
前言
节能降碳、绿色环保是我国的基本国策，全国城镇2018年采暖能耗为2.1亿吨标准煤，二氧化碳(co2)等污染气体排放总量为3.5亿吨，相当于3500亿立方米，而采暖产生的热量70%由于建筑外窗的保温性能低而流失，提高建筑外窗的保温性能对行业来说是重要的责任和义务，也是创新发展的机遇。
我国采暖地处偏大陆气候，采暖地区空气湿度较小，气候干燥，结合我国气候特点因地制宜采取节能措施。
一、建筑外窗热损失的起因
在冬季采暖期，居民早上常会见到建筑外窗室内玻璃表面有露水，靠近外窗会感觉凉，有不舒服的感觉，往往以为供暖温度不足导致，其实也有可能是窗户保温性能不足导致的。具体进行分析。
热量传递有三种形式：辐射、对流和传导（词条“传导”由行业大百科提供）。
采暖地区太阳热辐射可以通过建筑外窗玻璃提高室内的温度，建筑外窗室内玻璃表面温度也随室外温度下降而下降，温度低到一定程度，会对人体产生冷辐射，使人感觉到不舒服，如果建筑外窗的保温性能不好，室内冷辐射会更加严重。
室内外热量对流大部分被建筑外窗隔断，但可以通过窗户的缝隙产生热交换，造成热量损失，其损失计入整窗的热损失中。
采暖期热传导（词条“热传导”由行业大百科提供）是从温度高的室内流向温度低的室外，它与室内外温差、窗的热传导大小和窗的面积成正比。
由此分析可知，热量传递三种形式对室温或居住舒适度的影响中，除太阳辐射增加室内温度外，其余均与建筑外窗热传导有关，室内温度和建筑外窗室内表面温度会影响居住舒适度，而建筑外窗的热传导性能会很大程度影响室内温度和建筑外窗室内表面温度。
二、室内外温度与外窗室内表面温度、传热系数的关系
按热工学原理，在稳态传热条件下，构件每层表面之间单位面积的热流量必须相等的。对建筑外窗来说，室内外温度与外窗室内表面温度和传热系数的关系如下：
图1整窗的传热系数KW
三、室内居住舒适度相关要素分析
建筑物的主要目的就是为居住者提供舒适的室内气候环境，根据以上述公式，对室内舒适环境起决定作用的是室内温度(Ti)、室外温度(To)和建筑外窗室内表面温度(Tib)，对这三个要素说明如下：
1、室内温度
根据我国标准要求，采暖区域室内温度为18~23℃。
2、建筑外窗室内表面温度
(1)室内空气相对湿度
室内空气相对湿度影响舒适度，在冬季相同的室温条件下，我国南方空气相对湿度偏高，还有潮湿偏凉的感觉，我国北方采暖地区空气相对湿度偏低，则有干燥偏暖的感觉，居住室内的空气相对湿度在40~60%为舒适度范围。
我国采暖地区，处于偏大陆性气候，其空气相对湿度偏低，采暖期室内可采取加湿措施，使室内相对湿度达40~50%。
(2)建筑外窗室内表面产生结露的温度
玻璃、窗框和外窗室内表面结露与室内温度和空气相对湿度有关，即不同温度下的饱和水蒸气压是不一样的，随着温度的升高，空气中所能达到的饱和水蒸汽压就增大，达到饱和水蒸汽压Ps时，相对湿度就达到100%，就会产生结露水珠。若室内空气相对温度为50%时，则其水蒸汽压为饱和气压的50%，与50%的水蒸汽压相对应的温度即为露点温度（词条“露点温度”由行业大百科提供）。
举例：若室内温度为20℃、室内相对湿度为50%时见表1，20℃时的饱和水蒸汽压为17.53mmhg，在空气相对湿度为50%时，则这时的蒸汽压为17.53×50%=8.765mmhg。8.765mmhg在表1中介于9℃和10℃的饱和水蒸汽压之间。
当t=9℃时 Ps=8.609
当t=10℃时 Ps=9.209
表1不同温度的饱和水蒸汽气压(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 |
室内舒适温度为18~23℃,现分别取18℃、20℃、23℃的室内温度，按上例计算方法得：
表2建筑外窗室内表面结露的温度
|
室内温度（℃） |
18 |
20 |
23 |
|
室内空气相对为湿度50%时外窗室内表面结露的温度（℃） |
<7.4 |
<9.26 |
<12.03 |
(3)靠近外窗内表面时人体感觉无冷辐射的温度
这个问题与室内空气相对湿度和室外温度有密切关系，室内空气相对湿度越大和室外温度越低，则对外窗室内表面的温度要求越高。为了解决这个问题，我们在沈阳居室作了实际测试，并与理论计算互相验证。
1.测试条件与结果
(a)温度计、湿度计
(b)室内空气温度为23℃，室内地热采暖
(c)室内空气相对湿度50%
(d)室外温度-7℃(通过各种温度测试得出)
(e)中空玻璃（词条“中空玻璃”由行业大百科提供）的传热系数为2.8w/㎡..k
将以上数据代入等热流量公式
8×(23-Tib)=2.8×[23-(-7)]
Tib=12.5℃
实际验证，在温度12.5℃时，在靠近外窗附近时无冷辐射的感觉。
2.建筑外窗室内表面不发霉的温度
在窒内相同温度下，建筑外窗室内表面的发霉点温度要高于结露点温度，露点水蒸汽压=霉点水蒸汽压×80%。
举例：若室内温度为20℃，室内相对湿度为50%，求其不发霉点温度。
20℃时的饱和水蒸汽压为17.53mmhg
空气相对湿度为50%时饱和水蒸汽压为17.53×50%=8.765mmhg
空气相对湿度为50%时的发霉点水蒸汽压为
8.765/0.8=10.956(mmhg)
10.956(mmhg)在表1中介于12℃和13℃时的饱和水蒸汽压值之间。
当t=12℃时 Ps=10.51mmhg
当t=13℃时 Ps=11.23mmhg
用补差法求得相对应的饱和水蒸汽压温度为
故分别取室内温度为18℃、20℃和23℃，按上例计算方法得值见表3。
表3建筑外窗室内表面不发霉的温度
|
室内温度(℃) |
18 |
20 |
23 |
|
室内空气相对湿度为50%外窗室内表面不发霉的温度(℃)
|
>10.72 |
>12.6 |
>15.45 |
|
室内空气相对湿度为40%外窗室内表面不发霉的温度(℃)
|
>7.4 |
>9.26 |
>12.03 |
从表3来看，只有室温是20℃和23℃在室内空气相对湿度50%的条件下的建筑外窗室内表面不发霉温度大于测试温度，不产生冷辐射的温度为12.5℃。
3、室外温度
按不同采暖地区的室外温度来确定。
四、窗框与整窗的保温性能
当室内温度和建筑外窗室内表面温度确定后，这时对窗框和整窗的保温性能的要求就与室外温度有关，对建筑外窗的保温性能要求越高，对建筑外窗的传热系数要求就越低。具体计算传热系数时，将室外温度、室内温度和建筑外窗室内表面温度代入等热流公式即可得出。热流公式为：
1、窗框的传热系数Kf
按上述公式，分别将室内温度、室外温度和空气相对湿度50%相对应的外窗室内表面不发霉的温度代入，按下述举例计算方法得值见表4。
表4窗框的传热系数Kf
|
室外温度（℃） |
-9 |
-19 |
-26 |
|
室内温度（℃） |
18 |
窗框的传热系数Kf(w/m2..k) |
≤2.1 |
≤1.6 |
≤1.3 |
|
20 |
≤2.04 |
≤1.52 |
≤1.28 |
|
23 |
≤1.88 |
≤1.44 |
≤1.23 |
举例：室内温度18℃，建筑外窗室内表面不发霉温度为10.72℃，室外温度-9℃时的窗框传热系数Kf为：
2、整窗的传热系数Kw
(1)由于室内温度18℃，其空气相对湿度为50%时的建筑外窗室内表面发霉温度小于测试的温度12.5℃，故在该温度计算整窗传热系数Kw时采用12.5℃。由于室内温度18℃，相应的空气相对湿度也降为40%，12.5℃均高于室内温度20℃、23℃时的空气相对湿度40%的不发霉温度。
(2)室内温度20℃、23℃时的建筑外窗室内表面温度在空气相对湿度50%时的不发霉温度均大于测试温度，故采用最大值。
(3)这样选定的结果，既保证了建筑外窗室内表面对人体无冷辐射感觉。又保证了建筑外窗室内表面不发霉的效果。
按下述计算举例的计算方法，分别将室内温度、室外温度和空气相对湿度50%相对应的建筑外窗室内表面不发霉的温度和室内温度18℃时用12.5℃温度代入公式计算所得值见表5。
表5整窗的传热系数Kw
|
室外温度（℃） |
-9 |
-19 |
-26 |
|
室内温度（℃） |
18 |
整窗的传热系数Kw(w/m2..k) |
<1.63 |
<1.18 |
<1.0 |
|
20 |
<2.04 |
<1.52 |
<1.28 |
|
23 |
<1.88 |
<1.44 |
<1.23 |
计算举例：室内温度20℃，空气相对湿度50%时的建筑外窗室内表面不发霉温度为>12.6℃，室外为-19℃时的整窗传热系数Kw为：
3、窗框和整窗的传热系数的选用
在采暖地区室外温度确定后，选用的传热系数应当满足室内舒适温度为18℃-23℃变化的要求，故从表4、表5中选取。
表6保证室内舒适度的窗框和整窗的传热系数Kf、Kw
|
室外温度（℃） |
-9 |
-19 |
-26 |
|
窗框的传热系数Kf（w/m2..k） |
≤1.8 |
≤1.4 |
≤1.2 |
|
整窗的传热系数Kw（w/m2..k） |
<1.6 |
<1.2 |
<1.0 |
根据节能需要，可选用整窗的传热系数Kw小于表内数据，可降低采暖消耗，实现节能减排。北京市2021年1月1日起执行居住建筑节能设计新标准DB11-2020中要求建筑外窗的传热系数1.1w/㎡k，对提高建筑外窗热损耗提出更高要求，符合国家战略，增加人民的居住舒适度和幸福感。
五、既有建筑的节能外窗改造
我国采暖地区，涉及15个省市区，人口达5亿以上，采暖面积超过147亿平方米，大部分都是上世纪90年代以后建造，这些建筑到现在多数20年左右，因此贯彻节能减排建造零能耗建筑也不可能一步到位，只能逐渐改造和新建。
既有建筑中，有些小区或住户室内温度不够，我们分析可能主要由于以下两种原因：
1、是暖气供应不足;
2、是建筑外窗的保温性能不好传热系数大。
由于建筑外窗散热量占采暖热量的70%以上，所以建筑外窗的保温性能非常重要，如果建筑外窗的传热系数大，热量散失就多，同时建筑外窗室内表面温度就低，易产生结露、结冰和冷辐射，使人体感觉不舒服。
室内温度不够问题只要按上述指标对建筑外窗改造即可达到室内舒适度要求。
以沈阳为例，既有建筑大部分建筑外窗的传热系数在3.5w/㎡..k左右，我们在采暖期间考察了一些小区，常见到外窗室内表面玻璃上一般在上午有结露或不透明现象，有时甚至结冰，当室外温度低时，整天都这样，如果采用保温性能Kw≤1.2~1w/㎡..k的建筑外窗，则每平方米热损失从3.5w/㎡..k降至1.2~1w/㎡..k，即降低66~70%热能耗，沈阳年采暖耗煤达700万吨左右，而建筑外窗占整个建筑的能耗约70%左右，约490万吨。建筑外窗改造后可节约采暖煤300多万吨以上，不但保证了居住环境舒适，还实现了节能降耗。
结束语
通过以上论述，在既有建筑和新建建筑上采用低能耗的建筑外窗进行改造既节能环保，又能满足室内舒适度要求，是比较切实可行的办法。
作者单位：上海茵捷建筑科技有限公司
