什么是窗戶的熱平衡，如何計算通過外窗的溫差得(失)熱量和太陽得熱量，是曾經困擾筆者的一個問題。在學習超低能耗建筑設計相關知識時，該困惑終于解開。分享學習心得，供各位參考！不妥之處敬請指正！

1、什么是窗戶的熱平衡？

窗戶的熱平衡指窗戶溫差得(失)熱量和太陽得熱量之間的差值，多用來指冬季條件下工況下窗戶得(失)熱量的平衡。

如果差值大于零，則窗戶溫差失熱大于太陽得熱，窗戶屬于不利構件，可適當減小面積；如果差值小于零，則窗戶溫差失熱小于太陽得熱，窗戶屬于有利構件，增加窗戶面積不會對能源需求有不利影響。

窗戶的熱平衡用以下公式計算：

(1) 對供暖需求的影響：

ΔQ=QT-QS

式中：

QT——窗戶累計溫差得(失)熱量，kWh；

QS——窗戶累計太陽得熱量，kWh。

(2) 對供暖負荷的影響：

ΔP=PT-PS

式中：

PT——窗戶瞬時溫差得(失)熱量，W/m2；

PS——窗戶瞬時太陽得熱量，W/m2。

窗戶熱平衡一般分為四個朝向分別計算。以南北朝向的建筑為例，在計算熱平衡時，分別計算東、南、西、北四個方向的窗戶的熱平衡。通過對各個方向窗戶熱平衡的驗算，提供不同朝向窗戶尺寸的設計建議。

2、建筑負荷和建筑需求

上文提到了負荷和需求的概念，那么什么是建筑負荷和建筑需求呢？

建筑負荷和建筑需求都是表達建筑能源需求水平的指標，建筑負荷分為供暖負荷和制冷負荷，建筑需求分為供暖需求和制冷需求。

建筑負荷指建筑維持熱平衡所需要提供的熱量和冷量，單位是W/m2，一般單獨提到建筑負荷是指建筑物在不利時刻的負荷。目前建筑行業中負荷計算精確到小時。

供暖需求是指供暖負荷在時間上的積分，單位為kWh。此處的kWh為能量單位，與1度電的1 kWh單位相同，在供暖需求或制冷需求中指1 kWh的熱量或冷量。供暖需求1 kWh可理解為供暖負荷為1 kW的建筑物1 h時間需要提供的總熱量。

以上定義可知，負荷一般表示冬季和夏季的最不利值，可簡單理解為瞬時值。如果計算全年的供暖需求或制冷需求，不能簡單地用供暖負荷乘以供暖時長或制冷負荷乘以制冷時間來計算，而是一個積分求和的過程。

如果知道建筑物不同時間的負荷大小，可以通過積分求得該建筑物全年所需的熱量或冷量，此結果就是建筑物供暖需求和制冷需求。

為簡化計算，引入了新的參數——度時數來描述供暖期間或制冷期間溫差的積分。

度時數計算公式如下：

GT=Σ(Ti-Te)t

其中：

GT——度時數，Kh或kKh；

Ti——室內溫度，℃，計算供暖度時數時為20℃，計算制冷度時數時取26℃[參考文獻1中為25℃]；

Te——室外溫度，℃，

t——時間長度，h。

供暖度時數一般指整個供暖期間的度時數，制冷度時數指整個制冷期間的度時數。

由于我們希望建筑物在冬季盡可能多得熱，夏季盡可能少得熱，這是一對矛盾，需要通過合理設置固定遮陽或活動外遮陽技術來加以解決。

夏季不同于冬季，溫差得熱和太陽輻射得熱都不利于制冷需求，無法通過熱平衡方法降低夏季負荷到一個特定值；活動遮陽可以適當降低夏季制冷負荷和制冷需求，但是也有一定限度。

通過外窗的主要傳熱形式為太陽輻射得熱和溫差得(失)熱，該如何計算呢？

3、溫差得(失)熱計算

外窗溫差得(失)熱與室內外空氣溫度差值、外窗傳熱系數K值(或U值)有關。

通過窗戶的瞬時溫差得(失)熱為：

PT=A×K×ΔT

其中：

A——窗戶面積，m2；

K——窗戶傳熱系數，W/(m2·K)；

ΔT——室內外溫差，K。

通過窗戶的累計溫差得(失)熱量為：

QT=A×K×Gt

其中：

A——窗戶面積，m2；

K——窗戶傳熱系數，W/(m2·K)；

Gt——供暖或制冷度時數，kKh。

4、輻射得熱計算

外窗輻射得熱與太陽輻射能量大小、遮陽折減系數、外窗太陽得熱系數有關。

通過窗戶的瞬時太陽輻射得熱為：

PS=r×g×Ag×Es

其中：

r——折減系數；

g——玻璃太陽得熱系數；

Ag——玻璃面積，m2；

Es——太陽輻射照度，W/m2。

通過窗戶的累計太陽得熱量為：

QS=r×g×Ag×Gs

其中：

r——折減系數；

g——玻璃太陽得熱系數；

Ag——玻璃面積，m2；

Gs——太陽輻照量，kWh/m2。

5、典型案例

某市某建筑物，有效計算面積為250m2，共有窗戶面積120m2，初步設計為各個朝向窗戶面積相等，玻璃占比70%，g值為0.5，固定遮陽和周邊建筑遮擋折減系數為0.6，平均K值為0.8 W/(m2·K)。

已知該市供暖度時數Gt值為50 kKh，各朝向輻照量見表1，試求各個朝向窗戶的熱平衡，并給出窗戶面積的優化建議。

表1 某市各朝向太陽輻照量Gs[kWh/m2]

解：

(1) 各朝向窗戶面積相等時：

各朝向窗戶溫差失熱量為：

QT=30×0.8×50= 1200 kWh

各朝向窗戶太陽得熱量為：

東向：QS1=0.6×0.5×30×0.7×160 = 1008 kWh

西向：QS2=0.6×0.5×30×0.7×170 = 1071 kWh

南向：QS3=0.6×0.5×30×0.7×300 = 1890 kWh

北向：QS4=0.6×0.5×30×0.7×85 = 535.5 kWh

此時，窗戶總累計溫差失熱量為：

QT=120×0.8×50= 4800 kWh

窗戶總累計太陽得熱量為：

QST=4504.5kWh

(2) 各朝向窗戶面積不相等時：

假定南向窗60 m2，東/西/北向各20 m2時，則：

各朝向窗戶溫差失熱量為：

南向：QT1=60×0.8×50= 2400 kWh

東/西/北向：QT2=20×0.8×50=800 kWh

各朝向窗戶太陽得熱量為：

東向：QS1=0.6×0.5×20×0.7×160 = 672 kWh

西向：QS2=0.6×0.5×20×0.7×170 = 714 kWh

南向：QS3=0.6×0.5×60×0.7×300 = 3780 kWh

北向：QS4=0.6×0.5×20×0.7×85 = 357kWh

此時，窗戶總累計溫差失熱量仍為4800kWh，而窗戶累計太陽得熱量為：QST=5523kWh

(3) 討論：

由熱平衡計算可知，南向QT＜QS，東/西/北向QT＞QS，因此應盡可能增加南向窗戶面積，減少東、西、北向窗戶面積。

當該建筑物南向外窗面積增大時，窗戶總累計太陽得熱量明顯增加，在節約冬季采暖能耗的同時，也可大大改善冬季室內熱舒適度，這也是很多建筑物南向采用大落地玻璃窗背后的秘密。

6、小結

窗戶的熱平衡指窗戶溫差得(失)熱和太陽得熱之間的差值，一般分為四個朝向分別計算。通過對各個方向窗戶熱平衡的驗算，提供不同朝向窗戶尺寸的設計建議。

建筑負荷和建筑需求都是表達建筑能源需求水平的指標。建筑負荷分為供暖負荷和制冷負荷，建筑需求分為供暖需求和制冷需求。

如果知道建筑物不同時間的負荷大小，可以通過積分求得該建筑物全年所需的熱量或冷量，此結果就是建筑物供暖需求和制冷需求。

外窗輻射得熱與太陽輻射能量大小、遮陽的折減系數、外窗太陽得熱系數有關。外窗溫差得(失)熱與室內外空氣溫度差值、外窗傳熱系數K值(或U值)有關。給出了因太陽輻射、溫差傳遞引起的負荷和能源需求計算方法。

以某市某典型建筑物為例，通過對累計總溫差失熱、累計總太陽得熱量的熱平衡計算，解釋了南向窗戶尺寸較大，東、西、北向窗戶面積較小的原因。