CN104453580B

CN104453580B - 一种节能窗

Info

Publication number: CN104453580B
Application number: CN201410583242.8A
Authority: CN
Inventors: 刘艳峰; 周晓骏; 王登甲; 刘加平
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2034-10-27
Also published as: CN104453580A

Abstract

本发明涉及一种节能窗，该节能窗包括旋转窗框、平开窗框和固定窗框，所述的平开窗框安装于固定窗框内，旋转窗框框安装于平开窗框内；旋转窗框内安装有普通玻璃和吸热玻璃，普通玻璃、吸热玻璃及旋转窗框形成空气间层，吸热玻璃的上部和下部分别设有通风口；所述的通风口将空气间层内的空气与室内或室外的空气交换。夏季太阳辐射强时，开启吸热玻璃上下两端的矩形通风口，使吸热玻璃面朝向室外，对室内起到隔热降温作用；冬季光照条件较好时，开启吸热玻璃上下两端的矩形通风口，使吸热玻璃朝向室内，同理由于吸热玻璃的吸热效应和空气间层的热压通风作用，对室内起到加热增温作用。

Description

一种节能窗

技术领域

本发明属于建筑外围护结构节能技术领域，涉及对建筑外窗的节能优化，特别涉及一种节能窗。

背景技术

建筑能耗是社会能耗的重要组成部分，占到社会总能耗的30％以上。随着人民生活水平的提高，建筑能耗所占比例会近一步增加，建筑节能已成为我国建设低碳经济、完成节能减排目标、保持经济可持续发展的重要环节之一。建筑围护结构中，窗户作为采光通风的重要手段之一，是围护结构热损失的大户。因此，窗户在建筑节能设计中占有极为重要的地位。

近年来我国窗户节能领域出现了很多新技术，使过去品种单一的窗户变得形式多样，热工性能也更为复杂。为了解决大面积玻璃造成能量损失过大的问题，可将普通玻璃加工成中空玻璃、镀膜玻璃、高强度LOW-E防火玻璃、采用磁控真空溅射放射方法镀制含金属层的玻璃以及最特别的智能玻璃。对窗户的节能处理主要是考虑到夏季的遮阳隔热和冬季的太阳能热利用与保温，即夏季需要减少进入室内的太阳辐射，以降低空调负荷；冬季需要增加进入室内的太阳辐射，以降低采暖负荷。但现有的窗户节能技术尚不能够完全解决夏季隔热降温和冬季加热增温之间的矛盾。

综上所述，如何在夏季隔热与冬季保温基础上更好的利用太阳的光热资源，是本领域研究人员所共同关注的热点。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明解决的是现有的建筑用窗不能利用室外自然环境中的能量来为室内升温或降温的问题，达到在冬季为室内提供热量、在夏季降低室内温度的目的。

为实现上述任务，本发明采用如下技术方案：

一种节能窗，该节能窗包括旋转窗框、平开窗框和固定窗框，其特征在于，所述的平开窗框安装于固定窗框内，旋转窗框框安装于平开窗框内；

旋转窗框内安装有普通玻璃和吸热玻璃，普通玻璃、吸热玻璃及旋转窗框形成空气间层，吸热玻璃的上部和下部分别设有通风口；

所述的通风口将空气间层内的空气与室内或室外的空气交换。

进一步的，所述的旋转窗框可在平开窗框内旋转360°。

具体的，所述的旋转窗框的高度为1200～1800mm，旋转窗框的宽度为600～900mm。

更具体的，所述的吸热玻璃的厚度为6～10mm。

优选的，所述的通风口为矩形的开口，通风口的长为300～900mm，通风口的宽为50～150mm。

进一步的，所述的通风口上安装矩形转页，矩形转页控制通风口的开启和关闭。

更进一步的，所述的矩形转页由吸热玻璃制成。

特别的，所述的空气间层的厚度为9～16mm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明通过在平开窗框内设置的旋转窗框，不仅能使本节能窗在平面内推开，而且在冬季关窗保温或夏季开空调关窗时，能通过旋转窗框的旋转实现保温或散热，有效的节约能耗；

(2)通过在吸热玻璃上设置的上下通风口，当需要增温时将空气间层内的热空气流入室内对室内进行加热，当需要隔热时使空气间层内的热空气流向室外降低室内的温度，且通风口上设有矩形转页方便控制通风口的开合；

(3)通过对空气间层厚度、吸热玻璃厚度和通风口尺寸的筛选，使本节能窗达到了最佳的节能效果，且通过模拟表明本节能窗与普通窗相比节能效果有了很大的提高。

附图说明

图1为本发明的节能窗整体结构示意图；

图2为本发明的平开窗框和旋转窗框连接关系的示意图；

图3为本发明节能窗的隔热降温原理示意图；

图4为本发明节能窗的吸热增温原理示意图；

图5为本发明节能窗的保温原理示意图；

图6为实施例三中节能窗与普通窗逐时总传热量对比图；

图7为实施例三中节能窗与普通窗逐时温差传热量与太阳辐射透射量对比图；

图8为实施例三中节能窗逐时出风口供热量与风速数值图；

图9为实施例三中节能窗与普通窗逐时室内温度对比图；

图10为实施例四中节能窗和普通窗逐时总传热量对比图；

图11为实施例四中节能窗和普通窗逐时温差传热量与太阳辐射透射量对比图；

图12为实施例四种节能窗逐时出风口供热量与风速数值图；

图13为实施例四节能窗与普通窗逐时室内温度对比图；

图14为实施例五节能窗和普通窗逐时总传热量对比图；

图15为实施例五节能窗逐时出风口散热量与风速数值图；

图16为实施例五节能窗与普通窗逐时室内温度对比图；

图17为实施例六节能窗和普通窗逐时温差传热量与太阳辐射透射量堆积图；

图18为实施例六中节能窗逐时出风口散热量与风速数值图；

图19为实施例六中节能窗与普通窗逐时室内温度对比图；

图中标号分别表示：1-旋转窗框、101-通风口、102-锁槽、103-转页、104-吸热玻璃、105-普通玻璃、2-平开窗框、201-旋转窗锁、202-平开窗锁、203-密封条、3-固定窗框、4-合页、5-转轴。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明在平开窗框内安装一个旋转窗框，旋转窗框内设有可被加热的空气间层，通过空气间层内空气的升温和阻隔作用实现室内温度的上升和保温；旋转窗框内安装有普通玻璃和吸热玻璃，普通玻璃为普通无色平板玻璃，其具有良好的透光性能，对太阳中近红热射线的透过率较高，但对室内壁面、地板、家具及织物反射产生的远红外长波热射线却有效阻挡，故可产生明显的“温室效应”；吸热玻璃为能吸收大量红外线辐射能并保持较高可见光透过率的平板玻璃，生产吸热玻璃的方法有两种：一是在普通钠钙硅酸盐玻璃的原料中加入一定量的有吸热性能的着色剂；另一种是在平板玻璃表面喷镀一层或多层金属或金属氧化物薄膜而制成。普通玻璃与吸热玻璃之间存在一个空气间层，吸热玻璃上下两端各开有一个矩形通风口，通过通风口与空气间层内空气的流动实现增加或降低室内温度。

旋转窗框在平开窗内360°的旋转，为吸热玻璃和普通玻璃位置的转换提供自由的旋转度。

为了控制通风口的开启和关闭，在通风口上安装转页，通过转页的开合来控制通风口的开启和关闭，且转页也由吸热玻璃制成，使整体的吸热效果更好。

另外，为了探讨吸热玻璃的厚度、通风口的面积及空气间层的厚度对本节能窗的节能性能的影响，针对不同的地区进行了一系列的模拟计算后发现在吸热玻璃的厚度为6～10mm、通气孔的长为300～900mm和宽为150～50mm及空气间层的厚度为9～16mm的尺寸范围内，本节能窗的节能效果较为理想。

实施例一：节能窗的结构

参见图1和图2，本实施例所述的节能窗包括旋转窗框1、平开窗框2、固定窗框3、合页4和转轴5，平开窗框2的一侧通过上下两个合页4安装在固定窗框3内，平开窗框2以两个合页4为轴旋转90°，旋转窗框1的中轴线与平开窗框2的中轴线重合，旋转窗框1与平开窗框2通过放置在中轴线上的两个转轴5连接，旋转窗框1以转轴5为中线可在平开窗框2内旋转360°，其中：

旋转窗框1包括通风口101、锁槽102、转页103、吸热玻璃104和普通玻璃105，吸热玻璃104和普通玻璃105相互平行的安装在旋转窗框1上组成一个空气间层，该空气间层内的空气可被吸热玻璃104吸收的热量加热而升温，为了使空气间层内的热空气形成热对流达到降低或升高室内温度的目的，在吸热玻璃104的上部和下部对称的部位开有通风口101，该通风口101可以是常用的几何形状中的一种，本实施例中的通风口101优选为矩形；

另外，为了实现降温、升温及保温三个工作效果的随时转换，在矩形通风口101上安装矩形的转页103，转页103通过转轴安装在通风孔101的顶边上，转页103可沿转轴进行90°的旋转，从而控制通风孔101的开合；

同时，为了将旋转窗框1能固定在平开窗框2内，在旋转窗框1的竖直侧边内开有锁槽102，平开窗框2上对应锁槽102的位置设有旋转窗锁201，可将旋转窗框1固定在平开窗框2内，平开窗框2上还设有平开窗锁202，能降平开窗框2固定在固定窗框3内；

进一步的，为了使本节能窗的密封效果更好，在旋转窗框1与平开窗框2的接合周及平开窗框2与固定窗框3的接合周上均设有密封条203，且转页103由与吸热玻璃104相同的材料制成。

实施例一节能窗的工作原理为：

参考图3，夏季室外温度高、太阳辐射强时，通过平开窗锁202关闭平开窗框2，调节吸热玻璃104上下两个矩形转页103向外旋转90°，打开矩形通风口101，转动旋转窗框1，使吸热玻璃104朝向室外，普通玻璃105朝向室内，由于吸热玻璃104能够吸收太阳光谱中的红外线部分，而普通玻璃105对吸热玻璃104发射的远红外长波热射线是无法透射的，因此在两层玻璃之间的空气间层内形成了空气加热腔；由于热压作用，空气间层内的空气升温后上升，从上部的矩形通风口101排出，带走空气间层内的热量，室外温度稍低的空气从吸热玻璃104下部矩形通风口101补入空气间层内，通过上下两个通风口101与空气间层的巧妙配合，本节能窗将夏季室外的热量阻挡在了窗外，从而降低了室内的基础室温，节约了空调能耗。

参考图4，冬季白天阳光充足时，通过平开窗锁202关闭平开窗框2，转动旋转窗框1，使吸热玻璃104朝向室内，普通玻璃105朝向室外，调节吸热玻璃104上下的矩形转页6至开启状态，在两层玻璃之间的空气间层内形成了空气加热腔，太阳光穿过普通玻璃105到达吸热玻璃104及空气间层，使空气间层内的空气被加热，由于热压作用，空气间层内的空气被加热后上升，从上部的矩形通风口101排进室内，室内的低温空气从吸热玻璃104下部矩形通风口101进入空气间层，这相当于将室内的低温空气循环加热的过程，从而增加了室内的得热量，提高了室内的基础室温，节约了采暖能耗。

参考图5，当冬季白天阳光匮乏及夜晚室外温度低时，通过平开窗锁202关闭平开窗框2，转动旋转窗框1，使吸热玻璃104朝向室内，普通玻璃105朝向室外，调节吸热玻璃104上下的矩形转页101至关闭状态，此时两层玻璃之间的空气间层不存在空气流动，相当于增加了一层空气层热阻，使窗体的保温性能增加，减少了室内的热损失。

其余过渡季节，可根据人体对热舒适及空气品质的要求来调节以满足人体对室内环境的需求。

为了更加精确的控制本节能窗对不同气象条件下的不同地区的室内温度的调节，以拉萨市和西安市为例进行了模拟：

影响节能窗热效率的主要因素有以下几个方面：(1)空气间层厚度；(2)吸热玻璃厚度；(3)通风口尺寸。首先根据冬季节能窗处于吸热增温模式下进行窗体结构的优化设计，利用Fluent软件对本发明的节能窗的传热过程进行了稳态的数值模拟，以获得热效率最高时的节能窗设计参数；确定了窗体的结构参数后，再对窗体进行典型日非稳态工况下的数值模拟，以获得其冬、夏季全天运行状态下的传热量及室内热环境情况。

窗体物理模型、初始条件和边界条件的设置如下：

1.窗体物理模型

利用Gambit建立了多组不同规格的窗体模型，选用的单扇窗体高1800mm、宽900mm，空气夹层厚度分别为6mm、12mm、16mm，普通玻璃厚度为6mm，吸热玻璃厚度分别为6mm、8mm、10mm，通风口宽×高尺寸分别为300mm×150mm、450mm×100mm、900mm×50mm。

本发明的节能窗，选用的吸热玻璃组分如下表所示：

表1吸热玻璃组分

组分	SiO₂	Na₂O	CaO	MgO	Al₂O₃	Fe₂O₃	CuO	K₂O	Co₂O₃
										比例％	72.32	13.96	7.19	3.95	2.07	0.25	0.15	0.097	0.013

吸热玻璃的光学参数及热物性参数如下表所示：

表2吸热玻璃光学及热物性参数

2.气象参数

分别选取西藏自治区拉萨市和陕西省西安市作为本模拟的典型地区。拉萨市地理位置设置为东经91.13°，北纬29.67°，时区为东六区。西安市地理位置设置为东经108.93°，北纬34.30°，时区为东七区。

模拟冬季工况时，根据典型气象年最冷月的平均干球温度选取典型日。拉萨市室外温度选取为典型气象年最冷月1月31日的逐时值，西安市室外温度选取为典型气象年1月20日的逐时值。

模拟夏季工况时，根据典型气象年最热月的平均干球温度选取典型日。拉萨市室外温度选取为典型气象年最热月6月9日的逐时值，西安市室外温度选取为典型气象年7月6日的逐时值。

3.初始条件和边界条件

本模拟为周期性的非稳态模拟，初始条件对模拟结果影响较大，为消除初始条件影响，故进行多个周期的模拟后，待数据稳定后方采用该数据。故在本模拟中初始条件仅影响数据稳定的速度，与最终的结果无关。

模拟的边界条件设置如下：

节能窗外表面：对流边界，对流换热系数取值为23W/(m²·K)。室外空气温度值为典型日的室外空气温度逐时值。

节能窗内表面：对流边界，对流换热系数取值为8.7W/(m²·K)。室内空气温度为典型日室内温度平均值。

通风口边界设定：0:00—7:00和17:00—24:00通风口关闭，为绝热边界条件；7:00—17:00通风口开启，下通风口为压力入口边界，相对压力为0，上通风口为压力出口边界，相对压力为0。

其他外表面为绝热边界。未规定的内表面为气固耦合边界条件，无法预先规定，其受到流体与壁面之间相互作用的制约。

实施例二：对空气夹层厚度、吸热玻璃厚度、通风口尺寸进行优化筛选

选取拉萨市典型气象年1月31日中午12时的干球温度及太阳辐射作为稳态模拟的室外气象参数，其余均与上述条件相同。

(1)空气间层厚度

选用6mm普通无色玻璃，6mm吸热玻璃，长×宽尺寸为300mm×150mm的通风口，分别对空气间层厚度为6mm、12mm和16mm的工况进行模拟，结果如表3所示：

表3不同空气层厚度下的通风口供热量

由上表可以看出，通风口供热量在空气间层厚度为12mm时最大，其供热量为291W，故本节能窗的空气间层厚度定为12mm。

(2)吸热玻璃厚度

选用6mm普通无色玻璃，12mm空气层厚度，宽*高尺寸为300mm×150mm的通风口，分别对吸热玻璃厚度为6mm、8mm和10mm的工况进行模拟，结果如表4所示：

表4不同吸热玻璃厚度下的通风口供热量

由上表可以看出，随着吸热玻璃厚度的增加，通风口的供热量也随着增大，通风口供热量在吸热玻璃厚度为10mm时最大，其供热量为323W，故本节能窗的吸热玻璃厚度定为10mm。

(3)通风口尺寸

选用6mm普通无色玻璃，12mm空气层厚度，10mm吸热玻璃，分别对通风口长×宽尺寸为300mm×150mm、450mm×100mm和900mm×50mm的工况进行模拟，结果如表5所示：

表5不同通风口尺寸下的通风口供热量

由上表可以看出，通风口供热量在通风口长×宽尺寸为450mm×100mm时最大，其供热量为440W，故本节能窗的通风口长×宽尺寸定为450mm×100mm。

综上所述，为获得最大的通风口供热量，本发明的节能窗单扇窗体高1800mm、宽900mm，普通无色玻璃厚度为6mm，空气间层厚度为12mm，吸热玻璃厚度为10mm，通风口宽×高尺寸为450mm×100mm。

实施例三：以拉萨市为例，与普通窗对比对实施例二中的最优尺寸结构的窗体进行了冬季节能情况的模拟计算

利用实施例二优化后的节能窗模型模拟冬季工况下的全天传热量，对比单扇窗框规格同为高1800mm、宽900mm，使用普通6mm透明玻璃的窗户传热量。

如图6、图8所示，7:00—17:00通风口开启，由于太阳辐射作用，空气间层被加热，形成热对流，吸热玻璃上部通风口向室内供热，通风口风速随及供热量着太阳辐射的增加而增大，其风速及供热量均在13:00左右达到最大值，分别为0.54m/s和349W，此时总传热量也达到最大值642W，通风口供热量占总传热量的54％。如图6、图7所示，节能窗的太阳辐射透射量比普通窗略大，这主要是由于节能窗太阳辐射透射率较普通窗低所造成的。普通窗的最大传热量在13:00出现，为241W，仅为节能窗最大传热量的38％。由此可见，本发明的节能窗冬季吸热增温效果显著。

如图6、图7所示，0:00—7:00和17:00—23:00通风口关闭，吸热玻璃和普通无色玻璃间形成厚度为12mm的空气层，此时节能窗的热阻为0.68(m²·k)/W，平均失热量为51W；而普通玻璃窗的热阻为0.17(m²·k)/W，平均失热量为205W，节能窗的平均失热量仅占普通窗平均失热量的25％。显然节能窗的保温效果更好。

如图9所示，节能窗的全天室内逐时温度均高于普通窗，节能窗室内日平均温度为13.0℃，而普通窗的室内日平均温度为9.8℃，日平均温差为3.2℃。两者的最大温差出现在14：00时刻，相差5.0℃。节能窗在冬季使用时，可有效的提高室内温度，改善室内热环境。

实施例四：以西安市为例，与普通窗对比对实施例二中的最优尺寸结构的窗体进行了冬季节能情况的模拟计算

如图10、图12所示，7:00—17:00通风口开启，通风口风速及供热量均在12:00左右达到最大值，分别为0.54m/s和284W，此时总传热量也达到最大值529W，通风口供热量占总传热量的54％。如图9、图10所示，节能窗的太阳辐射透射量比普通窗略大，这主要是由于节能窗太阳辐射透射率较普通窗低所造成的。普通窗的最大传热量在13:00出现，为210W，仅为节能窗最大传热量的40％。在西安本发明的节能窗冬季吸热增温效果同样显著。

如图10、图11所示，0:00—7:00和17:00—23:00通风口关闭，节能窗夜间平均失热量为44W；而普通玻璃窗夜间的平均失热量为176W。节能窗的平均失热量仅占普通窗平均失热量的25％，节能窗保温效果明显优于普通窗。

如图13所示，节能窗的全天室内逐时温度均高于普通窗，节能窗室内日平均温度为13.9℃，而普通窗的室内日平均温度为11.9℃，日平均温差为2.0℃。两者的最大温差出现在12：00，相差3.6℃。西安冬季节能窗的增温效果相比于拉萨稍弱，主要是由于西安太阳辐射强度比拉萨低所造成的，但其对室内热环境的改善仍然显著。

实施例五：以拉萨市为例，与普通窗对比对实施例二中的最优尺寸结构的窗体进行了夏季节能情况的模拟计算

拉萨夏季昼夜温差大，白天太阳辐射强，夜晚室外温度低，将节能窗旋转，使吸热玻璃面朝向室外。如图15所示，7:00—17:00通风口开启，通风口风速随着太阳辐射强度的增加而增大，在12:00左右通风口风速和通风口散热量均达到最大值，分别为0.61m/s和175W。如图14、16所示，节能窗在白天的得热量及夜晚的失热量均小于普通窗，因此节能窗白天室内温度比普通窗低，夜晚室内温度比普通窗高，节能窗在白天起到了隔热降温作用，夜晚则起到了保温效果，符合拉萨地区对于室内热环境的需求。

实施例六：以西安市为例，与普通窗对比对实施例二中的最优尺寸结构的窗体进行了夏季节能情况的模拟计算

西安市夏季室外温度高，太阳辐射强，将节能窗旋转，使吸热玻璃面朝向室外。如图18所示，7:00—17:00通风口开启，由于太阳辐射作用，空气层被加热，形成热对流，吸热玻璃上部通风口将吸热玻璃吸收的热量带走，通风口风速在整个开启时段都恒定在0.8m/s左右，通风口散热量随着太阳辐射的增加而增大，在12:00左右达到最大值461W。如图17所示，由于节能窗太阳辐射透射率及传热系数均比普通窗小，因此节能窗的太阳辐射透射量及温差传热量均小于普通窗。夏季窗体的总传热量等于太阳辐射透射量和温差传热量之和，节能窗和普通窗的总传热量最大值均出现12:00，节能窗的总传热量最大值为191W，而普通窗则为257W，节能窗的室内的热量最大值为普通窗的74％。如图19所示，夏季节能窗全天室内逐时温度均低于普通窗的室内温度，节能窗室内日平均温度为27.9℃，而普通窗的室内日平均温度为29.5℃，日平均温差1.6℃，节能窗在西安夏季的隔热降温效果明显。

由上述实例分析可知，本发明的节能窗冬季适用于室外温度低、太阳辐射强的地区，可充分利用太阳辐射，提高室内温度，起到吸热增温的效果；夏季适用于室外温度高、太阳辐射强的地区，可减少室内的得热量，起到隔热降温的效果。在冬夏两季都满足上述适用性条件的地区，可将本节能窗的优势最大化。

Claims

1.一种节能窗，该节能窗包括旋转窗框(1)、平开窗框(2)和固定窗框(3)，其特征在于，所述的平开窗框(2)安装于固定窗框(3)内，旋转窗框(1)安装于平开窗框(2)内；

旋转窗框(1)内安装有普通玻璃(105)和吸热玻璃(104)，普通玻璃(105)、吸热玻璃(104)及旋转窗框(1)形成空气间层，吸热玻璃(104)的上部和下部分别设有通风口(101)；

所述的通风口(101)将空气间层内的空气与室内或室外的空气交换；

所述的旋转窗框(1)可在平开窗框(2)内旋转360°；

所述的旋转窗框(1)的高度为1200～1800mm，旋转窗框(1)的宽度为600～900mm；

所述的吸热玻璃(104)的厚度为6～10mm；

所述的通风口(101)为矩形的开口，通风口(101)的长为300～900mm，通风口(101)的宽为50～150mm；

所述的通风口(101)上安装矩形转页(103)，矩形转页(103)控制通风口(101)的开启和关闭；

所述的矩形转页(103)由吸热玻璃制成；

所述的空气间层的厚度为9～16mm。