How Do Window Frames Impact Energy Consumption?

By：Reginald Davey

Reviewed by：Skyla Baily

在5月發(fā)表的一篇新論文中，一組研究人員調(diào)查了窗框?qū)δ茉聪牡挠绊?，以及在日本減少這種影響的城市規(guī)模更換策略。 該論文發(fā)表在《能源》雜志上，來自日本和韓國的科學(xué)家為這項研究做出了貢獻(xiàn)。

研究背景

不斷增長的世界人口和快速的城市化水平對能源消耗提出了巨大的需求，從而增加了碳排放。發(fā)電、運輸、建筑業(yè)和多個重工業(yè)都在使用大量的化石燃料。

在許多國家，僅建筑部門就占總能源消耗的 40% 左右，減少這一數(shù)字對于實現(xiàn)凈零目標(biāo)至關(guān)重要。

在建筑構(gòu)件中，由于與其他構(gòu)件相比，窗戶的熱透射率值存在顯著差異，窗戶是造成大部分熱量損失的原因。相反，由于太陽能通過玻璃傳輸，窗戶也有助于加熱。

窗框只占建筑物整個表面積的一小部分，但由于其絕緣特性和材料，對熱損失和能源消耗具有潛在的重大影響。世界各地仍在使用許多隔熱效果不佳的窗框，通常由鋁制成。鋁的導(dǎo)熱率比 PVC 高得多，PVC 是現(xiàn)代建筑的首選。

截至 2020 年，日本 10.1% 的窗框由鋁制成，其中 67.5% 的應(yīng)用使用復(fù)合鋁/PVC 框架。同年，PVC 窗框占所有應(yīng)用的 22.5%。在歐美，PVC 框架的比例為 50%。因此，日本市場還有很大的提升空間。

(a) 鋁框架的橫截面，包括墻壁、(b) 鋁框架、(c) 復(fù)合框架（鋁和聚氯乙烯 [PVC]）和 (d) PVC 框架。

圖片來源：Choi, Y et al., Energies

研究過程

作者已經(jīng)確定，盡管研究重點是通過研究熱傳遞的相關(guān)性來提高窗框的熱性能，但在城市層面上卻缺乏研究。

當(dāng)前文獻(xiàn)中的一些論文已經(jīng)證明，將低電導(dǎo)率材料用于窗框會產(chǎn)生熱量損失和能源消耗節(jié)省。一項研究調(diào)查了在辦公大樓中用復(fù)合玻璃纖維增強 PVC 代替鋁框架，表明總能耗降低了近 20%。然而，許多研究都集中在單個建筑物上，而忽略了城市規(guī)模的影響。

本研究有三個主要目標(biāo)。它旨在確定框架材料對能源消耗的影響，量化安裝在城市規(guī)模的新建筑中的高度隔熱框架如何有助于節(jié)能，并討論提高窗框的隔熱性如何有助于國家減少溫室氣體的對策排放。

每個參考系的溫度分布。 PVC、聚氯乙烯。 (a) 鋁； (b) 復(fù)合材料； (c) 聚氯乙烯。

圖片來源：Choi, Y et al., Energies

研究結(jié)果

在研究調(diào)查的三種窗框材料（鋁、復(fù)合鋁/PVC 和 PVC）中，PVC 的熱透射率值最低，為 1.88 W/m2。 K. 該值是使用二維模擬方法確定的。

區(qū)域平均值表明，通過使用具有增強熱性能的框架，每年的能源消耗減少了 0.75%。 每戶每年減少的二氧化碳排放量相當(dāng)于使用 PVC 窗框的 1-3 棵雪松樹。 此外，作者發(fā)現(xiàn)日本超過七個地區(qū)的這一數(shù)字轉(zhuǎn)化為數(shù)十萬棵雪松樹。 這表明了城市規(guī)模的顯著節(jié)能。

即使在日本普遍使用PVC窗框的地區(qū)，城市級的節(jié)能效果也與每年新建房屋的數(shù)量成正比。 即使在 PVC 是窗框應(yīng)用的首選材料的地區(qū)，窗框絕緣的持續(xù)改進(jìn)也是必不可少的。

參考建筑的平面圖。

圖片來源：Choi, Y et al., Energies

研究的影響該文件提供了有關(guān)窗框脫鋁工作的相關(guān)信息。作者表示，研究結(jié)果可以幫助預(yù)測未來國家努力減少住宅和商業(yè)建筑熱損失和能源消耗的節(jié)能潛力，為新建和改造提供信息，以提高建筑物的能源效率。

該研究的一個主要限制是它只分析了日本大約 17.2% 的新建住宅。未來的研究將通過將研究方法擴展到所有新的日本住房單元來解決這一限制。