從上世紀(jì)八十年代國(guó)家推行“三步節(jié)能”以來(lái),“節(jié)能”成為建筑行業(yè)最高頻的詞之一。據(jù)統(tǒng)計(jì),各項(xiàng)建筑能源消耗占社會(huì)總能耗的三分之一左右,建筑部件中門(mén)窗相對(duì)墻體、屋面和地面其他三大圍護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)絕熱性能最差,門(mén)窗的能耗約占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的40%~50%,較高門(mén)窗能耗不利于我國(guó)能源走可持續(xù)發(fā)展道路,近年來(lái)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、地方政策都提高了節(jié)能要求,門(mén)窗行業(yè)一直致力于節(jié)能門(mén)窗的設(shè)計(jì)研發(fā)工作。
自然界中熱量的傳遞有三種形式:傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。由于玻璃是透明材料,其涉及的傳熱形式最多,通過(guò)玻璃的傳熱除上述三種形式外還有太陽(yáng)能(詞條“太陽(yáng)能”由行業(yè)大百科提供)量以光輻射形式的直接透過(guò)。衡量通過(guò)玻璃進(jìn)行能量傳播的主要指標(biāo)有可見(jiàn)光透射比Tv,傳熱系數(shù)(詞條“傳熱系數(shù)”由行業(yè)大百科提供)U值(或K值),太陽(yáng)能總透射比SHGC值,太陽(yáng)紅外熱能總透射比gIR,如圖1所示。
圖1
可見(jiàn)光透射比Tv:是對(duì)于玻璃窗最基本的功能“采光”來(lái)說(shuō),也就是玻璃對(duì)可見(jiàn)光的透過(guò)能力,以可見(jiàn)光透射比Tv來(lái)衡量。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 151-2008《建筑門(mén)窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》對(duì)可見(jiàn)光透射比定義為,采用人眼視見(jiàn)函數(shù)進(jìn)行加權(quán),標(biāo)準(zhǔn)光源透過(guò)玻璃、門(mén)窗或玻璃幕墻成為室內(nèi)的可見(jiàn)光通量與投射到玻璃、門(mén)窗或玻璃幕墻上的可見(jiàn)光通量的比值。可見(jiàn)光透射比越大,室內(nèi)采光效果越好。
傳熱系數(shù)U值(或K值):對(duì)于玻璃窗第二大功能“保溫”來(lái)說(shuō),也就是阻隔溫差傳熱的能力,以傳熱系數(shù)U值衡量。傳熱系數(shù)越小,保溫性能越好。
太陽(yáng)能總透射比SHGC:玻璃窗的第三大功能“隔熱”,也就是玻璃阻擋太陽(yáng)輻射熱的能力。在歐洲,SHGC又被稱(chēng)為太陽(yáng)能總透射率(Total Solar Energy Transmittance)、太陽(yáng)能因子(solar factor)或g值(g-value)。太陽(yáng)光總透射比(詞條“太陽(yáng)光總透射比”由行業(yè)大百科提供)SHGC值定義為:在300~2500nm波長(zhǎng)范圍內(nèi),通過(guò)玻璃門(mén)窗或玻璃幕墻成為室內(nèi)得熱量的太陽(yáng)輻射部分,與投射到玻璃、門(mén)窗或玻璃幕墻構(gòu)件上的太陽(yáng)輻射照度的比值。成為室內(nèi)得熱量的太陽(yáng)輻射部分包括:太陽(yáng)輻射通過(guò)輻射透射的得熱量,太陽(yáng)輻射被構(gòu)件吸收再傳入室內(nèi)的得熱量(二次傳熱)。太陽(yáng)能總透射比近乎完整地表征了玻璃的得熱能力,太陽(yáng)能總透射比越小,隔熱性能越好。
太陽(yáng)紅外熱能總透射比gIR:在780nm~2500nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的太陽(yáng)能總透射比,不考慮可見(jiàn)光范圍的透射及吸收情況,所以其表征玻璃的得熱能力有一定局限性。gIR值越小,玻璃阻擋太陽(yáng)輻射熱的能力越強(qiáng)。目前降低gIR值的技術(shù)是采用隔熱涂膜(詞條“涂膜”由行業(yè)大百科提供)玻璃,隔熱涂膜玻璃在可見(jiàn)光380~780nm波段范圍內(nèi),具有較高的透射率及較低的反射率,在紅外780~2500nm波段范圍內(nèi),具有極低的透射率及較高的反射率,這樣既可以保證較好的采光效果,又可以達(dá)到隔熱保溫的目的,但因其限制太陽(yáng)輻射的局限性及本身技術(shù)不夠成熟應(yīng)用很少,所以在此不再詳述。
在夏季或者熱帶氣候地區(qū),室外的熱量通過(guò)門(mén)窗傳導(dǎo)入室內(nèi)主要通過(guò)以下兩個(gè)途徑:a.熱傳遞(通過(guò)室內(nèi)外溫差實(shí)現(xiàn));b.太陽(yáng)得熱(通過(guò)太陽(yáng)輻射實(shí)現(xiàn))。我們通過(guò)影響這兩條途徑來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的,影響熱傳遞是為了保溫,影響太陽(yáng)得熱是為了隔熱。保溫效果通過(guò)U值來(lái)衡量,而隔熱效果通過(guò)SHGC來(lái)衡量。
本文中筆者選取了三樘窗,分別是40系列普鋁窗、65系列隔熱斷橋鋁窗配24mm寬聚酰胺型材、91系列隔熱斷橋鋁窗配54mm寬聚酰胺型材,用THERM及WINDOW軟件來(lái)模擬對(duì)比三樘U值及SHGC值(計(jì)算邊界條件和計(jì)算方法參考JGJ/T 151-2008《建筑門(mén)窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》),由于篇幅限制只展示了典型的框扇組合部分窗框的節(jié)點(diǎn)(詞條“節(jié)點(diǎn)”由行業(yè)大百科提供),立面圖及節(jié)點(diǎn)圖(詞條“節(jié)點(diǎn)圖”由行業(yè)大百科提供)如圖2所示。
圖2
1. U值
1.1、 U值概念
U值定義:熱透過(guò)比[W/(㎡.K)],即在穩(wěn)態(tài)(熱傳遞時(shí)沒(méi)有溫度變化,無(wú)熱量存儲(chǔ))傳熱條件下,兩側(cè)環(huán)境溫度差為1K時(shí),在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積門(mén)窗或玻璃幕墻的熱量。從定義可以看出U值取決于標(biāo)準(zhǔn)中定義的環(huán)境條件,在自然條件下不存在穩(wěn)態(tài)傳熱條件,所以U值是為了產(chǎn)品評(píng)級(jí)而人為定義的量,不存在自然條件下的U值。美國(guó)NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系適用于門(mén)窗系統(tǒng)計(jì)算,使用數(shù)值計(jì)算法,可以計(jì)算玻璃和窗框各自U值,使用計(jì)算公式(1)。玻璃的U值計(jì)算是標(biāo)準(zhǔn)的一部分,可以用計(jì)算軟件WINDOW進(jìn)行相關(guān)計(jì)算;窗框的傳熱是二維問(wèn)題,無(wú)法求解析解,需要用數(shù)值法求解每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度和熱流量,可以用國(guó)際通用的THERM軟件來(lái)計(jì)算。
1.2、 玻璃U值
ISO 10292-1994《建筑玻璃多層玻璃窗穩(wěn)態(tài)u-值(傳熱系數(shù))的計(jì)算》適用于玻璃U值計(jì)算,并未具體計(jì)算熱流量和溫度分布,使用計(jì)算公式(4)。
基爾霍夫定律(熱輻射定律):任意物體在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下發(fā)射和吸收熱輻射時(shí),物體的吸收比等于它的發(fā)射比。對(duì)不透明物體:吸收比+反射比=1。對(duì)黑體:黑體吸收所有入射輻射,并發(fā)射所有輻射,吸收比=發(fā)射比= 1,反射比=0。
發(fā)射比也常稱(chēng)為發(fā)射率,是物體熱輻射與黑體熱輻射之比。普通物體的發(fā)射比低于理想黑體,在0和1之間。降低室內(nèi)表面發(fā)射比ε最常見(jiàn)的方式就是在室內(nèi)側(cè)采用Low-e鍍膜減少輻射傳熱,Low-e鍍膜發(fā)射較少輻射,吸收較少輻射,反射更多輻射。
筆者用WINDOW軟件模擬計(jì)算了幾款玻璃的U值和SHGC值(如表1),綜合上文所述可得結(jié)論:a.降低單片玻璃U值:要增大玻璃系統(tǒng)熱阻(詞條“熱阻”由行業(yè)大百科提供)R,需要通過(guò)增加玻璃厚度或者采用夾膠玻璃,但都影響都很小;有效措施是增大室內(nèi)表面熱阻 ,需要在室內(nèi)側(cè)鍍硬Low-e膜(在線鍍膜)。
b.降低中空玻璃U值:要增大玻璃系統(tǒng)熱阻R,可以增加玻璃厚度(影響很小)、適當(dāng)增加中空層厚度(降低傳導(dǎo),增大熱阻)、在中空層填充惰性氣體(降低對(duì)流和輻射傳熱)、在中空層內(nèi)一側(cè)玻璃表面鍍軟Low-e膜(離線鍍膜,膜的位置幾乎不影響U值);也可以在室內(nèi)側(cè)鍍硬Low-e膜(在線鍍膜)增大室內(nèi)表面熱阻 ,但一般不與離線鍍軟Low-e膜同時(shí)使用。
1.3、 窗框U值
大多數(shù)玻璃U值的概念也適用于窗框,理論上通過(guò)鍍Low-e膜來(lái)降低室內(nèi)表面發(fā)射比ε對(duì)于降低窗框U值同樣有效,但工藝和耐久性(詞條“耐久性”由行業(yè)大百科提供)是目前不能解決的難題,所以我們著意于增大窗框系統(tǒng)的熱阻。可以從傳熱學(xué)原理采取相應(yīng)措施:a.降低傳導(dǎo):采用斷橋鋁來(lái)代替普鋁,增加隔熱條長(zhǎng)度;b.降低對(duì)流和輻射:在隔熱腔增加尼龍隔板或者填充發(fā)泡、采用長(zhǎng)尾膠條等。
圖3 普鋁40系列
圖4 隔熱斷橋65-24系列
圖5 隔熱斷橋91-54系列
1.4、 整窗U值
2. SHGC值
2.1、 SHGC值概念
GB50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》、JGJ26-2010《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、JGJ134-2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)(詞條“建筑節(jié)能設(shè)計(jì)”由行業(yè)大百科提供)標(biāo)準(zhǔn)》、JGJ 75-2012《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中,對(duì)于建筑立面(詞條“建筑立面”由行業(yè)大百科提供),不同的窗墻比的玻璃材料,都有遮陽(yáng)系數(shù)Sc或者太陽(yáng)得熱系數(shù)SHGC的具體參數(shù)限制。SHGC可以直接計(jì)算或測(cè)量,遮陽(yáng)系數(shù)Sc無(wú)法直接計(jì)算或測(cè)量,只可以從SHGC換算。遮陽(yáng)系數(shù)Sc起初是作為一個(gè)單一數(shù)值來(lái)比較玻璃對(duì)太陽(yáng)得熱的控制能力,簡(jiǎn)單但不夠精確。Sc只定義了窗戶玻璃這部分的太陽(yáng)得熱能力(Scg),整窗遮陽(yáng)系數(shù)Scw是以玻璃Scg乘以玻窗比來(lái)計(jì)算,也就是忽略了窗框的影響。Sc還可以用來(lái)表征一定范圍太陽(yáng)方位角下玻璃的太陽(yáng)得熱性能,但是當(dāng)太陽(yáng)入射角較大時(shí),精度(詞條“精度”由行業(yè)大百科提供)上就得不到滿足。美國(guó)已經(jīng)廢除了遮陽(yáng)系數(shù)這個(gè)概念。目前國(guó)內(nèi)普遍采用SHGC值來(lái)進(jìn)行建筑能耗(詞條“建筑能耗”由行業(yè)大百科提供)分析, 國(guó)內(nèi)2015版GB50189《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中,外窗的Sc值也由SHGC值替換了,兩者關(guān)系如公式(10),0.87是3mm透明玻璃的SHGC。
在自然條件下,太陽(yáng)輻射包括直接輻射和漫射輻射,直接輻射相對(duì)于玻璃表面有一定角度,而且角度隨時(shí)間變化。SHGC也是基于理想化的環(huán)境條件,在SHGC的定義中,僅考慮直接太陽(yáng)輻射,并且太陽(yáng)輻射方向和玻璃表面垂直。美國(guó)NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系中SHGC標(biāo)準(zhǔn)用于門(mén)窗系統(tǒng)評(píng)級(jí),玻璃的SHGC計(jì)算是標(biāo)準(zhǔn)的一部分,使用數(shù)值計(jì)算法求解每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度和熱流量,太陽(yáng)照度被定義為783 W/㎡,可用WINDOW軟件直接計(jì)算玻璃的SHGC值,使用計(jì)算公式(11)。
玻璃的SHGC值增大時(shí),意味著可以有更多的太陽(yáng)直射熱量進(jìn)入室內(nèi);減小時(shí),則將更多的太陽(yáng)直射熱量阻擋在室外。SHGC值對(duì)節(jié)能效果的影響,是與建筑物所處的不同氣候條件相聯(lián)系的。在炎熱氣候條件下,應(yīng)該減少太陽(yáng)輻射熱量對(duì)室內(nèi)溫度的影響,此時(shí)需要玻璃具有相對(duì)低的SHGC值。而在寒冷氣候條件下,應(yīng)充分利用太陽(yáng)輻射熱量來(lái)提高室內(nèi)的溫度,此時(shí)需要高SHGC值的玻璃。
圖6
根據(jù)圖6,我們從太陽(yáng)得熱原理來(lái)分析,太陽(yáng)得熱Q應(yīng)該包括直接透射得熱和二次得熱,如公式(12)
ISO 9050-2003《建筑玻璃.光透率、日光直射率、太陽(yáng)能總透射率及紫外線透射率及有關(guān)光澤系數(shù)的測(cè)定》僅適用于玻璃SHGC評(píng)級(jí),使用解析法,并未具體計(jì)算溫度分布,不需要知道太陽(yáng)照度,使用計(jì)算公式(13)。太陽(yáng)能透射比 和反射比 是光學(xué)性質(zhì),只有熱輻射,沒(méi)有對(duì)流和傳導(dǎo)。內(nèi)流分?jǐn)?shù)N是一個(gè)熱學(xué)性質(zhì),同時(shí)有輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)。綜上,SHGC的二次得熱原理和U值的傳熱原理幾乎一樣。
2.2、 玻璃SHGC值
通過(guò)分析表1中SHGC值對(duì)比可以看出,增加玻璃層數(shù)、增大中空層厚度、Low-e鍍膜可以有效降低SHGC值,使用Low-e膜是目前最有效的降低SHGC值的措施。Low-e膜通過(guò)兩種機(jī)制影響SHGC值:a.改變玻璃在太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)的光學(xué)性質(zhì)( 和 ),例如降低太陽(yáng)能透射比 ;b.降低內(nèi)流分?jǐn)?shù)(N),使較少熱量傳到室內(nèi)。前者是主要作用,后者是次要作用。
如圖7所示,對(duì)于雙層中空玻璃Low-e膜位置不影響U值,但會(huì)影響SHGC,在表1中也已經(jīng)驗(yàn)證過(guò)。Low-e膜不管位于#2表面還是#3表面,太陽(yáng)能透射比 并沒(méi)有改變。膜位于#2表面時(shí),太陽(yáng)能吸收比 較高,但是總體SHGC較低,因?yàn)閮?nèi)流分?jǐn)?shù)較小,較多熱量被吸收,但較少被傳到室內(nèi),SHGC較低,適用于常年制冷地區(qū)。膜位于#3表面時(shí),太陽(yáng)能吸收比 較低,但是總體SHGC較高,因?yàn)閮?nèi)流分?jǐn)?shù)較大,較少熱量被吸收,但較多被傳到室內(nèi),SHGC較高,適用于常年采暖地區(qū)。
圖7
2.3、 窗框SHGC值
鋁窗框?qū)τ谔?yáng)輻射是不透明的,但熱量一定會(huì)從高溫側(cè)傳遞到低溫側(cè),所以太陽(yáng)熱量可以通過(guò)窗框以二次得熱的形式傳遞。窗框SHGC值可以被認(rèn)為是一種沒(méi)有直接太陽(yáng)透射的特例,太陽(yáng)能透射比 =0,只考慮二次傳熱,如圖8所示。
圖8
在JGJ/T 151-2008《建筑門(mén)窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》7.6中窗框SHGC值使用公式(14):
由公式(14)得出兩種降低太陽(yáng)得熱的方法:a.降低窗框的表面太陽(yáng)能吸收系數(shù) ,比如采用淺色外表面;b.提高窗框的保溫性能降低U值,比如增加隔熱條寬度、增加發(fā)泡。
筆者通過(guò)公式(14)計(jì)算了三個(gè)系列的框扇組合部分框的SHGC值,如表4所示。綜上,降低窗框U值,也可以降低窗框的SHGC值,65系列隔熱斷橋鋁窗與40系列普鋁窗相比,窗框SHGC值降低了47.9%;91系列隔熱斷橋鋁窗與40系列普鋁窗相比,窗框SHGC值降低了80.0%。
2.4、 整窗SHGC值
JGJ/T 151-2008《建筑門(mén)窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》3.4.1中規(guī)定了整窗SHGC計(jì)算使用公式(15):
筆者又分別模擬了三個(gè)系列框、中梃、梃扇部分SHGC值(具體計(jì)算步驟不再贅述和展示),按照公式(15)搭配不同配置的玻璃來(lái)計(jì)算整窗的SHGC值,計(jì)算出三個(gè)系列整窗SHGC值(如表5)。對(duì)比表5中數(shù)值可以得出,不管是優(yōu)化玻璃配置還是增加窗框的保溫性能都有助于降低整窗的SHGC。采用相同配置玻璃時(shí),65系列隔熱斷橋鋁窗與40系列普鋁窗相比,整窗SHGC值降低了9.3%;91系列隔熱斷橋鋁窗與40系列普鋁窗相比,整窗SHGC值降低了16.3%。
3. 總結(jié)
門(mén)窗的保溫隔熱性能主要通過(guò)U值和SHGC值來(lái)體現(xiàn),保溫性能由U值大小決定,隔熱性能由SHGC值大小決定。整窗U值與玻璃U值、窗框U值、間隔條(詞條“隔條”由行業(yè)大百科提供)選用以及玻窗比有關(guān),整窗SHGC值與玻璃SHGC值、窗框SHGC值以及玻窗比有關(guān)。在常年取暖或者采暖能耗高于制冷能耗地區(qū),節(jié)能型門(mén)窗具有相對(duì)低的U值和相對(duì)高的SHGC值;在常年制冷或者制冷能耗高于采暖能耗地區(qū),節(jié)能型門(mén)窗具有相對(duì)低的U值和相對(duì)低的SHGC值。但是U值和SHGC值并不是兩個(gè)完全沒(méi)有關(guān)系的數(shù)值,對(duì)于玻璃來(lái)說(shuō),大部分降低U值的措施都是可以降低SHGC值的,但兩者之間并沒(méi)有絕對(duì)性關(guān)系,Low-e膜位置對(duì)SHGC值起著決定性作用;對(duì)于不透明的窗框來(lái)說(shuō),SHGC值與U值成正比關(guān)系。
參考文獻(xiàn)
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