U值及SHGC值对铝门窗保温隔热性能的影响

来源:2019年会论文集 查看原文  时间:2019-3-27

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  从上世纪八十年代国家推行“三步节能”以来,“节能”成为建筑行业最高频的词之一。据统计,各项建筑能源消耗占社会总能耗的三分之一左右,建筑部件中门窗相对墙体、屋面和地面其他三大围护结构来说绝热性能最差,门窗的能耗约占建筑围护结构总能耗的40%~50%,较高门窗能耗不利于我国能源走可持续发展道路,近年来国家标准、地方政策都提高了节能要求,门窗行业一直致力于节能门窗的设计研发工作。

  自然界中热量的传递有三种形式:传导、对流和辐射。由于玻璃是透明材料,其涉及的传热形式最多,通过玻璃的传热除上述三种形式外还有太阳能量以光辐射形式的直接透过。衡量通过玻璃进行能量传播的主要指标有可见光透射比Tv,传热系数U值(或K值),太阳能总透射比SHGC值,太阳红外热能总透射比gIR,如图1所示。

图1

  可见光透射比Tv:是对于玻璃窗最基本的功能“采光”来说,也就是玻璃对可见光的透过能力,以可见光透射比Tv来衡量。行业标准JGJ/T 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》对可见光透射比定义为,采用人眼视见函数进行加权,标准光源透过玻璃、门窗或玻璃幕墙成为室内的可见光通量与投射到玻璃、门窗或玻璃幕墙上的可见光通量的比值。可见光透射比越大,室内采光效果越好。

  传热系数U值(或K值):对于玻璃窗第二大功能“保温”来说,也就是阻隔温差传热的能力,以传热系数U值衡量。传热系数越小,保温性能越好。

  太阳能总透射比SHGC:玻璃窗的第三大功能“隔热”,也就是玻璃阻挡太阳辐射热的能力。在欧洲,SHGC又被称为太阳能总透射率(Total Solar Energy Transmittance)、太阳能因子(solar factor)或g值(g-value)。太阳光总透射比SHGC值定义为:在300~2500nm波长范围内,通过玻璃门窗或玻璃幕墙成为室内得热量的太阳辐射部分,与投射到玻璃、门窗或玻璃幕墙构件上的太阳辐射照度的比值。成为室内得热量的太阳辐射部分包括:太阳辐射通过辐射透射的得热量,太阳辐射被构件吸收再传入室内的得热量(二次传热)。太阳能总透射比近乎完整地表征了玻璃的得热能力,太阳能总透射比越小,隔热性能越好。

  太阳红外热能总透射比gIR:在780nm~2500nm 波长范围内的太阳能总透射比,不考虑可见光范围的透射及吸收情况,所以其表征玻璃的得热能力有一定局限性。gIR值越小,玻璃阻挡太阳辐射热的能力越强。目前降低gIR值的技术是采用隔热涂膜玻璃,隔热涂膜玻璃在可见光380~780nm波段范围内,具有较高的透射率及较低的反射率,在红外780~2500nm波段范围内,具有极低的透射率及较高的反射率,这样既可以保证较好的采光效果,又可以达到隔热保温的目的,但因其限制太阳辐射的局限性及本身技术不够成熟应用很少,所以在此不再详述。

  在夏季或者热带气候地区,室外的热量通过门窗传导入室内主要通过以下两个途径:a.热传递(通过室内外温差实现);b.太阳得热(通过太阳辐射实现)。我们通过影响这两条途径来达到节能的目的,影响热传递是为了保温,影响太阳得热是为了隔热。保温效果通过U值来衡量,而隔热效果通过SHGC来衡量。

  本文中笔者选取了三樘窗,分别是40系列普铝窗、65系列隔热断桥铝窗配24mm宽聚酰胺型材、91系列隔热断桥铝窗配54mm宽聚酰胺型材,用THERM及WINDOW软件来模拟对比三樘U值及SHGC值(计算边界条件和计算方法参考JGJ/T 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》),由于篇幅限制只展示了典型的框扇组合部分窗框的节点,立面图及节点图如图2所示。

图2

  1. U值

  1.1、 U值概念

  U值定义:热透过比[W/(㎡.K)],即在稳态(热传递时没有温度变化,无热量存储)传热条件下,两侧环境温度差为1K时,在单位时间内通过单位面积门窗或玻璃幕墙的热量。从定义可以看出U值取决于标准中定义的环境条件,在自然条件下不存在稳态传热条件,所以U值是为了产品评级而人为定义的量,不存在自然条件下的U值。美国NFRC标准体系适用于门窗系统计算,使用数值计算法,可以计算玻璃和窗框各自U值,使用计算公式(1)。玻璃的U值计算是标准的一部分,可以用计算软件WINDOW进行相关计算;窗框的传热是二维问题,无法求解析解,需要用数值法求解每个节点的温度和热流量,可以用国际通用的THERM软件来计算。

  1.2、 玻璃U值

  ISO 10292-1994《建筑玻璃多层玻璃窗稳态u-值(传热系数)的计算》适用于玻璃U值计算,并未具体计算热流量和温度分布,使用计算公式(4)。

  基尔霍夫定律(热辐射定律):任意物体在热力学平衡状态下发射和吸收热辐射时,物体的吸收比等于它的发射比。对不透明物体:吸收比+反射比=1。对黑体:黑体吸收所有入射辐射,并发射所有辐射,吸收比=发射比= 1,反射比=0。

  发射比也常称为发射率,是物体热辐射与黑体热辐射之比。普通物体的发射比低于理想黑体,在0和1之间。降低室内表面发射比ε最常见的方式就是在室内侧采用Low-e镀膜减少辐射传热,Low-e镀膜发射较少辐射,吸收较少辐射,反射更多辐射。

  笔者用WINDOW软件模拟计算了几款玻璃的U值和SHGC值(如表1),综合上文所述可得结论:a.降低单片玻璃U值:要增大玻璃系统热阻R,需要通过增加玻璃厚度或者采用夹胶玻璃,但都影响都很小;有效措施是增大室内表面热阻 ,需要在室内侧镀硬Low-e膜(在线镀膜)。

  b.降低中空玻璃U值:要增大玻璃系统热阻R,可以增加玻璃厚度(影响很小)、适当增加中空层厚度(降低传导,增大热阻)、在中空层填充惰性气体(降低对流和辐射传热)、在中空层内一侧玻璃表面镀软Low-e膜(离线镀膜,膜的位置几乎不影响U值);也可以在室内侧镀硬Low-e膜(在线镀膜)增大室内表面热阻 ,但一般不与离线镀软Low-e膜同时使用。

  1.3、 窗框U值

  大多数玻璃U值的概念也适用于窗框,理论上通过镀Low-e膜来降低室内表面发射比ε对于降低窗框U值同样有效,但工艺和耐久性是目前不能解决的难题,所以我们着意于增大窗框系统的热阻。可以从传热学原理采取相应措施:a.降低传导:采用断桥铝来代替普铝,增加隔热条长度;b.降低对流和辐射:在隔热腔增加尼龙隔板或者填充发泡、采用长尾胶条等。

图3 普铝40系列

图4 隔热断桥65-24系列

图5 隔热断桥91-54系列

  1.4、 整窗U值

  2. SHGC值

  2.1、 SHGC值概念

  GB50189-2015《公共建筑节能设计规范》、JGJ26-2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》、JGJ134-2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》、JGJ 75-2012《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》中,对于建筑立面,不同的窗墙比的玻璃材料,都有遮阳系数Sc或者太阳得热系数SHGC的具体参数限制。SHGC可以直接计算或测量,遮阳系数Sc无法直接计算或测量,只可以从SHGC换算。遮阳系数Sc起初是作为一个单一数值来比较玻璃对太阳得热的控制能力,简单但不够精确。Sc只定义了窗户玻璃这部分的太阳得热能力(Scg),整窗遮阳系数Scw是以玻璃Scg乘以玻窗比来计算,也就是忽略了窗框的影响。Sc还可以用来表征一定范围太阳方位角下玻璃的太阳得热性能,但是当太阳入射角较大时,精度上就得不到满足。美国已经废除了遮阳系数这个概念。目前国内普遍采用SHGC值来进行建筑能耗分析, 国内2015版GB50189《公共建筑节能设计标准》中,外窗的Sc值也由SHGC值替换了,两者关系如公式(10),0.87是3mm透明玻璃的SHGC。

  在自然条件下,太阳辐射包括直接辐射和漫射辐射,直接辐射相对于玻璃表面有一定角度,而且角度随时间变化。SHGC也是基于理想化的环境条件,在SHGC的定义中,仅考虑直接太阳辐射,并且太阳辐射方向和玻璃表面垂直。美国NFRC标准体系中SHGC标准用于门窗系统评级,玻璃的SHGC计算是标准的一部分,使用数值计算法求解每个节点的温度和热流量,太阳照度被定义为783 W/㎡,可用WINDOW软件直接计算玻璃的SHGC值,使用计算公式(11)。

  玻璃的SHGC值增大时,意味着可以有更多的太阳直射热量进入室内;减小时,则将更多的太阳直射热量阻挡在室外。SHGC值对节能效果的影响,是与建筑物所处的不同气候条件相联系的。在炎热气候条件下,应该减少太阳辐射热量对室内温度的影响,此时需要玻璃具有相对低的SHGC值。而在寒冷气候条件下,应充分利用太阳辐射热量来提高室内的温度,此时需要高SHGC值的玻璃。

图6

  根据图6,我们从太阳得热原理来分析,太阳得热Q应该包括直接透射得热和二次得热,如公式(12)

  ISO 9050-2003《建筑玻璃.光透率、日光直射率、太阳能总透射率及紫外线透射率及有关光泽系数的测定》仅适用于玻璃SHGC评级,使用解析法,并未具体计算温度分布,不需要知道太阳照度,使用计算公式(13)。太阳能透射比 和反射比 是光学性质,只有热辐射,没有对流和传导。内流分数N是一个热学性质,同时有辐射、对流和传导。综上,SHGC的二次得热原理和U值的传热原理几乎一样。

  2.2、 玻璃SHGC值

  通过分析表1中SHGC值对比可以看出,增加玻璃层数、增大中空层厚度、Low-e镀膜可以有效降低SHGC值,使用Low-e膜是目前最有效的降低SHGC值的措施。Low-e膜通过两种机制影响SHGC值:a.改变玻璃在太阳光谱范围内的光学性质( 和 ),例如降低太阳能透射比 ;b.降低内流分数(N),使较少热量传到室内。前者是主要作用,后者是次要作用。

  如图7所示,对于双层中空玻璃Low-e膜位置不影响U值,但会影响SHGC,在表1中也已经验证过。Low-e膜不管位于#2表面还是#3表面,太阳能透射比 并没有改变。膜位于#2表面时,太阳能吸收比 较高,但是总体SHGC较低,因为内流分数较小,较多热量被吸收,但较少被传到室内,SHGC较低,适用于常年制冷地区。膜位于#3表面时,太阳能吸收比 较低,但是总体SHGC较高,因为内流分数较大,较少热量被吸收,但较多被传到室内,SHGC较高,适用于常年采暖地区。

图7

  2.3、 窗框SHGC值

  铝窗框对于太阳辐射是不透明的,但热量一定会从高温侧传递到低温侧,所以太阳热量可以通过窗框以二次得热的形式传递。窗框SHGC值可以被认为是一种没有直接太阳透射的特例,太阳能透射比 =0,只考虑二次传热,如图8所示。

图8

  在JGJ/T 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》7.6中窗框SHGC值使用公式(14):

  由公式(14)得出两种降低太阳得热的方法:a.降低窗框的表面太阳能吸收系数 ,比如采用浅色外表面;b.提高窗框的保温性能降低U值,比如增加隔热条宽度、增加发泡。

  笔者通过公式(14)计算了三个系列的框扇组合部分框的SHGC值,如表4所示。综上,降低窗框U值,也可以降低窗框的SHGC值,65系列隔热断桥铝窗与40系列普铝窗相比,窗框SHGC值降低了47.9%;91系列隔热断桥铝窗与40系列普铝窗相比,窗框SHGC值降低了80.0%。

  2.4、 整窗SHGC值

  JGJ/T 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》3.4.1中规定了整窗SHGC计算使用公式(15):

  笔者又分别模拟了三个系列框、中梃、梃扇部分SHGC值(具体计算步骤不再赘述和展示),按照公式(15)搭配不同配置的玻璃来计算整窗的SHGC值,计算出三个系列整窗SHGC值(如表5)。对比表5中数值可以得出,不管是优化玻璃配置还是增加窗框的保温性能都有助于降低整窗的SHGC。采用相同配置玻璃时,65系列隔热断桥铝窗与40系列普铝窗相比,整窗SHGC值降低了9.3%;91系列隔热断桥铝窗与40系列普铝窗相比,整窗SHGC值降低了16.3%。

  3. 总结

  门窗的保温隔热性能主要通过U值和SHGC值来体现,保温性能由U值大小决定,隔热性能由SHGC值大小决定。整窗U值与玻璃U值、窗框U值、间隔条选用以及玻窗比有关,整窗SHGC值与玻璃SHGC值、窗框SHGC值以及玻窗比有关。在常年取暖或者采暖能耗高于制冷能耗地区,节能型门窗具有相对低的U值和相对高的SHGC值;在常年制冷或者制冷能耗高于采暖能耗地区,节能型门窗具有相对低的U值和相对低的SHGC值。但是U值和SHGC值并不是两个完全没有关系的数值,对于玻璃来说,大部分降低U值的措施都是可以降低SHGC值的,但两者之间并没有绝对性关系,Low-e膜位置对SHGC值起着决定性作用;对于不透明的窗框来说,SHGC值与U值成正比关系。

  参考文献

  [1] JGJ/T 151-2008.建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程

  [2] GB 50189-2015.公共建筑节能设计标准

  [3] ISO 10292-1994.Glass in building-Calculation of steady-state Uvalues(thermal transmittance)of multiple glazing

  [4] ISO 9050-2003. Glass in building-Determination of light transmittance,solar direct transmittance,total solar energy transmittance,ultraviolet transmittance and related glazing factors

  [5] NFRC 100-2004.Procedure for Determining Fenestration Product U-Factors

  [6] NFRC 200-2004.Procedure for Determining Fenestration Product Solar Heat Gain Cofficient and Visible Transmittance at Normal Incidence

  [7] NFRC 300-2004.Test Method for Determining the Solar Optical Properties of Glazing Materials and Systems


  作者:贺玉妹
来源:2019年会论文集
 
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