低辐射能玻璃窗的节能研究

1、低辐射能玻璃窗的节能研宄principlesoflow-ewindowsandtheirenergy-savingeffect摘要建立了低辐射能玻璃窗的物理传热模型，计算并 分析反映窗户性能的两个参数：传热系数u和太阳得热系 数shgc,着重讨论了低辐射能玻璃窗的这两个参数的特点 和影响因素，找出了其节能的机理。通过负荷模拟，研宄 了低辐射能窗户对空调能耗的影响，并在模拟结果的基础 上，对我国4种典型气候下最适宜使用的低辐射能玻璃窗 进行了分析。关键词低辐射能窗；低辐射；节能abstr actamodelo fheattrans ferthrough low-ewindowsisdeveloa

2、nceparamecient (uval (shgc)arec sthatinfludowsaredispeck thetwoters-overaue)andsola alculatedaencethetwocussedandtmostimportllheattranrheatgaincndanalyzedparametershemechanisantperformsfercoefficoefficient.thefactoroflow-ewinmofwhylow-sdiscussed.italsogivesanexampleofthesimulationoftheimpactof1ow-ew

3、indowsonair-conditioningandheatingenergycostinfourtypicalclimatesinchina. basedontheresultsofthesimulation，themosteligibleclassoflow-ewindowsisproposedforeachclimateforthebestenergysavin geffect.keywordslo w-emissivi tywindows: low-e;ener gy- saving 0引言减小空调和供暖系统能耗电量降低建筑能耗的重要途 径，而由于玻璃窗引起的空调供暖能耗在整个建筑能

4、耗中 占有相当大的比重，减小这部分能耗，是降低建筑能耗的 一条行之有效的方法。在我国普遍采用的是单层或双层普 通玻璃窗，能大大降低窗户的传热系数，从而减小由玻璃 窗引起的建筑能耗。因此，研宄低辐射能窗，并将其用于 我国建筑，对于降低我国建筑能耗水平有着重要意义。1低辐射能玻璃简介低辐射能玻璃，即low-e玻璃，是利用真空沉积技术 的在玻璃表面沉积一层低福射涂层，一般由若干金属或金 属氧化物薄层和衬底组成。普通玻璃的长波热辐射发射率 约为左右，low -e玻璃长波热輻射发射率最低可达到，对长波热辐射光谱有很强的反射作用。并可调整制造工艺制 造出各种不同光学性能的产品，如对太阳光有不同透过率 的高

5、透过low-e玻璃、低透过low-e玻璃等，见表1。但一 般来说，都对可见光透过率影响不大。表1玻璃材料tablelgl ass编号厚度 d /mmtsoltir emislemis2 k 高透 30 低透 30 普通30内low-e3 0外low-e302低辐射能窗的传热原理 窗的物理传热模型在有太阳辐射的情况下，考虑有n层玻璃的窗户，忽 略通过窗框的传热与玻璃边缘和窗框之间的传热，可以认 为窗户仅由n层玻璃和n-1个密闭空间组成。假设每层 (如第i层)玻璃有3个节点：第i层的中心节点i、第i 层的两个表面节点i，s 1和i，s2，如图1。玻璃本身的 热容量不考虑。窗户传热方式有：和室内外环

6、境的福射换 热、最外表面强迫对流换热、最内表面自然对流换热、玻 璃层间的对流换热和辐射换热、玻璃层内的导热以及玻璃 对太阳能的吸收。太阳光一部分直接透过窗户进入室内， 还有一部分是由各层玻璃的中心节点吸收太阳能量后，以 点内热源的形式向室内传热。玻璃窗热性能用总传热系数u 和太阳得热系数 shgc (s olarheatga incoeffici ent)来 表征。图1窗户计算模型sc hematicsof thewindow 传热系数u窗户的总传热系数u是指在单位温差下通过单位面积 窗户所传递的热量。因此，u就是上述窗户有传热热阻之和 rtota的倒数，即：(1)由于对流、辐射传热的热阻是温

7、度的函数，因此应首 先通过求解各个节点的热平衡方程来确定窗户各层玻璃的 温度值。在稳态传热情况下，对任意节点，流入流出该节 点的净热流量为零。对于有n层玻璃的窗户，有n个中心 节点和2n个表面节点。节点温度的确定第i层玻璃的中心节点热平衡方程：(2)式中，ri-1、ri+1分别为第i中心节点与第(i+1)中 心节点之间、第i中心节点与第(i+1)中心节点之间的换热 热阻，即玻琉层内的导热、层间的对流换热和辐射换热的 热阻之和，它们分别为：(3)第i层玻璃两个表面节点i，si、i，s2的热平衡方程:(5) (6)温度求解是一个迭代过程。首先设定n个中心节点温度 解出2n个表面节点温度，再以此求出

8、热阻和热流，并解得 下一步的中心节点温度。重复此过程，直到求出敛解。对流换热外表面的对流换热系数是风速和风向的函数：迎风情况下，若风速u大于2m/s, he, out= u (7)若风速小于2m /s，he, out=(8)背风情况下，he, out=(+u)(9)对垂直安装的窗户，内表面对流换热系数是温差的函数:he, in=(t n, s2-tin) (10)各个层流间对流换热系数he，i =入xnu/o i=l , n-l (11)对于 ra<2x105nu=l+()11 (12)辐射换热对n层玻璃组成的具有2 n个表面的系统，若各层间填 充的气体对长波热辐射无吸收，则长波热辐射能

9、量在各层 间传递的过程中没有损失。对于第j与(j+1)层玻璃间的 空气层所对应的第(j，s2)和(j+1,si)两个玻璃表面，离开某个表面的净长波热辐射能量为：qrj, s2 =sj, s2+ p j, s2qrj+l, si (13)qrj+1, sl=sj+l, sl+p j+l,sl qrj, s2(14)其中，。一般玻璃的长波热福射透过率为0，因而p j, s2=l- e j, s2所以，窗户的各辐射换热热阻为：最外表面福射换热热阻(15)最内表面辐射换热热阻(16)层间辐射换热热阻(17)窗户的总热阻rt otal为：(18)由式(15)至(17)，玻璃的福射热阻与其热福射表面的长波

10、热辐射半球发射率有关，e越小，辐射热阻越大， 从而增大了窗户总热阻。同时，各层辐射热阻与对流换热 热阻并联，因而e减小对窗户总热阻的影响，也和与其并 联的对流换热热阻的大小有关，该对流换热热阻越小，£ 增大总热阻的程度也越小。因此，安装窗时要考虑low-e面 的安装位置，使它位于对流换热热阻较大的表面。太阳得热系数shgc的求解来源于太阳辐射的室内得热量一部分是直接透过窗户进入室内的，还有一部分是各层玻璃吸收太阳能量后，作 为一个独立的小热源，向室内放出的热量。所以，shgc可 写为：(19)式中，是该层吸收的太阳能量向室内流入的比例， 等于该玻璃层中心节点以外的总热阻与整个窗户总热

11、阻之 比，为：(20)所以，室内得热量 q=u (to ut-tin) +sh gc x i (21)3窗户传热性能分析使用lbl1994年了出品的软件2，计算了几种窗户的 性能参数并进行比较，所计算的窗户包括单层和双层的普 通玻璃窗及low -e玻璃窗。所计算工况见表2,所使用的 玻璃的物性说明见表1，所计算的窗户种类及计算结果见表 3。从计算结果可以分析得知下述结论。表2模拟计算条件table2t hesimulate dcondition s 编号工况描述 a 有 太阳入射，垂直入射强度为783w/m2,室外温度-°c，室内温 度°c，风速/s，迎风b有太阳入射，垂直

12、入射强度为 783w/m2，室外温度1，室内温度°c，风速/s，迎风c计算u: 无太阳，室外温度-°c，室内温度°(：，风速/s，迎风。计算shgc,垂直太阳入射强度为78 3w/m2,室外温 度v，室内温度°（：，风速/s，迎风表3窗户种类和计算结果（u: w/ （m2 °c） :t : °c ） table 3thecalcul atedvaluef orthediffe rentwindows编号层数所用材料冬季工况夏季工况外层内层 ushgct1 , s2ushgct2，s21al 普通_1 bl 内 low_e_l cl 外

13、 low-e-2 a2普通普通2b2内low_e普通2c2普通外low-e2d 2外1 ow-e普通2 e2普通内low-e低福射涂层（low_e层） 可以降低窗户的传热系数low-e材料的应用能够降低窗户的传热系数u，结果见 表3。如有low -e层时u值最大可降低约50%，但low -e 层位置不同，降低窗户传热系数的作用不同。low-e层位置对传热系数有重要影响从表3可以看出，对于单层玻璃窗，lo w-e层（e =）在室内侧和在室外侧时，其传热系数有很大差别。表3中 所计算的窗户，除low-e层位置不同外，其它参数均相同。 在相同工况下，编号为la、lb和lc的三种窗，lb的传热 系数要

14、比lc的低约40 %;而la和lc的传热系数几乎相同， 即此时low-e几乎没有起到作用。对于双层玻璃窗也具有 同样的情况。可见s对u的影响与low-e面的位置有关。对 单层玻璃窗，1 ow-e层的最佳位置是室内侧；对双层玻璃窗，low-e层的最佳位置则是中间空气层的内或外侧。 e、t值和shgc的影响£ （ e是窗户的low -e面的长波热辐射发射率）和t （t是窗户的法向总太阳透过率）对u和shgc的影响与玻 璃窗的结构、形式，即玻璃层数、low -e层的安装位置等 因素有关，下面探讨在这些因素一定时，e、t对u和 shgc的影响。图2和图3分别为反映e、t与u和法向s hgc的

15、关系的等值线图，其中，窗户的形式是表3中的2c （双层窗low-e面中置），计算工况为表2中的工况c。对u起决定性影响因素的是e，e值的变化改变了总 热阻中的辐射阻部分，从而达到了改变传热系数u的目的。 e值越小，辐射热阻越大，u也越小。不同t值下，各玻璃 层吸收的太阳能量不同，使得玻璃窗各节点的温度分布不 同，从而对应的u值不同，但t对u的影响很小，如图2示。图2双层窗u-£ , t等值线th eisolinefo rdoublewin dowshgc主要受t影响，t越大，shgc相应越大，而e对 shgc的影响主要在于£改变了各层玻璃的热阻，从而改变 了各层所吸收的太阳

16、能量中流入室内的比例。由图3可以 看出，shgc基本上只与t有关。图3以层窗shgc- e、t的等值线t hesiigcisol inefordoub 1 ewindowlow-e层降低了热负荷的波幅图4绘出了哈尔滨冬季某日逐时室内得热量q（计算式见21），设室内温度恒为20°c,进入室内热量为正。由图可 见，使用low-e窗户，一天的得热量波动小于普通窗户， 可削弱室外环境变化对室内环境的影响，使得用于维持室 内恒定舒适环境的能耗也相应降低。low-e窗户的传热系数 u降低的同时，由于它本身材料的光学特性，shg c也随之 降低，这对于冬季工况要求尽量利用太阳辐射能是矛盾 的。有l

17、ow-e层玻璃窗白天虽然u值降低，但同时太阳得 热也降低。图4中可以看到，有1 ow-e的双层窗（2 b）白 天太阳得热的降低值大于u值降低所减少的失热量，因此 白天时对太阳能利用效果不如没有low-e层的普通双层玻 璃窗（2a ）;但单层玻璃窗（lb）则与双层相反，这王要 是因为对单层来说，u值的降低起主要作用。从全天效果来 看，有low-e层的窗户还是比普通窗户节能。图4哈尔滨冬季某日室内逐时得热量thes olargainin harbin4低辐射能玻璃对建筑全年能耗的影响如前所述，u和shgc只是反映在某一特定工况下的玻璃窗性能的静态参数，而不能反映全年气象条件波动下玻 璃参数的变化以

18、及这种变化对建筑能耗的影响。因此，要 分析低辐射能窗对建筑能耗的影响，就应该对由玻璃引起 的空调和供暖负荷进行全年模拟。用传递函数法进行负荷 模拟一个例子，通过模拟来分析使用低辐射能玻璃的节能 效果 模拟房间描述和负荷计算方法选取了编号lb的单层low-e窗以及编号2b的双层low-e窗两种形式进行负荷模拟计算。与之比较的普通玻璃物 性见表1。low-e玻璃厚为3mm,普通表面的长波热辐射发 射率£均为，low-e表面的e值范围为到，窗户的太阳透过 率t取值范围分别为单层窗户到；双层窗户到。实际的u 值随室内外气象条件等因素而随时变化，但是全年的波动 不大，因此在得热量计算中采用了工

19、况c下的定值；t和shgc则进行了逐时计算。所计算的房间模型为重型结构4，朝南一面全部为玻 璃窗，其余5面均为室温恒定的相邻房间。其面积为2,其 净空尺寸：长x宽x高为6m xx3m。南面玻璃净面积为 9m2。据实测验结果，该房间的辐射型得热传递函数系数为v0=，vl=-，w 1=-，传导型得热传递函数系数为vo=，vi=- ，wi=-。求得冬夏两季的逐时空调负荷再相加(根据a siiraehandb ookoffunda mentals, 19 93)，可求得全年的空调能耗。冬季设计室温为20°c,夏季设计室温为25°c，允 许室温波动范围均为土rc，冬夏两季均来用热泵式

20、空调， 同时不考虑室内设备和照明产热。计算结果及其分析为能反映低辐射能玻璃的节能效果，引入了一个新的 参数-节能百分比，单层窗与单层普通玻璃窗进行比较，双层窗与双层 普通玻璃窗进行比较。i可以充分反映单位面积低辐射能 玻璃窗的节能效果，而不用考虑负荷绝对量值的大小，n 值越大说明节能效果越显著。图5、6是哈尔滨、广州二地 采用不同材料的1 ow-e窗的情况下（根据1999年清华大学 的建筑能耗分析用气象数据生成系统med pha），n与e、 法向t的关系的等值线图。图5单层窗ii-e、t等值线图th e n isolinef ormonolaye rwindow图6双层窗n-e、t等值线图th

21、e n iso linefordou blewindow1）哈尔滨气温较低，太阳辐射强度较小。由图看出，采用单层 窗时e值越小，t值越大，节能效果越好；采用双层窗时 £越小越好，而t值应适中。这是因为单层窗u值较大， 由温差引起的传热量很大，冬季能耗是主要部分。而双层 窗u值较小，温差传热量在总传热量中所占比例减小，冬 季能耗在全年能耗中所占比例降低；太阳得热对全年能耗 的影响比单层窗显著，如果t值太大，会增大夏季能耗， 反之，若t值太小，会增大冬季能耗。2）广州冬夏两季气温比北方明显增高，辐射强度也较大，且 夏季辐射尤为突出，减小夏季供冷负荷是主要矛盾，冬季 供暖量非常小，太阳得热

22、对负荷的影响非常大。由图看出， 全年能耗与t值关系密切，t越小，能耗越小，而在保证 一定小的t后，能耗基本与e值大小无关。由所得的ii值可见，无论是北方还是南方地区，使用 低辐射能玻璃都不同程度地节省了全年的空调能耗。5结论1）低辐射能玻璃是否全年节能与地区有关低辐射能玻璃的节能是由于e主要影响传热系数u，从而影响由温差引起的对流传热和辐射传热。对于气候寒冷 的北方地区，采用低辐射能玻璃有明显的节能效果，e越 小，全年能耗节省情况越佳。而在南方，由太阳福射引起 的空调能耗是全年能耗的主要部分，e值的变化仅减小传热系数u ,对这部分能耗影响不大。南方使用low-e玻璃 造成的节能效果，除u的降低

23、是一个因素之外，最主要的 原因是low-e玻璃的材料特性使它对太阳透过，相对于普 通玻璃必定有一定程度的削弱。所以在南方，单纯的e值 减小对节能作用不显著，如果能够用其它措施（如内、外 遮阳）来降低太阳得热的话，可以不使用low-e玻璃来达 到相同程度的节能效果。但如果要求较好的视野，例如商 用建筑采用大面积的玻璃幕墙，low-e玻璃是很好的选择， 在保证自然采光的同时可降低空调能耗。2）室内热源的影响在计算空调负荷时，省去了设备和照明负荷。但在实 际应用中，如果采用的低透玻璃减小了太阳光进入房间的 强度，使得房间内必须采用人工照明的情况，由于提供相 同照度人工照明造成的负荷更大，可能会出现采

24、用低透玻 璃夏季空调负荷反而增大的情况。所以在确定低透的low- e玻璃的透过率时，要结合房间功能等因素综合考虑。3）根据具体情况决定是否选用1 ow-e玻璃窗使用low-e玻璃窗，不一定符合夏季工况的要求，反 之亦然。所以，在具体选用low-e窗户时，仅有u和s hgc 这两个静态参数是不够的，应根据具体气候、建筑类型等 因素综合考虑。对于气候较寒冷、全年以供暖流为主的地 方，由于室内外温差大，以降低传热系数u为主；而对于 气候炎热、太阳辐射强、全提以供冷为主的地方，可选择 shgc较低的low-e窗户种类和安装方式。有条件的话，应进行全年负荷的模拟计算，选取 用合适的u和shgc的组合以及窗户的适当安装方式。本次模拟的房间在结构上属于重型结构，其它结构和 类型的建筑还没有进行模拟，这是下面有待进行的研究， 以便分析不同建筑对窗户使用的不同要求。同时，本次模 拟采用的空调系统是热泵式空调，这与我