窗户太阳得热对严寒地区采暖能耗影响的研究

1、窗户太阳得热对严寒地区采暖能耗影响的研究摘要本文通过对窗户能耗的模拟讲话，分析了窗户的 太阳得热对严寒地区釆暖能耗的显著影响，提出把太阳得 热系数作为评价窗户热工性能的一个重要指标，与窗户的 传热系数相结合，指导窗户的节能设计。研究同时表明， 充分利用南向窗户的太阳辐射，对于降低采暖能耗上有重 要意义。关键词太阳得热系数shgc,窗户能耗，节能百分比hr一、刖b窗户是建筑必不可少的组成部分，也是建筑外围护结 构保温性能最薄弱的部位，因此，窗户作为建筑节能的突 破口，在建筑节能设计中占有重要地位。近十年来新技术、新工艺的出现，使窗户结构摆脱了 单一的钢木和传统的平板玻璃，涌现出铝合金断热框，塑

2、钢框，低辐射镀膜（low-e）玻璃和中空窗等各种新型材料 和结构。这为降低窗户能耗提供了基础，同时也使窗户热 工参数的变化范围更加广泛，性能等级更加丰富，从而， 不能再简单的凭窗户的传热系数来评价窗户热工性能的优 劣。随着各种节能窗户的出现，窗户的太阳得热系数出现 很大差别，并显著影响窗户的热工性能。我国严寒地区冬季气温低，时间长，采暖度日数较大, 但冬季日照时间也相对较长，日照百分率比较高，故在建 筑中应充分利用太阳能量，特别是南向窗户的太阳辐射。 这对于节约采暖能耗，提高热舒适程度，增进人民健康具 有重大意义。二、窗户的传热形式及太阳得热系数的定义窗户的得热和失热形式包括：太阳得热、热交换

3、和空 气渗透，相对于这些形式各有对应的评价参数，即太阳得 热系数shgc、整窗传热系数uw和空气渗透率l。太阳得热系数(s hgc)定义为透过窗户进入室内的太 阳能量与入射到窗户外表面的太阳能量的比值。透过窗户 的太阳能量包括：直接透过窗户进入室内的热量，和各层 玻璃吸收太阳能量后，作为一个个独立的小热源，向室内 的热量。shgc的理论值为0到1,实际值约在到之间，该 值越小，相同条件下，窗户的太阳辐射得热就越少。三、窗户热工参数计算选取有代表性的9种窗户，利用2 专业窗户计算软件 分别计算出它们的整窗传热系数u和太阳得热系数shgco u 值的计算条件：室外气温-1 8°c,室内温

4、度21°c；风速/s； 无阳光。shgc的计算条件：室外气温-32°c ,室内温度 24°c；风速/s；太阳直射783w /m20玻璃厚度为6毫米.。 中空窗结构：6mm玻璃+12mm干燥空气层+6mm玻璃。低辐射 镀膜玻璃的膜层位于两层玻璃之间朝外的玻璃上。窗户一 律为平开式。计算结果见表1。可以看到，窗户编号从0至 8,窗户传热系数u依次降低。四、严寒地区供暖季窗户能耗计算1. 选择有代表性的严寒城市哈尔滨、长春、乌鲁木齐、呼和浩特和银川5个城市 不仅冬天气温较低，而且冷季时间很长，全年日平均温度 w5°c的日数都在140天以上，是典型的供暖为主的城

5、市。 表1窗户类型及其热工参数窗户编号玻璃类型窗框u (w/m2k) shg co白色单玻铝 合金1白色单玻塑钢2白色中空玻璃铝合金断热3白色中 空玻璃塑钢4双层白玻璃木框5中空茶色玻璃塑钢6三层 白玻璃塑钢7中空低辐射膜，e二塑钢8中空低辐射膜， e二塑钢注：e表示低辐射镀膜玻璃的远红外发射率。2. 设计典型房间普通一层民宅，建筑面积9 3平方米(1000平方英尺), 窗户平均分布在东西南北四面墙上，窗户总面积占房间建 筑面积的15%o3. 计算过程对于上述房间，在不改变其它设置的情况下，利用3 软件分别计算出对应于不同城市气象参数和不同窗户热工 参数的供暖季窗户能耗。在每次计算中更改窗户的

6、太阳得 热系数、传热系数和逐时的气象参数，而其它参数保持不 变。由模拟计算可以得到供暖季各朝向每平方米窗户的窗 户能耗。4. 计算数据窗户能耗为正，表示窗户是散热的；窗户能耗为负， 表示窗户是得热的。以白色单玻铝合金窗户(即表1中编号为0的窗户)的 能耗为基准，记为h ,其它窗户能耗为hn ,定义hr为其 他空户相对于基准窗的节能百分比；hr= (h-hn) /h100%hr代表了节能效果，hr越大，节能效果越好，节能效 果最好的窗户定义为1级(仅限于所选的窗户范围内)。五、计算结果及分析1. 窗记太阳得热系数显著影响窗户能耗 稳态的窗户能量平衡方程可以表达为：窗户传热量er=(太阳得热*窗户

7、传热损失)-空气渗透 热损失二htxfixshgc - (ti-to) xu w- (ti-to) xlx ( p cp) /aw 其中：ht：供暖季平均太阳辐射强度(w/m2)；fi：入射角修正系数;shgc：窗户的太阳得热系数（垂直入射条件下）；uw：窗户传热系数（w/m2/k）ti：室内温度（°c）to：室外平均温度（°c）l：空气渗透率（m3/s）aw：窗户面积pcp：空气热容（1200j/m 3/k）oer大于0表示窗户得热；反之，er小于0表示窗户散 热。从式2 看出，如果（htxfi）大于（ti-t o）,那么 太阳得热系数的权系数就大于窗户传热系数的权系数，

8、实 际情况也往往是这样故太阳得热系数可以显著影响窗户能 耗。哈尔滨窗户节能效果和传热系数对照表表2窗户编号 12345678 u （ w/m2k ） hr （%） 3151636 460788179节能等级8754631 2以哈尔滨为例，从表2我们 可以看到，在这8类窗户中（基准窗不计）传热系数u最小 的并非节能效果最好，窗户的节能效果并非随着传热系数u 的降低而提高。从图1可以看出，其它城市了有类似的情况。因此， 在窗户密闭等级一致的情况下，综合考虑太阳得热系数和 窗户传热系数是设计与选择窗户的关键。图1各类型窗户对应的节能百分比2、南向窗户的太阳辐射得热相当可观图2给出了采暖季南向窗户使用

9、各种不同类型窗户供 热量，从中看出编号为7的窗户在不同城市使用匀能达到 最佳的效果，这是因为它不仅具有低传热系数(u=w/m2k ), 还具有较高的太阳得热系数(shgc=)o与此同时，编号为8 的窗户虽然具有更低的传热系数(u=w/m2k),但由于其太 阳得热系数较低(sh gc=),用于南向窗户时，反而不比编 号为7的窗户节能。对于银川和呼和浩特，由于纬度位置较 低(见表3),冬季太阳入射角较低，南向窗户接收到的太 阳辐射较多，因而在朝南窗户中使用太阳得热系数较大而 传热系数也较小的白色中空玻璃(窗户3和4)或三层白色 玻璃窗(窗户5)就能达到较好的节能效果，窗户总的来说 不但不失热，甚至

10、可以得热。而哈尔滨、乌鲁木齐和长春3 个城市由于纬度位置较高，太阳辐射得热的优势不如前两 个城市，这时，对窗户传热系数的要求就会高一些，在这 些城市的南向窗户中使用低传热系数的低辐射镀膜玻璃窗 7,节能效果就比较明显。另外，高反射率低太阳透射率的 彩色镀膜玻璃不适用于严寒地区。如图2所示，中空茶色 玻璃窗(窗户5)的失热量仅次于白色单玻塑钢窗，效果很 不好，但其传热系数比单玻璃窗低很，造价也更贵。城市纬度位置表表3城市银川呼和浩特乌鲁木齐长春哈尔滨纬度30 ° 297 40° 49, 43° 47 43° 5 4 45° 41 图2采暖季南向窗

11、户能耗而对于呼和浩特的北向窗户，由图3可以看出，使用 低辐射镀膜玻璃窗（窗户7）与使用三层玻璃窗（窗户6） 的窗户能耗基本相当，可以根据实际情况合理选用。图3呼和浩特南北窗传热量对比六、总结1. 应该引入太阳得热系数来评价窗户热工通过以上计算分析可以看出，太阳得热系数了是影响 窗户能耗的重要因素。这点，应该引起门窗生产厂家和研 究设计人员的关注。目前我国窗户行业对窗户的太阳得热 性能还不是很重视，门窗检测对窗户热工性能的标定也只 限于窗户的传热系数。2. 低传热系数的窗户并不一定最节能对于严寒地区，盲目选用低传热系数同时也是低太阳 得热系数的窗户，将造成资金和能源的浪费。反之，把窗 户的传热系数和太阳得热系数综合起来考虑，才能选择一 个真正适合该地区的具有优越热工性能的窗户。3. 合理利用太阳能特别是南向窗户的太阳辐射有利于节约能源窗户的太阳得热对于严寒地区窗户能耗有显著影响， 合理利用窗户的太阳得热，特别是南向窗户的太阳辐射， 有利于节约采暖能耗，节省开支。总之，窗户的热工设计不应该只是被动设防，而要加 入主动利用能源的设计思想。为了减少严寒地区采暖供热 的热损失和能源消耗，应充分利用太阳能，在进行窗户节 能设计时不但要重视其传热系数，也要兼顾其太阳得热系 数。参考文献1w in