低辐射能玻璃窗的节能研究

1、低辐射能玻璃窗的节能研究        PRINCIPLES OF LOW-E WINDOWS AND THEIR ENERGY-SAVING EFFECT 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，研究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

2、actA model of heat transfer through low-E windows is developed. The two most important performance parameters-overall heat transfer coefficient (U value) and Solar Heat Gain Coefficient (SHGC) are calculated and analyzed. The factors that influence the two parameters of low-E windows are discussed a

3、nd the mechanism of why low- E windows can save building energy is discussed. It also gives an example of the simulation of the impact of low-E windows on air-conditioning and heating energy cost in four typical climates in China. Based on the results of the simulation, the most eligible class of lo

4、w-E windows is proposed for each climate for the best energy saving effect.Keywordslow-emissivity windows; low-E; energy-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，研究低辐射能窗，并将其用于我国建筑，对于降低我国建筑能耗水平有着

5、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辐射涂层，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0.8左右，low-E玻璃长波热辐射发射率最低可达到0.04，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Table 1 Glass编号厚度D/mmTsolTirEmis1Emis2K高透30.60600.8400.0920.9低透30.35400

6、.8400.0920.9普通30.83400.8400.8400.9内Low-E30.60600.8400.0880.9外Low-E30.60600.0880.8400.92 低辐射能窗的传热原理2.1 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，s1和i，s2，如图1。玻璃本身的热容量不考虑。窗户传热方式有：和室内外环境的辐射换热、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

7、、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（Solar Heat Gain Coefficient）来表征。 图1 窗户计算模型Fig.1 Schematics of the window2.2 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

8、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。2.2.1 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） （4） 第i层玻璃两个表面节点i,s1、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

9、出敛解。2.2.2 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，若风速大于2m/s，hc,out=8.070.605 (7) 若风速小于2m/s，hc,out=12.27 (8) 背风情况下， hc,out=18.64(0.3+0.05)0.605 (9) 对垂直安装的窗户，内表面对流换热系数是温差的函数：hc,in=1.77(TN,s2-Tin)0.25 (10) 各个层流间对流换热系数hc,i=×Nu/ i=1,N-1 (11) 对于Ra2×105 Nu=1+(0.0303Ra0.402)110.091 (12)2.2.3 辐射换热 对N层玻璃组成的

10、具有2N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,s1）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+j,s2Qrj+1,s1 (13) Qrj+1,s1=Sj+1,s1+j+1,s1Qrj,s2 (14) 其中， 。一般玻璃的长波热辐射透过率为0，因而j,s2=1-j,s2 所以，窗户的各辐射换热热阻为： 最外表面辐射换热热阻 （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Rtotal为： （18） 由

11、式（15）至（17），玻璃的辐射热阻与其热辐射表面的长波热辐射半球发射率有关，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。    2.3 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

12、，i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阻之比，为： （20） 所以，室内得热量Q=U(Tout-Tin)+SHGC×I (21)3 窗户传热性能分析 使用LBL1994年了出品的Window4.1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Table 2 The simulated conditions 编号工况描述A有太阳入射，垂直入射强度为78

13、3W/m2,室外温度-17.8，室内温度21.1，风速6.7m/s，迎风B有太阳入射，垂直入射强度为783W/m2,室外温度31.7，室内温度23.9，风速3.4m/s，迎风C计算U：无太阳，室外温度-17.8，室内温度21.0,风速6.7m/s,迎风。计算SHGC，垂直太阳入射强度为783W/m2，室外温度31.7，室内温度23.0，风速3.4m/s，迎风表3 窗户种类和计算结果（U：W/（m2）;T: ） Table 3 The calculated value for the different windows 编号层数所用材料冬季工况夏季工况外层内层USHGCT1,s2USHGCT2,

14、S21a1普通6.290.85-6.55.850.8631.91b1内low-E3.860.63-7.43.270.6336.41c1外low-E6.120.64-4.75.510.6533.12a2普通普通2.820.7612.53.130.7632.42b2内low-E普通1.770.5716.61.820.5730.72c2普通外low-E1.760.6020.71.840.6134.32d2外low-E普通2.780.5611.63.010.5731.82e2普通内low-E1.870.5915.92.360.6043.23.1 低辐射涂层（low-E层）可以降低窗户的传热系数 low

15、-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。3.2 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，low-E层（=0.088）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1a、1b和1c的三种窗，1b的传热系数要比1c的低约 40%；而1a和1c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。可见对U的影响与low-E面的位置有关。对单层玻璃窗，low

16、-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。3.3 、值和SHGC的影响 （是窗户的low-E面的长波热辐射发射率）和（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，、对U和SHGC的影响。图2和图3分别为反映、与U和法向SHGC的关系的等值线图，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，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。值越小，辐射热阻越大，U也越小。不

17、同值下，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，但对U的影响很小，如图2示。 图2 双层窗U-、等值线Fig.2 The isoline for double window SHGC主要受影响，越大，SHGC相应越大，而对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能量中流入室内的比例。由图3可以看出，SHGC基本上只与有关。图3 以层窗SHGC-、的等值线Fig.3 The SHGC isoline for double window3.4 low-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

18、），设室内温度恒为20，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，SHGC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low-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low-E的双层窗（2b）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（1b）则与双层相反，这主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Fig.4 The solar gain in 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