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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  作者:贺玉妹  日期:2019-3-27
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    摘要:U值表征了门窗的保温性能、SHGC值表征了门窗的隔热性能。在寒冷地区或者寒冷时长大于炎热时长的地区,需要高保温性能、低隔热性能的门窗;在炎热地区或者炎热时长大于寒冷时长的地区,需要高保温性能、高隔热性能的门窗。U值和SHGC值并不是两个毫无关联的数值,它们从原理上到实际计算过程中都存在着一定的联系,本文就U值和SHGC值的原理、计算方法以及两者间关系做了分析。
    关键词:U值;SHGC值;保温;隔热

  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来说性能最差,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:、和。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Tv,(或K值),太阳能总SHGC值,太阳红外热能总透射比gIR,如图1所示。

图1

  透射比Tv:是对于玻璃窗最基本的功能“”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《玻璃幕墙计算规程》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“”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“”,也就是玻璃阻挡热的能力。在欧洲,SHGC又被称为太阳能总(Total Solar Energy Transmittance)、太阳能因子(solar factor)或g值(g-value)。SHGC值定义为:在300~2500nm波长范围内,通过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、门窗或玻璃幕墙上的太阳辐射照度的比值。成为室内得热量的太阳辐射部括: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,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系列普窗、65系列窗配24mm宽、91系列隔热窗配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,立面图及如图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,可以用国际通用的THERM软件来计算。

  1.2、 玻璃U值

  ISO 10292-1994《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(定律):任意物体在热力学平衡状态下发射和吸收热辐射时,物体的等于它的发射比。对不透明物体:吸收比+=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,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减少,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R,需要通过增加玻璃厚度或者采用,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)、适当增加层厚度(降低传导,增大热阻)、在中空层填充(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:在隔热腔增加隔板或者填充、采用长尾等。

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》、JGJ134-2010《夏热冬冷地区居住标准》、JGJ 75-2012《夏热冬暖地区居住建筑节能准》中,对于,不同的的玻璃材料,都有或者SHGC的具体参数限制。SHGC可以直接计算或测量,Sc无法直接计算或测量,只可以从SHGC换算。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,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值来进行分析, 国内2015版GB50189《》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.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

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