低辐射能玻璃窗的节能研究

　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，β_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(T_out-T_in)+SHGC×I 　　　　　　　　　　　　(21)
　　
3 窗户传热性能

　　 使用LBL1994年了出品的Window4.1软件^[2]，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 字串7
　　Table 2 simulated conditions

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-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	U	SHGC	T1,s2	U	SHGC	T2,S2
1a	1	普通		6.29	0.85	-6.5	5.85	0.86	31.9
1b	1	内low-E		3.86	0.63	-7.4	3.27	0.63	36.4
1c	1	外low-E		6.12	0.64	-4.7	5.51	0.65	33.1
2a	2	普通	普通	2.82	0.76	12.5	3.13	0.76	32.4
2b	2	内low-E	普通	1.77	0.57	16.6	1.82	0.57	30.7
2c	2	普通	外low-E	1.76	0.60	20.7	1.84	0.61	34.3
2d	2	外low-E	普通	2.78	0.56	11.6	3.01	0.57	31.8
2e	2	普通	内low-E	1.87	0.59	15.9	2.36	0.60	43.2

　　3.1 低辐射涂层（low-E层）可以降低窗户的传热系数 字串5
　　 low-E材料的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
　　 从表3可以看出，对于单层玻璃窗，low-E层（ε=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ε对U的影响与low-E面的位置有关。对单层玻璃窗，low-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 ε、τ值和SHGC的影响
　　 ε（ε是窗户的low-E面的长波热辐射发射率）和τ（τ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，ε、τ对U和SHGC的影响。图2和图3分别为反映ε、τ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ε，ε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。ε值越小，辐射热阻越大，U也越小。不同τ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τ对U的影响很小，如图2示。

　　
　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 双层窗U-ε、τ等值线
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Fig.2 The isoline for double window
　　 SHGC主要受τ影响，τ越大，SHGC相应越大，而ε对SHGC的影响主要在于ε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τ有关。
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3 以层窗SHGC-ε、τ的等值线
　　　　　　　　　　　　　　　　　　Fig.3 The SHGC isoline for double window

　　3.4 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），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 Harbin
　　
4 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。

　　4.1 模拟房间描述和负荷计算
　　 选取了编号1b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ε均为0.84，low-E表面的ε值范围为0.04到0.7，窗户的太阳透过率τ取值范围分别为单层窗户0.04到0.7；双层窗户0.04到0.6。实际的U值随室内外气象条件等因素而随时变化，但是全年的波动范围不大，因此在得热量计算中采用了工况C下的定值；τ和SHGC则进行了逐时计算。 字串9
　　 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21.6m²，其净空尺寸：长×宽×高为6m×3.6m×3m。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=0.32，V1=-0.25，W1=-0.93，传导型得热传递函数系数为V0=0.68,V1=-0.61,W1=-0.93。求得冬夏两季的逐时空调负荷再相加（根据ASHRAE Handbook of Fundamentals, 1993），可求得全年的空调能耗。冬季设计室温为20℃，夏季设计室温为25℃，允许室温波动范围均为±1℃，冬夏两季均来用热泵式空调，同时不考虑室内设备和照明产热。

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