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U值及SHGC值對鋁門窗保溫隔熱性能的影響

來源:2019年會論文集  作者:賀玉妹  日期:2019-3-27
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    摘要:U值表征了門窗的保溫性能、SHGC值表征了門窗的隔熱性能。在寒冷地區或者寒冷時長大于炎熱時長的地區,需要高保溫性能、低隔熱性能的門窗;在炎熱地區或者炎熱時長大于寒冷時長的地區,需要高保溫性能、高隔熱性能的門窗。U值和SHGC值并不是兩個毫無關聯的數值,它們從原理上到實際計算過程中都存在著一定的聯系,本文就U值和SHGC值的原理、計算方法以及兩者間關系做了分析。
    關鍵詞:U值;SHGC值;保溫;隔熱

  從上世紀八十年代國家推行“三步節能”以來,“節能”成為建筑行業最高頻的詞之一。據統計,各項建筑能源消耗占社會總能耗的三分之一左右,建筑部件中門窗相對墻體、屋面和地面其他三大圍護結構來說絕熱性能最差,門窗的能耗約占建筑圍護結構總能耗的40%~50%,較高門窗能耗不利于我國能源走可持續發展道路,近年來國家標準、地方政策都提高了節能要求,門窗行業一直致力于節能門窗的設計研發工作。

  自然界中熱量的傳遞有三種形式:傳導對流輻射。由于玻璃是透明材料,其涉及的傳熱形式最多,通過玻璃的傳熱除上述三種形式外還有太陽能(詞條“太陽能”由行業大百科提供)量以光輻射形式的直接透過。衡量通過玻璃進行能量傳播的主要指標有可見光透射比Tv,傳熱系數(詞條“傳熱系數”由行業大百科提供)U值(或K值),太陽能總透射比SHGC值,太陽紅外熱能總透射比gIR,如圖1所示。

圖1

  可見光透射比Tv:是對于玻璃窗最基本的功能“采光”來說,也就是玻璃對可見光的透過能力,以可見光透射比Tv來衡量。行業標準JGJ/T 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》對可見光透射比定義為,采用人眼視見函數進行加權,標準光源透過玻璃、門窗或玻璃幕墻成為室內的可見光通量與投射到玻璃、門窗或玻璃幕墻上的可見光通量的比值。可見光透射比越大,室內采光效果越好。

  傳熱系數U值(或K值):對于玻璃窗第二大功能“保溫”來說,也就是阻隔溫差傳熱的能力,以傳熱系數U值衡量。傳熱系數越小,保溫性能越好。

  太陽能總透射比SHGC:玻璃窗的第三大功能“隔熱”,也就是玻璃阻擋太陽輻射熱的能力。在歐洲,SHGC又被稱為太陽能總透射率(Total Solar Energy Transmittance)、太陽能因子(solar factor)或g值(g-value)。太陽光總透射比(詞條“太陽光總透射比”由行業大百科提供)SHGC值定義為:在300~2500nm波長范圍內,通過玻璃門窗或玻璃幕墻成為室內得熱量的太陽輻射部分,與投射到玻璃、門窗或玻璃幕墻構件上的太陽輻射照度的比值。成為室內得熱量的太陽輻射部分包括:太陽輻射通過輻射透射的得熱量,太陽輻射被構件吸收再傳入室內的得熱量(二次傳熱)。太陽能總透射比近乎完整地表征了玻璃的得熱能力,太陽能總透射比越小,隔熱性能越好。

  太陽紅外熱能總透射比gIR:在780nm~2500nm 波長范圍內的太陽能總透射比,不考慮可見光范圍的透射及吸收情況,所以其表征玻璃的得熱能力有一定局限性。gIR值越小,玻璃阻擋太陽輻射熱的能力越強。目前降低gIR值的技術是采用隔熱涂膜(詞條“涂膜”由行業大百科提供)玻璃,隔熱涂膜玻璃在可見光380~780nm波段范圍內,具有較高的透射率及較低的反射率,在紅外780~2500nm波段范圍內,具有極低的透射率及較高的反射率,這樣既可以保證較好的采光效果,又可以達到隔熱保溫的目的,但因其限制太陽輻射的局限性及本身技術不夠成熟應用很少,所以在此不再詳述。

  在夏季或者熱帶氣候地區,室外的熱量通過門窗傳導入室內主要通過以下兩個途徑:a.熱傳遞(通過室內外溫差實現);b.太陽得熱(通過太陽輻射實現)。我們通過影響這兩條途徑來達到節能的目的,影響熱傳遞是為了保溫,影響太陽得熱是為了隔熱。保溫效果通過U值來衡量,而隔熱效果通過SHGC來衡量。

  本文中筆者選取了三樘窗,分別是40系列普窗、65系列隔熱斷橋鋁窗配24mm寬聚酰胺型材、91系列隔熱斷橋鋁窗配54mm寬聚酰胺型材,用THERM及WINDOW軟件來模擬對比三樘U值及SHGC值(計算邊界條件和計算方法參考JGJ/T 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》),由于篇幅限制只展示了典型的框扇組合部分窗框的節點(詞條“節點”由行業大百科提供),立面圖及節點圖(詞條“節點圖”由行業大百科提供)如圖2所示。

圖2

  1. U值

  1.1、 U值概念

  U值定義:熱透過比[W/(㎡.K)],即在穩態(熱傳遞時沒有溫度變化,無熱量存儲)傳熱條件下,兩側環境溫度差為1K時,在單位時間內通過單位面積門窗或玻璃幕墻的熱量。從定義可以看出U值取決于標準中定義的環境條件,在自然條件下不存在穩態傳熱條件,所以U值是為了產品評級而人為定義的量,不存在自然條件下的U值。美國NFRC標準體系適用于門窗系統計算,使用數值計算法,可以計算玻璃和窗框各自U值,使用計算公式(1)。玻璃的U值計算是標準的一部分,可以用計算軟件WINDOW進行相關計算;窗框的傳熱是二維問題,無法求解析解,需要用數值法求解每個節點的溫度和熱流量,可以用國際通用的THERM軟件來計算。

  1.2、 玻璃U值

  ISO 10292-1994建筑玻璃多層玻璃窗穩態u-值(傳熱系數)的計算》適用于玻璃U值計算,并未具體計算熱流量和溫度分布,使用計算公式(4)。

  基爾霍夫定律(熱輻射定律):任意物體在熱力學平衡狀態下發射和吸收熱輻射時,物體的吸收比等于它的發射比。對不透明物體:吸收比+反射比=1。對黑體:黑體吸收所有入射輻射,并發射所有輻射,吸收比=發射比= 1,反射比=0。

  發射比也常稱為發射率,是物體熱輻射與黑體熱輻射之比。普通物體的發射比低于理想黑體,在0和1之間。降低室內表面發射比ε最常見的方式就是在室內側采用Low-e鍍膜減少輻射傳熱,Low-e鍍膜發射較少輻射,吸收較少輻射,反射更多輻射。

  筆者用WINDOW軟件模擬計算了幾款玻璃的U值和SHGC值(如表1),綜合上文所述可得結論:a.降低單片玻璃U值:要增大玻璃系統熱阻(詞條“熱阻”由行業大百科提供)R,需要通過增加玻璃厚度或者采用夾膠玻璃,但都影響都很小;有效措施是增大室內表面熱阻 ,需要在室內側鍍硬Low-e膜(在線鍍膜)。

  b.降低中空玻璃U值:要增大玻璃系統熱阻R,可以增加玻璃厚度(影響很小)、適當增加中空層厚度(降低傳導,增大熱阻)、在中空層填充惰性氣體(降低對流和輻射傳熱)、在中空層內一側玻璃表面鍍軟Low-e膜(離線鍍膜,膜的位置幾乎不影響U值);也可以在室內側鍍硬Low-e膜(在線鍍膜)增大室內表面熱阻 ,但一般不與離線鍍軟Low-e膜同時使用。

  1.3、 窗框U值

  大多數玻璃U值的概念也適用于窗框,理論上通過鍍Low-e膜來降低室內表面發射比ε對于降低窗框U值同樣有效,但工藝和耐久性(詞條“耐久性”由行業大百科提供)是目前不能解決的難題,所以我們著意于增大窗框系統的熱阻。可以從傳熱學原理采取相應措施:a.降低傳導:采用斷橋鋁來代替普鋁,增加隔熱條長度;b.降低對流和輻射:在隔熱腔增加尼龍隔板或者填充發泡、采用長尾膠條等。

圖3 普鋁40系列

圖4 隔熱斷橋65-24系列

圖5 隔熱斷橋91-54系列

  1.4、 整窗U值

  2. SHGC值

  2.1、 SHGC值概念

  GB50189-2015《公共建筑節能設計規范》、JGJ26-2010《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》、JGJ134-2010《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計(詞條“建筑節能設計”由行業大百科提供)標準》、JGJ 75-2012《夏熱冬暖地區居住建筑節能設計標準》中,對于建筑立面(詞條“建筑立面”由行業大百科提供),不同的窗墻比的玻璃材料,都有遮陽系數Sc或者太陽得熱系數SHGC的具體參數限制。SHGC可以直接計算或測量,遮陽系數Sc無法直接計算或測量,只可以從SHGC換算。遮陽系數Sc起初是作為一個單一數值來比較玻璃對太陽得熱的控制能力,簡單但不夠精確。Sc只定義了窗戶玻璃這部分的太陽得熱能力(Scg),整窗遮陽系數Scw是以玻璃Scg乘以玻窗比來計算,也就是忽略了窗框的影響。Sc還可以用來表征一定范圍太陽方位角下玻璃的太陽得熱性能,但是當太陽入射角較大時,精度(詞條“精度”由行業大百科提供)上就得不到滿足。美國已經廢除了遮陽系數這個概念。目前國內普遍采用SHGC值來進行建筑能耗(詞條“建筑能耗”由行業大百科提供)分析, 國內2015版GB50189《公共建筑節能設計標準》中,外窗的Sc值也由SHGC值替換了,兩者關系如公式(10),0.87是3mm透明玻璃的SHGC。

  在自然條件下,太陽輻射包括直接輻射和漫射輻射,直接輻射相對于玻璃表面有一定角度,而且角度隨時間變化。SHGC也是基于理想化的環境條件,在SHGC的定義中,僅考慮直接太陽輻射,并且太陽輻射方向和玻璃表面垂直。美國NFRC標準體系中SHGC標準用于門窗系統評級,玻璃的SHGC計算是標準的一部分,使用數值計算法求解每個節點的溫度和熱流量,太陽照度被定義為783 W/㎡,可用WINDOW軟件直接計算玻璃的SHGC值,使用計算公式(11)。

  玻璃的SHGC值增大時,意味著可以有更多的太陽直射熱量進入室內;減小時,則將更多的太陽直射熱量阻擋在室外。SHGC值對節能效果的影響,是與建筑物所處的不同氣候條件相聯系的。在炎熱氣候條件下,應該減少太陽輻射熱量對室內溫度的影響,此時需要玻璃具有相對低的SHGC值。而在寒冷氣候條件下,應充分利用太陽輻射熱量來提高室內的溫度,此時需要高SHGC值的玻璃。

圖6

  根據圖6,我們從太陽得熱原理來分析,太陽得熱Q應該包括直接透射得熱和二次得熱,如公式(12)

  ISO 9050-2003《建筑玻璃.光透率、日光直射率、太陽能總透射率及紫外線透射率及有關光澤系數的測定》僅適用于玻璃SHGC評級,使用解析法,并未具體計算溫度分布,不需要知道太陽照度,使用計算公式(13)。太陽能透射比 和反射比 是光學性質,只有熱輻射,沒有對流和傳導。內流分數N是一個熱學性質,同時有輻射、對流和傳導。綜上,SHGC的二次得熱原理和U值的傳熱原理幾乎一樣。

  2.2、 玻璃SHGC值

  通過分析表1中SHGC值對比可以看出,增加玻璃層數、增大中空層厚度、Low-e鍍膜可以有效降低SHGC值,使用Low-e膜是目前最有效的降低SHGC值的措施。Low-e膜通過兩種機制影響SHGC值:a.改變玻璃在太陽光譜范圍內的光學性質( 和 ),例如降低太陽能透射比 ;b.降低內流分數(N),使較少熱量傳到室內。前者是主要作用,后者是次要作用。

  如圖7所示,對于雙層中空玻璃Low-e膜位置不影響U值,但會影響SHGC,在表1中也已經驗證過。Low-e膜不管位于#2表面還是#3表面,太陽能透射比 并沒有改變。膜位于#2表面時,太陽能吸收比 較高,但是總體SHGC較低,因為內流分數較小,較多熱量被吸收,但較少被傳到室內,SHGC較低,適用于常年制冷地區。膜位于#3表面時,太陽能吸收比 較低,但是總體SHGC較高,因為內流分數較大,較少熱量被吸收,但較多被傳到室內,SHGC較高,適用于常年采暖地區。

圖7

  2.3、 窗框SHGC值

  鋁窗框對于太陽輻射是不透明的,但熱量一定會從高溫側傳遞到低溫側,所以太陽熱量可以通過窗框以二次得熱的形式傳遞。窗框SHGC值可以被認為是一種沒有直接太陽透射的特例,太陽能透射比 =0,只考慮二次傳熱,如圖8所示。

圖8

  在JGJ/T 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》7.6中窗框SHGC值使用公式(14):

  由公式(14)得出兩種降低太陽得熱的方法:a.降低窗框的表面太陽能吸收系數 ,比如采用淺色外表面;b.提高窗框的保溫性能降低U值,比如增加隔熱條寬度、增加發泡。

  筆者通過公式(14)計算了三個系列的框扇組合部分框的SHGC值,如表4所示。綜上,降低窗框U值,也可以降低窗框的SHGC值,65系列隔熱斷橋鋁窗與40系列普鋁窗相比,窗框SHGC值降低了47.9%;91系列隔熱斷橋鋁窗與40系列普鋁窗相比,窗框SHGC值降低了80.0%。

  2.4、 整窗SHGC值

  JGJ/T 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》3.4.1中規定了整窗SHGC計算使用公式(15):

  筆者又分別模擬了三個系列框、中梃、梃扇部分SHGC值(具體計算步驟不再贅述和展示),按照公式(15)搭配不同配置的玻璃來計算整窗的SHGC值,計算出三個系列整窗SHGC值(如表5)。對比表5中數值可以得出,不管是優化玻璃配置還是增加窗框的保溫性能都有助于降低整窗的SHGC。采用相同配置玻璃時,65系列隔熱斷橋鋁窗與40系列普鋁窗相比,整窗SHGC值降低了9.3%;91系列隔熱斷橋鋁窗與40系列普鋁窗相比,整窗SHGC值降低了16.3%。

  3. 總結

  門窗的保溫隔熱性能主要通過U值和SHGC值來體現,保溫性能由U值大小決定,隔熱性能由SHGC值大小決定。整窗U值與玻璃U值、窗框U值、間隔條(詞條“隔條”由行業大百科提供)選用以及玻窗比有關,整窗SHGC值與玻璃SHGC值、窗框SHGC值以及玻窗比有關。在常年取暖或者采暖能耗高于制冷能耗地區,節能型門窗具有相對低的U值和相對高的SHGC值;在常年制冷或者制冷能耗高于采暖能耗地區,節能型門窗具有相對低的U值和相對低的SHGC值。但是U值和SHGC值并不是兩個完全沒有關系的數值,對于玻璃來說,大部分降低U值的措施都是可以降低SHGC值的,但兩者之間并沒有絕對性關系,Low-e膜位置對SHGC值起著決定性作用;對于不透明的窗框來說,SHGC值與U值成正比關系。

  參考文獻

  [1] JGJ/T 151-2008.建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程

  [2] GB 50189-2015.公共建筑節能設計標準

  [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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