1、窗戶太陽得熱對嚴寒地區采暖能耗影響的研究    摘要本文通過對窗戶能耗的模擬講話，分析了窗戶的太陽得熱對嚴寒地區采暖能耗的顯著影響，提出把太陽得熱系數作為評價窗戶熱工性能的一個重要指標，與窗戶的傳熱系數相結合，指導窗戶的節能設計。研究同時表明，充分利用南向窗戶的太陽輻射，對于降低采暖能耗上有重要意義。關鍵詞太陽得熱系數SHGC，窗戶能耗，節能百分比HR一、前言窗戶是建筑必不可少的組成部分，也是建筑外圍護結構保溫性能最薄弱的部位，因此，窗戶作為建筑節能的突破口，在建筑節能設計中占有重要地位。近十年來新技術、新工藝的出現，使窗戶結構擺脫了單一的鋼木和傳統的平

2、板玻璃，涌現出鋁合金斷熱框，塑鋼框，低輻射鍍膜（Low-e）玻璃和中空窗等各種新型材料和結構。這為降低窗戶能耗提供了基礎，同時也使窗戶熱工參數的變化范圍更加廣泛，性能等級更加豐富，從而，不能再簡單的憑窗戶的傳熱系數來評價窗戶熱工性能的優劣。隨著各種節能窗戶的出現，窗戶的太陽得熱系數出現很大差別，并顯著影響窗戶的熱工性能。我國嚴寒地區冬季氣溫低，時間長，采暖度日數較大，但冬季日照時間也相對較長，日照百分率比較高，故在建筑中應充分利用太陽能量，特別是南向窗戶的太陽輻射。這對于節約采暖能耗，提高熱舒適程度，增進人民健康具有重大意義。二、窗戶的傳熱形式及太陽得熱系數的定義窗戶的得熱和失熱形式包括：太陽

3、得熱、熱交換和空氣滲透，相對于這些形式各有對應的評價參數，即太陽得熱系數SHGC、整窗傳熱系數UW和空氣滲透率L。太陽得熱系數（SHGC）定義為透過窗戶進入室內的太陽能量與入射到窗戶外表面的太陽能量的比值。透過窗戶的太陽能量包括：直接透過窗戶進入室內的熱量，和各層玻璃吸收太陽能量后，作為一個個獨立的小熱源，向室內的熱量。SHGC的理論值為0到1，實際值約在0.15到0.80之間，該值越小，相同條件下，窗戶的太陽輻射得熱就越少。三、窗戶熱工參數計算選取有代表性的9種窗戶，利用WINDOW4.12專業窗戶計算軟件分別計算出它們的整窗傳熱系數U和太陽得熱系數SHGC。U值的計算條件：室外氣溫-18，

4、室內溫度21；風速6.7m/s；無陽光。SHGC的計算條件：室外氣溫-32，室內溫度24；風速3.4m/s；太陽直射783w/m2。玻璃厚度為6毫米.。中空窗結構：6mm玻璃+12mm干燥空氣層+6mm玻璃。低輻射鍍膜玻璃的膜層位于兩層玻璃之間朝外的玻璃上。窗戶一律為平開式。計算結果見表1。可以看到，窗戶編號從0至8，窗戶傳熱系數U依次降低。四、嚴寒地區供暖季窗戶能耗計算1選擇有代表性的嚴寒城市哈爾濱、長春、烏魯木齊、呼和浩特和銀川5個城市不僅冬天氣溫較低，而且冷季時間很長，全年日平均溫度 5的日數都在140天以上，是典型的供暖為主的城市。表1窗戶類型及其熱工參數 窗戶編號玻璃類型窗框U（w/

5、m2k）SHGC0白色單玻鋁合金7.490.791白色單玻塑鋼4.840.622白色中空玻璃鋁合金斷熱3.700.643白色中空玻璃塑鋼2.780.554雙層白玻璃木框2.770.565中空茶色玻璃塑鋼2.590.426三層白玻璃塑鋼2.010.517中空低輻射膜，e=0.2塑鋼1.870.528中空低輻射膜，e=0.08塑鋼1.700.42注：e表示低輻射鍍膜玻璃的遠紅外發射率。2設計典型房間普通一層民宅，建筑面積93平方米（1000平方英尺），窗戶平均分布在東西南北四面墻上，窗戶總面積占房間建筑面積的15%。3計算過程對于上述房間，在不改變其它設置的情況下，利用RESFEN3.13軟件分別

6、計算出對應于不同城市氣象參數和不同窗戶熱工參數的供暖季窗戶能耗。在每次計算中更改窗戶的太陽得熱系數、傳熱系數和逐時的氣象參數，而其它參數保持不變。由模擬計算可以得到供暖季各朝向每平方米窗戶的窗戶能耗。4計算數據窗戶能耗為正，表示窗戶是散熱的；窗戶能耗為負，表示窗戶是得熱的。以白色單玻鋁合金窗戶（即表1中編號為0的窗戶）的能耗為基準，記為H，其它窗戶能耗為Hn，定義HR為其他空戶相對于基準窗的節能百分比；HR=（H-Hn）/H100%HR代表了節能效果，HR越大，節能效果越好，節能效果最好的窗戶定義為1級（僅限于所選的窗戶范圍內）。五、計算結果及分析1窗記太陽得熱系數顯著影響窗戶能耗穩態的窗戶能

7、量平衡方程可以表達為：窗戶傳熱量ER=（太陽得熱*窗戶傳熱損失）-空氣滲透熱損失 =Ht×Fi×SHGC-（Ti-To）×UW-（Ti-To）×L×（CP）/AW其中： Ht：供暖季平均太陽輻射強度（W/m2）； Fi：入射角修正系數； SHGC：窗戶的太陽得熱系數（垂直入射條件下）； UW：窗戶傳熱系數（W/m2/K） Ti：室內溫度（ ） To：室外平均溫度（ ） L：空氣滲透率（m3/S） AW：窗戶面積 CP：空氣熱容（1200J/m3/K）。 ER大于0表示窗戶得熱；反之，ER小于0表示窗戶散熱。從式2看出，如果（Ht×Fi

8、）大于（Ti-To），那么太陽得熱系數的權系數就大于窗戶傳熱系數的權系數，實際情況也往往是這樣故太陽得熱系數可以顯著影響窗戶能耗。哈爾濱窗戶節能效果和傳熱系數對照表 表2 窗戶編號12345678U（w/ m2K）4.843.702.782.772.592.011.871.70HR(%)3151636460788179節能等級87546312以哈爾濱為例，從表2我們可以看到，在這 8類窗戶中（基準窗不計）傳熱系數U最小的并非節能效果最好，窗戶的節能效果并非隨著傳熱系數U的降低而提高。從圖1可以看出，其它城市了有類似的情況。因此，在窗戶密閉等級一致的情況下，綜合考慮太陽得熱系數和窗戶傳熱系數是設

9、計與選擇窗戶的關鍵。圖1 各類型窗戶對應的節能百分比2、南向窗戶的太陽輻射得熱相當可觀圖2給出了采暖季南向窗戶使用各種不同類型窗戶供熱量，從中看出編號為7的窗戶在不同城市使用勻能達到最佳的效果，這是因為它不僅具有低傳熱系數（U=1.87 w/ m2K），還具有較高的太陽得熱系數（SHGC=0.52）。與此同時，編號為8的窗戶雖然具有更低的傳熱系數（U=1.70 w/m2K），但由于其太陽得熱系數較低（SHGC=0.42），用于南向窗戶時，反而不比編號為7的窗戶節能。對于銀川和呼和浩特，由于緯度位置較低（見表3），冬季太陽入射角較低，南向窗戶接收到的太陽輻射較多，因而在朝南窗戶中使用太陽得熱系數

10、較大而傳熱系數也較小的白色中空玻璃（窗戶3和4）或三層白色玻璃窗（窗戶5）就能達到較好的節能效果，窗戶總的來說不但不失熱，甚至可以得熱。而哈爾濱、烏魯木齊和長春3個城市由于緯度位置較高，太陽輻射得熱的優勢不如前兩個城市，這時，對窗戶傳熱系數的要求就會高一些，在這些城市的南向窗戶中使用低傳熱系數的低輻射鍍膜玻璃窗7，節能效果就比較明顯。另外，高反射率低太陽透射率的彩色鍍膜玻璃不適用于嚴寒地區。如圖2所示，中空茶色玻璃窗（窗戶5）的失熱量僅次于白色單玻塑鋼窗，效果很不好，但其傳熱系數比單玻璃窗低很，造價也更貴。城市緯度位置表 表3 城市銀川呼和浩特烏魯木齊長春哈爾濱緯度30°2940&#

11、176;4943°4743°5445°41圖2 采暖季南向窗戶能耗而對于呼和浩特的北向窗戶，由圖3可以看出，使用低輻射鍍膜玻璃窗（窗戶7）與使用三層玻璃窗（窗戶6）的窗戶能耗基本相當，可以根據實際情況合理選用。圖3呼和浩特南北窗傳熱量對比六總結1應該引入太陽得熱系數來評價窗戶熱工通過以上計算分析可以看出，太陽得熱系數了是影響窗戶能耗的重要因素。這點，應該引起門窗生產廠家和研究設計人員的關注。目前我國窗戶行業對窗戶的太陽得熱性能還不是很重視，門窗檢測對窗戶熱工性能的標定也只限于窗戶的傳熱系數。2低傳熱系數的窗戶并不一定最節能對于嚴寒地區，盲目選用低傳熱系數同時也是低太陽得熱系數的窗戶，將造成資金和能源的浪費。反之，把窗戶的傳熱系數和太陽得熱系數綜合起來考慮，才能選擇一個真正適合該地區的具有優越熱工性能的窗戶。3合理利用太陽能特別是南