窗户太阳得热对严寒地区采暖能耗影响的研究

一、前言

　　窗户是建筑必不可少的组成部分，也是建筑外围护结构保温性能最薄弱的部位，因此，窗户作为建筑节能的突破口，在建筑节能设计中占有重要地位。
　　近十年来新技术、新工艺的出现，使窗户结构摆脱了单一的钢木和传统的平板玻璃，涌现出铝合金断热框，塑钢框，低辐射镀膜（Low-e）玻璃和中空窗等各种新型材料和结构。这为降低窗户能耗提供了基础，同时也使窗户热工参数的变化范围更加广泛，性能等级更加丰富，从而，不能再简单的凭窗户的传热系数来评价窗户热工性能的优劣。随着各种节能窗户的出现，窗户的太阳得热系数出现很大差别，并显著影响窗户的热工性能。
　　我国严寒地区冬季气温低，时间长，采暖度日数较大，但冬季日照时间也相对较长，日照百分率比较高，故在建筑中应充分利用太阳能量，特别是南向窗户的太阳辐射。这对于节约采暖能耗，提高热舒适程度，增进人民健康具有重大意义。 

二、窗户的传热形式及太阳得热系数的定义

　　窗户的得热和失热形式包括：太阳得热、热交换和空气渗透，相对于这些形式各有对应的评价参数，即太阳得热系数SHGC、整窗传热系数U_W和空气渗透率L。
　　太阳得热系数（SHGC）定义为透过窗户进入室内的太阳能量与入射到窗户外表面的太阳能量的比值。透过窗户的太阳能量包括：直接透过窗户进入室内的热量，和各层玻璃吸收太阳能量后，作为一个个独立的小热源，向室内的热量。SHGC的理论值为0到1，实际值约在0.15到0.80之间，该值越小，相同条件下，窗户的太阳辐射得热就越少。 

三、窗户热工参数计算

　　选取有代表性的9种窗户，利用WINDOW4.1[2]专业窗户计算软件分别计算出它们的整窗传热系数U和太阳得热系数SHGC。U值的计算条件：室外气温-18℃，室内温度21℃；风速6.7m/s；无阳光。SHGC的计算条件：室外气温-32℃，室内温度24℃；风速3.4m/s；太阳直射783w/m²。玻璃厚度为6毫米.。中空窗结构：6mm玻璃+12mm干燥空气层+6mm玻璃。低辐射镀膜玻璃的膜层位于两层玻璃之间朝外的玻璃上。窗户一律为平开式。计算结果见表1。可以看到，窗户编号从0至8，窗户传热系数U依次降低。

四、严寒地区供暖季窗户能耗计算

1．选择有代表性的严寒城市
　　哈尔滨、长春、乌鲁木齐、呼和浩特和银川5个城市不仅冬天气温较低，而且冷季时间很长，全年日平均温度≤ 5℃的日数都在140天以上，是典型的供暖为主的城市。表1　窗户类型及其热工参数

窗户编号

玻璃类型

窗框

U（w/m²k）

SHGC

0

白色单玻

铝合金

7.49

0.79

1

白色单玻

塑钢

4.84

0.62

2

白色中空玻璃

铝合金断热

3.70

0.64

3

白色中空玻璃

塑钢

2.78

0.55

4

双层白玻璃

木框

2.77

0.56

5

中空茶色玻璃

塑钢

2.59

0.42

6

三层白玻璃

塑钢

2.01

0.51

7

中空低辐射膜，e^①=0.2

塑钢

1.87

0.52

8

中空低辐射膜，e=0.08

塑钢

1.70

0.42

　　注①：e表示低辐射镀膜玻璃的远红外发射率。

2．设计典型房间
　　普通一层民宅，建筑面积93平方米（1000平方英尺），窗户平均分布在东西南北四面墙上，窗户总面积占房间建筑面积的15%。

3．计算过程
　　对于上述房间，在不改变其它设置的情况下，利用RESFEN3.1[3]软件分别计算出对应于不同城市气象参数和不同窗户热工参数的供暖季窗户能耗。在每次计算中更改窗户的太阳得热系数、传热系数和逐时的气象参数，而其它参数保持不变。由模拟计算可以得到供暖季各朝向每平方米窗户的窗户能耗。

4．计算数据
　　窗户能耗为正，表示窗户是散热的；窗户能耗为负，表示窗户是得热的。
　　以白色单玻铝合金窗户（即表1中编号为0的窗户）的能耗为基准，记为H，其它窗户能耗为Hn，定义HR为其他空户相对于基准窗的节能百分比；
　　HR=[（H-Hn）/H]100%
　　HR代表了节能效果，HR越大，节能效果越好，节能效果最好的窗户定义为1级（仅限于所选的窗户范围内）。

五、计算结果及分析

1．窗记太阳得热系数显著影响窗户能耗
　　稳态的窗户能量平衡方程可以表达为：
　　窗户传热量ER=（太阳得热*窗户传热损失）-空气渗透热损失=H_t×F_i×SHGC-（T_i-T_o）×U_W-（T_i-T_o）×L×（ρCP）/A_W
　　其中：H_t：供暖季平均太阳辐射强度（W/m²）；
　　　　　F_i：入射角修正系数；
　　　　　SHGC：窗户的太阳得热系数（垂直入射条件下）；
　　　　　U_W：窗户传热系数（W/m²/K）
　　　　　T_i：室内温度（℃）
　　　　　T_o：室外平均温度（℃）
　　　　　L：空气渗透率（m³/S）
　　　　　A_W：窗户面积
　　　　　ρCP：空气热容（1200J/m³/K）。
　　ER大于0表示窗户得热；反之，ER小于0表示窗户散热。
　　从式[2]看出，如果（H_t×F_i）大于（T_i-T_o），那么太阳得热系数的权系数就大于窗户传热系数的权系数，实际情况也往往是这样故太阳得热系数可以显著影响窗户能耗。 　　　　　　　　　　　　　　　　　哈尔滨窗户节能效果和传热系数对照表　　表2 

窗户编号

1

2

3

4

5

6

7

8

U（w/m²K）

4.84

3.70

2.78

2.77

2.59

2.01

1.87

1.70

HR(%)

31

51

63

64

60

78

81

79

节能等级

8

7

5

4

6

3

1

2

　　以哈尔滨为例，从表2我们可以看到，在这 8类窗户中（基准窗不计）传热系数U最小的并非节能效果最好，窗户的节能效果并非随着传热系数U的降低而提高。
　　从图1可以看出，其它城市了有类似的情况。因此，在窗户密闭等级一致的情况下，综合考虑太阳得热系数和窗户传热系数是设计与选择窗户的关键。

图1 各类型窗户对应的节能百分比
2、南向窗户的太阳辐射得热相当可观
　　图2给出了采暖季南向窗户使用各种不同类型窗户供热量，从中看出编号为7的窗户在不同城市使用匀能达到最佳的效果，这是因为它不仅具有低传热系数（U=1.87 w/ m²K），还具有较高的太阳得热系数（SHGC=0.52）。与此同时，编号为8的窗户虽然具有更低的传热系数（U=1.70 w/m²K），但由于其太阳得热系数较低（SHGC=0.42），用于南向窗户时，反而不比编号为7的窗户节能。对于银川和呼和浩特，由于纬度位置较低（见表3），冬季太阳入射角较低，南向窗户接收到的太阳辐射较多，因而在朝南窗户中使用太阳得热系数较大而传热系数也较小的白色中空玻璃（窗户3和4）或三层白色玻璃窗（窗户5）就能达到较好的节能效果，窗户总的来说不但不失热，甚至可以得热。而哈尔滨、乌鲁木齐和长春3个城市由于纬度位置较高，太阳辐射得热的优势不如前两个城市，这时，对窗户传热系数的要求就会高一些，在这些城市的南向窗户中使用低传热系数的低辐射镀膜玻璃窗7，节能效果就比较明显。另外，高反射率低太阳透射率的彩色镀膜玻璃不适用于严寒地区。如图2所示，中空茶色玻璃窗（窗户5）的失热量仅次于白色单玻塑钢窗，效果很不好，但其传热系数比单玻璃窗低很，造价也更贵。
城市纬度位置表　　　　　　　表3 

城市

银川

呼和浩特

乌鲁木齐

长春

哈尔滨

纬度

30°29＇

40°49＇

43°47＇

43°54＇

45°41＇

图2 采暖季南向窗户能耗
　　而对于呼和浩特的北向窗户，由图3可以看出，使用低辐射镀膜玻璃窗（窗户7）与使用三层玻璃窗（窗户6）的窗户能耗基本相当，可以根据实际情况合理选用。

图3　呼和浩特南北窗传热量对比

六、总结

1．应该引入太阳得热系数来评价窗户热工
　　通过以上计算分析可以看出，太阳得热系数了是影响窗户能耗的重要因素。这点，应该引起门窗生产厂家和研究设计人员的关注。目前我国窗户行业对窗户的太阳得热性能还不是很重视，门窗检测对窗户热工性能的标定也只限于窗户的传热系数。

2．低传热系数的窗户并不一定最节能
　　对于严寒地区，盲目选用低传热系数同时也是低太阳得热系数的窗户，将造成资金和能源的浪费。反之，把窗户的传热系数和太阳得热系数综合起来考虑，才能选择一个真正适合该地区的具有优越热工性能的窗户。

3．合理利用太阳能特别是南向窗户的太阳辐射有利于节约能源
　　窗户的太阳得热对于严寒地区窗户能耗有显著影响，合理利用窗户的太阳得热，特别是南向窗户的太阳辐射，有利于节约采暖能耗，节省开支。
　　总之，窗户的热工设计不应该只是被动设防，而要加入主动利用能源的设计思想。为了减少严寒地区采暖供热的热损失和能源消耗，应充分利用太阳能，在进行窗户节能设计时不但要重视其传热系数，也要兼顾其太阳得热系数。

参考文献

　　[1]Windows and dalighting Group Building Technologies Program Energy and Environment Division LBL Berkeley, USA WINDOW 4.1, 1994.
　　[2] ROBI Mitchell, Joe Huang, Dariush Arasteh, Robert Sullivan, RESFEN 3.1, 1999