玻璃窗节能管理论文

摘要建立了低辐射能玻璃窗的物理传热模型，计算并分析反映窗户性能的两个参数：传热系数U和太阳得热系数SHGC，着重讨论了低辐射能玻璃窗的这两个参数的特点和影响因素，找出了其节能的机理。通过负荷模拟，研究了低辐射能窗户对空调能耗的影响，并在模拟结果的基础上，对我国4种典型气候下最适宜使用的低辐射能玻璃窗进行了分析。

关键词低辐射能窗；低辐射；节能

AbstractAmodelofheattransferthroughlow-Ewindowsisdeveloped.Thetwomostimportantperformanceparameters-overallheattransfercoefficient(Uvalue)andSolarHeatGainCoefficient(SHGC)arecalculatedandanalyzed.Thefactorsthatinfluencethetwoparametersoflow-Ewindowsarediscussedandthemechanismofwhylow-Ewindowscansavebuildingenergyisdiscussed.Italsogivesanexampleofthesimulationoftheimpactoflow-Ewindowsonair-conditioningandheatingenergycostinfourtypicalclimatesinChina.Basedontheresultsofthesimulation,themosteligibleclassoflow-Ewindowsisproposedforeachclimateforthebestenergysavingeffect.

Keywordslow-emissivitywindows;low-E;energy-saving

0引言

减小空调和供暖系统能耗电量降低建筑能耗的重要途径，而由于玻璃窗引起的空调供暖能耗在整个建筑能耗中占有相当大的比重，减小这部分能耗，是降低建筑能耗的一条行之有效的方法。在我国普遍采用的是单层或双层普通玻璃窗，能大大降低窗户的传热系数，从而减小由玻璃窗引起的建筑能耗。因此，研究低辐射能窗，并将其用于我国建筑，对于降低我国建筑能耗水平有着重要意义。

1低辐射能玻璃简介

低辐射能玻璃，即low-E玻璃，是利用真空沉积技术的在玻璃表面沉积一层低辐射涂层，一般由若干金属或金属氧化物薄层和衬底组成。普通玻璃的长波热辐射发射率约为0.8左右，low-E玻璃长波热辐射发射率最低可达到0.04，对长波热辐射光谱有很强的反射作用。并可调整制造工艺制造出各种不同光学性能的产品，如对太阳光有不同透过率的高透过low-E玻璃、低透过low-E玻璃等，见表1。但一般来说，都对可见光透过率影响不大。

表1玻璃材料

Table1Glass

编号厚度D/mmTsolTirEmis1Emis2K

高透30.60600.8400.0920.9

低透30.35400.8400.0920.9

普通30.83400.8400.8400.9

内Low-E30.60600.8400.0880.9

外Low-E30.60600.0880.8400.9

2低辐射能窗的传热原理

2.1窗的物理传热模型

在有太阳辐射的情况下，考虑有N层玻璃的窗户，忽略通过窗框的传热与玻璃边缘和窗框之间的传热，可以认为窗户仅由N层玻璃和N-1个密闭空间组成。假设每层（如第i层）玻璃有3个节点：第i层的中心节点i、第i层的两个表面节点i，s1和i，s2，如图1。玻璃本身的热容量不考虑。窗户传热方式有：和室内外环境的辐射换热、最外表面强迫对流换热、最内表面自然对流换热、玻璃层间的对流换热和辐射换热、玻璃层内的导热以及玻璃对太阳能的吸收。太阳光一部分直接透过窗户进入室内，还有一部分是由各层玻璃的中心节点吸收太阳能量后，以点内热源的形式向室内传热。玻璃窗热性能用总传热系数U和太阳得热系数SHGC（SolarHeatGainCoefficient）来表征。

图1窗户计算模型

Fig.1Schematicsofthewindow

2.2传热系数U

窗户的总传热系数U是指在单位温差下通过单位面积窗户所传递的热量。因此，U就是上述窗户有传热热阻之和Rtota的倒数，即：

（1）

由于对流、辐射传热的热阻是温度的函数，因此应首先通过求解各个节点的热平衡方程来确定窗户各层玻璃的温度值。在稳态传热情况下，对任意节点，流入流出该节点的净热流量为零。对于有N层玻璃的窗户，有N个中心节点和2N个表面节点。

2.2.1节点温度的确定

第i层玻璃的中心节点热平衡方程：

（2）

式中，Ri-1、Ri+1分别为第i中心节点与第（i+1）中心节点之间、第i中心节点与第(i+1)中心节点之间的换热热阻，即玻琉层内的导热、层间的对流换热和辐射换热的热阻之和，它们分别为：

（3）

（4）

第i层玻璃两个表面节点i,s1、i,s2的热平衡方程：

（5）

（6）

温度求解是一个迭代过程。首先设定N个中心节点温度，解出2N个表面节点温度，再以此求出热阻和热流，并解得下一步的中心节点温度。重复此过程，直到求出敛解。

2.2.2对流换热

外表面的对流换热系数是风速和风向的函数：

迎风情况下，若风速υ大于2m/s，hc,out=8.07υ0.605(7)

若风速小于2m/s，hc,out=12.27(8)

背风情况下，hc,out=18.64(0.3+0.05υ)0.605(9)

对垂直安装的窗户，内表面对流换热系数是温差的函数：

hc,in=1.77(TN,s2-Tin)0.25(10)

各个层流间对流换热系数hc,i=λ×Nu/ωi=1,N-1(11)

对于Ra＜2×105

Nu=[1+(0.0303Ra0.402)11]0.091(12)

2.2.3辐射换热

对N层玻璃组成的具有2N个表面的系统，若各层间填充的气体对长波热辐射无吸收，则长波热辐射能量在各层间传递的过程中没有损失。对于第j与（j+1）层玻璃间的空气层所对应的第（j,s2）和（j+1,s1）两个玻璃表面，离开某个表面的净长波热辐射能量为：

Qrj,s2=Sj,s2+ρj,s2Qrj+1,s1(13)

Qrj+1,s1=Sj+1,s1+ρj+1,s1Qrj,s2(14)

其中，。一般玻璃的长波热辐射透过率为0，因而ρj,s2=1-εj,s2

所以，窗户的各辐射换热热阻为：

最外表面辐射换热热阻（15）

最内表面辐射换热热阻（16）

层间辐射换热热阻

（17）

窗户的总热阻Rtotal为：（18）

由式（15）至（17），玻璃的辐射热阻与其热辐射表面的长波热辐射半球发射率有关，ε越小，辐射热阻越大，从而增大了窗户总热阻。同时，各层辐射热阻与对流换热热阻并联，因而ε减小对窗户总热阻的影响，也和与其并联的对流换热热阻的大小有关，该对流换热热阻越小，ε增大总热阻的程度也越小。因此，安装窗时要考虑low-E面的安装位置，使它位于对流换热热阻较大的表面。

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，βi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(Tout-Tin)+SHGC×I(21)

3窗户传热性能分析

使用LBL1994年了出品的Window4.1软件[2]，计算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

Table2Thesimulatedconditions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:℃）

Table3Thecalculatedvalueforthedifferentwindows

编号层数所用材料冬季工况夏季工况

外层内层USHGCT1,s2USHGCT2,S2

1a1普通6.290.85-6.55.850.8631.9

1b1内low-E3.860.63-7.43.270.6336.4

1c1外low-E6.120.64-4.75.510.6533.1

2a2普通普通2.820.7612.53.130.7632.4

2b2内low-E普通1.770.5716.61.820.5730.7

2c2普通外low-E1.760.6020.71.840.6134.3

2d2外low-E普通2.780.5611.63.010.5731.8

2e2普通内low-E1.870.5915.92.360.6043.2

3.1低辐射涂层（low-E层）可以降低窗户的传热系数

low-E材料的应用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。

3.2low-E层位置对传热系数有重要影响

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。

3.3ε、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.2Theisolinefordoublewindow

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.3TheSHGCisolinefordoublewindow

3.4low-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.4ThesolargaininHarbin

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方法

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。

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ASHRAEHandbookofFundamentals,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。

4.2计算结果及其分析

为能反映低辐射能玻璃的节能效果，引入了一个新的参数--节能百分比

，单层窗与单层普通玻璃窗进行比较，双层窗与双层普通玻璃窗进行比较。η可以充分反映单位面积低辐射能玻璃窗的节能效果，而不用考虑负荷绝对量值的大小，η值越大说明节能效果越显著。图5、6是哈尔滨、广州二地采用不同材料的low-E窗的情况下（根据1999年清华大学的建筑能耗分析用气象数据生成系统MEDPHA），，η与ε、法向τ的关系的等值线图。

图5单层窗η-ε、τ等值线图

Fig.5Theηisolineformonolayerwindow

图6双层窗η-ε、τ等值线图

Fig.6Theηisolinefordoublewindow

1)哈尔滨

气温较低，太阳辐射强度较小。由图看出，采用单层窗时ε值越小，τ值越大，节能效果越好；采用双层窗时ε越小越好，而τ值应适中。这是因为单层窗U值较大，由温差引起的传热量很大，冬季能耗是主要部分。而双层窗U值较小，温差传热量在总传热量中所占比例减小，冬季能耗在全年能耗中所占比例降低；太阳得热对全年能耗的影响比单层窗显著，如果τ值太大，会增大夏季能耗，反之，若τ值太小，会增大冬季能耗。

2)广州

冬夏两季气温比北方明显增高，辐射强度也较大，且夏季辐射尤为突出，减小夏季供冷负荷是主要矛盾，冬季供暖量非常小，太阳得热对负荷的影响非常大。由图看出，全年能耗与τ值关系密切，τ越小，能耗越小，而在保证一定小的τ后，能耗基本与ε值大小无关。

由所得的η值可见，无论是北方还是南方地区，使用低辐射能玻璃都不同程度地节省了全年的空调能耗。

5结论

1)低辐射能玻璃是否全年节能与地区有关

低辐射能玻璃的节能是由于ε主要影响传热系数U，从而影响由温差引起的对流传热和辐射传热。对于气候寒冷的北方地区，采用低辐射能玻璃有明显的节能效果，ε越小，全年能耗节省情况越佳。而在南方，由太阳辐射引起的空调能耗是全年能耗的主要部分，ε值的变化仅减小传热系数U，对这部分能耗影响不大。南方使用low-E玻璃造成的节能效果，除U的降低是一个因素之外，最主要的原因是low-E玻璃的材料特性使它对太阳透过，相对于普通玻璃必定有一定程度的削弱。所以在南方，单纯的ε值减小对节能作用不显著，如果能够用其它措施（如内、外遮阳）来降低太阳得热的话，可以不使用low-E玻璃来达到相同程度的节能效果。但如果要求较好的视野，例如商用建筑采用大面积的玻璃幕墙，low-E玻璃是很好的选择，在保证自然采光的同时可降低空调能耗。

2)室内热源的影响

在计算空调负荷时，省去了设备和照明负荷。但在实际应用中，如果采用的低透玻璃减小了太阳光进入房间的强度，使得房间内必须采用人工照明的情况，由于提供相同照度人工照明造成的负荷更大，可能会出现采用低透玻璃夏季空调负荷反而增大的情况。所以在确定低透的low-E玻璃的透过率时，要结合房间功能等因素综合考虑。

3)根据具体情况决定是否选用low-E玻璃窗

使用low-E玻璃窗，不一定符合夏季工况的要求，反之亦然。所以，在具体选用low-E窗户时，仅有U和SHGC这两个静态参数是不够的，应根据具体气候、建筑类型等因素综合考虑。对于气候较寒冷、全年以供暖流为主的地方，由于室内外温差大，以降低传热系数U为主；而对于气候炎热、太阳辐射强、全提以供冷为主的地方，可选择SHGC较低的low-E窗户种类和安装方

式。有条件的话，应进行全年负荷的模拟计算，选取用合适的U和SHGC的组合以及窗户的适当安装方式。

本次模拟的房间在结构上属于重型结构，其它结构和类型的建筑还没有进行模拟，这是下面有待进行的研究，以便分析不同建筑对窗户使用的不同要求。同时，本次模拟采用的空调系统是热泵式空调，这与我国大部分地区的供暖与供冷实际情况并不完全符合，这也有待于进一步研究改进。

符号U-总传热系数，W/（mm2/℃）Emis2-玻璃内表面长波热辐射发射率下标

R-热阻，mm2·℃/Wυ-室外风速，m/si-第i层玻璃的中心节点

T-温度，℃I-太阳入射强度，W/m2i,s1-第i层玻璃外表面节点

Q-热流量，W/m2希腊字母i,s2-第i层玻璃内表面节点

h-换热系数，W/(m2℃)λ-空气的导热系数，W/(m℃)c-对流换热

D-玻璃的厚度，mmω-空气层的厚度，mmr-辐射换热

K-玻璃的志热系数，W/(m℃)ρ-表面长波热辐射半球反射率k-玻璃层的导热

Tir-玻璃的长波热辐射透过率ε-表面长波热辐射半球反射率total-整个窗户

Tsol-玻璃的太阳透过率τ-总太阳透过率in-室内环境

Emis1-玻璃外表面长波热辐射发射率α-玻璃的太阳吸收率out-室外环境

参考文献

1)ArastehDK,ReillyMS,RubinMD."AversatileprocedureforcalculatingheattransferthroughWindows".ASHRAETransactions,1989,95,(2):755-765.

2)FinlaysonEU,ArastehDK,HuizengaC,etal.Window4.0:DocumentationofCalculationProcedures.1993,LBL.

3)张寅平.热镜膜的应用研究--热镜膜制备工艺探索及性能研究、半透明薄膜光学性能、热辐射性质及其测定方法研究：[博士学论文].合肥：中国科技大学，1991.

4)单寄平.空调负荷衫计算法.北京：中国建筑工业出版社，1989.