低輻射能玻璃窗的節(jié)能研究

1、低輻射能玻璃窗的節(jié)能研究        PRINCIPLES OF LOW-E WINDOWS AND THEIR ENERGY-SAVING EFFECT 摘要建立了低輻射能玻璃窗的物理傳熱模型，計算并分析反映窗戶性能的兩個參數：傳熱系數U和太陽得熱系數SHGC，著重討論了低輻射能玻璃窗的這兩個參數的特點和影響因素，找出了其節(jié)能的機理。通過負荷模擬，研究了低輻射能窗戶對空調能耗的影響，并在模擬結果的基礎上，對我國4種典型氣候下最適宜使用的低輻射能玻璃窗進行了分析。關鍵詞低輻射能窗；低輻射；節(jié)能Abstr

2、actA model of heat transfer through low-E windows is developed. The two most important performance parameters-overall heat transfer coefficient (U value) and Solar Heat Gain Coefficient (SHGC) are calculated and analyzed. The factors that influence the two parameters of low-E windows are discussed a

3、nd the mechanism of why low- E windows can save building energy is discussed. It also gives an example of the simulation of the impact of low-E windows on air-conditioning and heating energy cost in four typical climates in China. Based on the results of the simulation, the most eligible class of lo

4、w-E windows is proposed for each climate for the best energy saving effect.Keywordslow-emissivity windows; low-E; energy-saving 0 引言 減小空調和供暖系統(tǒng)能耗電量降低建筑能耗的重要途徑，而由于玻璃窗引起的空調供暖能耗在整個建筑能耗中占有相當大的比重，減小這部分能耗，是降低建筑能耗的一條行之有效的方法。在我國普遍采用的是單層或雙層普通玻璃窗，能大大降低窗戶的傳熱系數，從而減小由玻璃窗引起的建筑能耗。因此，研究低輻射能窗，并將其用于我國建筑，對于降低我國建筑能耗水平有著

5、重要意義。1 低輻射能玻璃簡介 低輻射能玻璃，即low-E玻璃，是利用真空沉積技術的在玻璃表面沉積一層低輻射涂層，一般由若干金屬或金屬氧化物薄層和襯底組成。普通玻璃的長波熱輻射發(fā)射率約為0.8左右，low-E玻璃長波熱輻射發(fā)射率最低可達到0.04，對長波熱輻射光譜有很強的反射作用。并可調整制造工藝制造出各種不同光學性能的產品，如對太陽光有不同透過率的高透過low-E玻璃、低透過low-E玻璃等，見表1。但一般來說，都對可見光透過率影響不大。表1 玻璃材料Table 1 Glass編號厚度D/mmTsolTirEmis1Emis2K高透30.60600.8400.0920.9低透30.35400

6、.8400.0920.9普通30.83400.8400.8400.9內Low-E30.60600.8400.0880.9外Low-E30.60600.0880.8400.92 低輻射能窗的傳熱原理2.1 窗的物理傳熱模型 在有太陽輻射的情況下，考慮有N層玻璃的窗戶，忽略通過窗框的傳熱與玻璃邊緣和窗框之間的傳熱，可以認為窗戶僅由N層玻璃和N-1個密閉空間組成。假設每層（如第i層）玻璃有3個節(jié)點：第i層的中心節(jié)點i、第i層的兩個表面節(jié)點i，s1和i，s2，如圖1。玻璃本身的熱容量不考慮。窗戶傳熱方式有：和室內外環(huán)境的輻射換熱、最外表面強迫對流換熱、最內表面自然對流換熱、玻璃層間的對流換熱和輻射換熱

7、、玻璃層內的導熱以及玻璃對太陽能的吸收。太陽光一部分直接透過窗戶進入室內，還有一部分是由各層玻璃的中心節(jié)點吸收太陽能量后，以點內熱源的形式向室內傳熱。玻璃窗熱性能用總傳熱系數U和太陽得熱系數SHGC（Solar Heat Gain Coefficient）來表征。 圖1 窗戶計算模型Fig.1 Schematics of the window2.2 傳熱系數U 窗戶的總傳熱系數U是指在單位溫差下通過單位面積窗戶所傳遞的熱量。因此，U就是上述窗戶有傳熱熱阻之和Rtota的倒數，即： （1） 由于對流、輻射傳熱的熱阻是溫度的函數，因此應首先通過求解各個節(jié)點的熱平衡方程來確定窗戶各層玻璃的溫度值。在

8、穩(wěn)態(tài)傳熱情況下，對任意節(jié)點，流入流出該節(jié)點的凈熱流量為零。對于有N層玻璃的窗戶，有N個中心節(jié)點和2N個表面節(jié)點。2.2.1 節(jié)點溫度的確定 第i層玻璃的中心節(jié)點熱平衡方程： （2） 式中，Ri-1、Ri+1分別為第i中心節(jié)點與第（i+1）中心節(jié)點之間、第i中心節(jié)點與第(i+1)中心節(jié)點之間的換熱熱阻，即玻琉層內的導熱、層間的對流換熱和輻射換熱的熱阻之和，它們分別為： （3） （4） 第i層玻璃兩個表面節(jié)點i,s1、i,s2的熱平衡方程： （5） （6） 溫度求解是一個迭代過程。首先設定N個中心節(jié)點溫度，解出2N個表面節(jié)點溫度，再以此求出熱阻和熱流，并解得下一步的中心節(jié)點溫度。重復此過程，直到求

9、出斂解。2.2.2 對流換熱 外表面的對流換熱系數是風速和風向的函數： 迎風情況下，若風速大于2m/s，hc,out=8.070.605 (7) 若風速小于2m/s，hc,out=12.27 (8) 背風情況下， hc,out=18.64(0.3+0.05)0.605 (9) 對垂直安裝的窗戶，內表面對流換熱系數是溫差的函數：hc,in=1.77(TN,s2-Tin)0.25 (10) 各個層流間對流換熱系數hc,i=×Nu/ i=1,N-1 (11) 對于Ra2×105 Nu=1+(0.0303Ra0.402)110.091 (12)2.2.3 輻射換熱 對N層玻璃組成的

10、具有2N個表面的系統(tǒng)，若各層間填充的氣體對長波熱輻射無吸收，則長波熱輻射能量在各層間傳遞的過程中沒有損失。對于第j與（j+1）層玻璃間的空氣層所對應的第（j,s2）和（j+1,s1）兩個玻璃表面，離開某個表面的凈長波熱輻射能量為： Qrj,s2=Sj,s2+j,s2Qrj+1,s1 (13) Qrj+1,s1=Sj+1,s1+j+1,s1Qrj,s2 (14) 其中， 。一般玻璃的長波熱輻射透過率為0，因而j,s2=1-j,s2 所以，窗戶的各輻射換熱熱阻為： 最外表面輻射換熱熱阻 （15） 最內表面輻射換熱熱阻 （16） 層間輻射換熱熱阻 （17） 窗戶的總熱阻Rtotal為： （18） 由

11、式（15）至（17），玻璃的輻射熱阻與其熱輻射表面的長波熱輻射半球發(fā)射率有關，越小，輻射熱阻越大，從而增大了窗戶總熱阻。同時，各層輻射熱阻與對流換熱熱阻并聯(lián)，因而減小對窗戶總熱阻的影響，也和與其并聯(lián)的對流換熱熱阻的大小有關，該對流換熱熱阻越小，增大總熱阻的程度也越小。因此，安裝窗時要考慮low-E面的安裝位置，使它位于對流換熱熱阻較大的表面。    2.3 太陽得熱系數SHGC的求解 來源于太陽輻射的室內得熱量一部分是直接透過窗戶進入室內的，還有一部分是各層玻璃吸收太陽能量后，作為一個獨立的小熱源，向室內放出的熱量。所以，SHGC可寫為： （19） 式中

12、，i是該層吸收的太陽能量向室內流入的比例，等于該玻璃層中心節(jié)點以外的總熱阻與整個窗戶總熱阻之比，為： （20） 所以，室內得熱量Q=U(Tout-Tin)+SHGC×I (21)3 窗戶傳熱性能分析 使用LBL1994年了出品的Window4.1軟件2，計算了幾種窗戶的性能參數并進行比較，所計算的窗戶包括單層和雙層的普通玻璃窗及l(fā)ow-E玻璃窗。所計算工況見表2，所使用的玻璃的物性說明見表1，所計算的窗戶種類及計算結果見表3。從計算結果可以分析得知下述結論。表2 模擬計算條件Table 2 The simulated conditions 編號工況描述A有太陽入射，垂直入射強度為78

13、3W/m2,室外溫度-17.8，室內溫度21.1，風速6.7m/s，迎風B有太陽入射，垂直入射強度為783W/m2,室外溫度31.7，室內溫度23.9，風速3.4m/s，迎風C計算U：無太陽，室外溫度-17.8，室內溫度21.0,風速6.7m/s,迎風。計算SHGC，垂直太陽入射強度為783W/m2，室外溫度31.7，室內溫度23.0，風速3.4m/s，迎風表3 窗戶種類和計算結果（U：W/（m2）;T: ） Table 3 The calculated value for the different windows 編號層數所用材料冬季工況夏季工況外層內層USHGCT1,s2USHGCT2,

14、S21a1普通6.290.85-6.55.850.8631.91b1內low-E3.860.63-7.43.270.6336.41c1外low-E6.120.64-4.75.510.6533.12a2普通普通2.820.7612.53.130.7632.42b2內low-E普通1.770.5716.61.820.5730.72c2普通外low-E1.760.6020.71.840.6134.32d2外low-E普通2.780.5611.63.010.5731.82e2普通內low-E1.870.5915.92.360.6043.23.1 低輻射涂層（low-E層）可以降低窗戶的傳熱系數 low

15、-E材料的應用能夠降低窗戶的傳熱系數U，結果見表3。如有l(wèi)ow-E層時U值最大可降低約50%，但low-E層位置不同，降低窗戶傳熱系數的作用不同。3.2 low-E層位置對傳熱系數有重要影響 從表3可以看出，對于單層玻璃窗，low-E層（=0.088）在室內側和在室外側時，其傳熱系數有很大差別。表3中所計算的窗戶，除low-E層位置不同外，其它參數均相同。在相同工況下，編號為1a、1b和1c的三種窗，1b的傳熱系數要比1c的低約 40%；而1a和1c的傳熱系數幾乎相同，即此時low-E幾乎沒有起到作用。對于雙層玻璃窗也具有同樣的情況。可見對U的影響與low-E面的位置有關。對單層玻璃窗，low

16、-E層的最佳位置是室內側；對雙層玻璃窗，low-E層的最佳位置則是中間空氣層的內或外側。3.3 、值和SHGC的影響 （是窗戶的low-E面的長波熱輻射發(fā)射率）和（是窗戶的法向總太陽透過率）對U和SHGC的影響與玻璃窗的結構、形式，即玻璃層數、low-E層的安裝位置等因素有關，下面探討在這些因素一定時，、對U和SHGC的影響。圖2和圖3分別為反映、與U和法向SHGC的關系的等值線圖，其中，窗戶的形式是表3中的2c（雙層窗l(fā)ow-E面中置），計算工況為表2中的工況C。 對U起決定性影響因素的是，值的變化改變了總熱阻中的輻射阻部分，從而達到了改變傳熱系數U的目的。值越小，輻射熱阻越大，U也越小。不

17、同值下，各玻璃層吸收的太陽能量不同，使得玻璃窗各節(jié)點的溫度分布不同，從而對應的U值不同，但對U的影響很小，如圖2示。 圖2 雙層窗U-、等值線Fig.2 The isoline for double window SHGC主要受影響，越大，SHGC相應越大，而對SHGC的影響主要在于改變了各層玻璃的熱阻，從而改變了各層所吸收的太陽能量中流入室內的比例。由圖3可以看出，SHGC基本上只與有關。圖3 以層窗SHGC-、的等值線Fig.3 The SHGC isoline for double window3.4 low-E層降低了熱負荷的波幅 圖4繪出了哈爾濱冬季某日逐時室內得熱量Q（計算式見21

18、），設室內溫度恒為20，進入室內熱量為正。由圖可見，使用low-E窗戶，一天的得熱量波動小于普通窗戶，可削弱室外環(huán)境變化對室內環(huán)境的影響，使得用于維持室內恒定舒適環(huán)境的能耗也相應降低。Low-E窗戶的傳熱系數U降低的同時，由于它本身材料的光學特性，SHGC也隨之降低，這對于冬季工況要求盡量利用太陽輻射能是矛盾的。有l(wèi)ow-E層玻璃窗白天雖然U值降低，但同時太陽得熱也降低。圖4中可以看到，有l(wèi)ow-E的雙層窗（2b）白天太陽得熱的降低值大于U值降低所減少的失熱量，因此白天時對太陽能利用效果不如沒有l(wèi)ow-E層的普通雙層玻璃窗（2a）；但單層玻璃窗（1b）則與雙層相反，這主要是因為對單層來說，U值的降低起主要作用。從全天效果來看，有l(wèi)ow-E層的窗戶還是比普通窗戶節(jié)能。 圖4 哈爾濱冬季某日室內逐時得熱量Fig.4 The solar gain in Harbin4 低輻射能玻璃對建筑全年能耗的影響 如前所述，U和SHGC只是反映在某一特定工況下的玻璃窗性能的靜態(tài)參數，而不能反映全年氣象條件波動下玻璃參數的變化以及這種變化對建筑能耗的影響。因此，要分析低輻射能窗對建筑能耗的影響，就應該對由玻璃引起的空調和供暖負荷進行全年模擬。用傳遞函數法進行負荷模擬一個例子，通過模擬來分析使用低輻射能玻璃的節(jié)能效果