窗戶太陽得熱對嚴(yán)寒地區(qū)采暖能耗影響的研究

1、窗戶太陽得熱對嚴(yán)寒地區(qū)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(yán)寒地區(qū)采暖能耗的顯著影響，提出把太陽得熱系數(shù)作為評價窗戶熱工性能的一個重要指標(biāo)，與窗戶的傳熱系數(shù)相結(jié)合，指導(dǎo)窗戶的節(jié)能設(shè)計。研究同時說明，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(guān)鍵詞太陽得熱系數(shù)SHG，窗戶能耗，節(jié)能百分比HR一、前言窗戶是建筑必不可少的組成局部，也是建筑外圍護構(gòu)造保溫性能最薄弱的部位，因此，窗戶作為建筑節(jié)能的打破口，在建筑節(jié)能設(shè)計中占有重要地位。近十年來新技術(shù)、新工藝的出現(xiàn)，使窗戶構(gòu)造擺脫了單一的鋼木和傳統(tǒng)的平板玻璃，涌現(xiàn)出鋁合金斷熱框，塑鋼框，低輻射鍍膜L-

2、e玻璃和中空窗等各種新型材料和構(gòu)造。這為降低窗戶能耗提供了根底，同時也使窗戶熱工參數(shù)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(shù)來評價窗戶熱工性能的優(yōu)劣。隨著各種節(jié)能窗戶的出現(xiàn)，窗戶的太陽得熱系數(shù)出現(xiàn)很大差異，并顯著影響窗戶的熱工性能。我國嚴(yán)寒地區(qū)冬季氣溫低，時間長，采暖度日數(shù)較大，但冬季日照時間也相對較長，日照百分率比擬高，故在建筑中應(yīng)充分利用太陽能量，特別是南向窗戶的太陽輻射。這對于節(jié)約采暖能耗，進步熱舒適程度，增進人民安康具有重大意義。二、窗戶的傳熱形式及太陽得熱系數(shù)的定義窗戶的得熱和失熱形式包括：太陽得熱、熱交換和空氣浸透，相對于這些形式各有對應(yīng)的評價參數(shù)，

3、即太陽得熱系數(shù)SHG、整窗傳熱系數(shù)U和空氣浸透率L。太陽得熱系數(shù)SHG定義為透過窗戶進入室內(nèi)的太陽能量與入射到窗戶外外表的太陽能量的比值。透過窗戶的太陽能量包括：直接透過窗戶進入室內(nèi)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(nèi)的熱量。SHG的理論值為0到1，實際值約在0.15到0.80之間，該值越小，一樣條件下，窗戶的太陽輻射得熱就越少。三、窗戶熱工參數(shù)計算選取有代表性的9種窗戶，利用IND4.12專業(yè)窗戶計算軟件分別計算出它們的整窗傳熱系數(shù)U和太陽得熱系數(shù)SHG。U值的計算條件：室外氣溫-18，室內(nèi)溫度21；風(fēng)速6.7/s；無陽光。SHG的計算條件：室外氣溫-32，室內(nèi)溫

4、度24；風(fēng)速3.4/s；太陽直射783/2。玻璃厚度為6毫米.。中空窗構(gòu)造：6玻璃+12枯燥空氣層+6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(jié)果見表1?？梢钥吹剑皯艟幪枏?至8，窗戶傳熱系數(shù)U依次降低。四、嚴(yán)寒地區(qū)供暖季窗戶能耗計算1選擇有代表性的嚴(yán)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(shù)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(shù)窗戶編號玻璃類型窗框U/2kSHG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3.700.6

5、43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(fā)射率。2設(shè)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(shè)置的情況下，利用RESFEN3.13軟件分別計算出對應(yīng)于不同城市氣象參數(shù)和不同窗戶熱工參數(shù)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(shù)、傳熱系數(shù)和逐時的氣象

6、參數(shù)，而其它參數(shù)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(shù)據(jù)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(zhǔn)，記為H，其它窗戶能耗為Hn，定義HR為其他空戶相對于基準(zhǔn)窗的節(jié)能百分比；HR=H-Hn/H100%HR代表了節(jié)能效果，HR越大，節(jié)能效果越好，節(jié)能效果最好的窗戶定義為1級僅限于所選的窗戶范圍內(nèi)。五、計算結(jié)果及分析1窗記太陽得熱系數(shù)顯著影響窗戶能耗穩(wěn)態(tài)的窗戶能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-空氣浸透熱損失=HtFiSHG-Ti-TU-Ti-TLP/A其中：Ht

7、：供暖季平均太陽輻射強度/2；Fi：入射角修正系數(shù)；SHG：窗戶的太陽得熱系數(shù)垂直入射條件下；U：窗戶傳熱系數(shù)/2/KTi：室內(nèi)溫度T：室外平均溫度L：空氣浸透率3/SA：窗戶面積P：空氣熱容1200J/3/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，假如HtFi大于Ti-T，那么太陽得熱系數(shù)的權(quán)系數(shù)就大于窗戶傳熱系數(shù)的權(quán)系數(shù)，實際情況也往往是這樣故太陽得熱系數(shù)可以顯著影響窗戶能耗。哈爾濱窗戶節(jié)能效果和傳熱系數(shù)對照表表2窗戶編號12345678U/2K4.843.702.782.772.592.011.871.70HR(%)3151636460788179節(jié)能等級87

8、546312以哈爾濱為例，從表2我們可以看到，在這8類窗戶中基準(zhǔn)窗不計傳熱系數(shù)U最小的并非節(jié)能效果最好，窗戶的節(jié)能效果并非隨著傳熱系數(shù)U的降低而進步。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(shù)和窗戶傳熱系數(shù)是設(shè)計與選擇窗戶的關(guān)鍵。圖1各類型窗戶對應(yīng)的節(jié)能百分比2、南向窗戶的太陽輻射得熱相當(dāng)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到達最正確的效果，這是因為它不僅具有低傳熱系數(shù)U=1.87/2K，還具有較高的太陽得熱系數(shù)SHG=0.52。與此同時，編號為8的窗戶雖然具有更低的傳熱系數(shù)U=1.

9、70/2K，但由于其太陽得熱系數(shù)較低SHG=0.42，用于南向窗戶時，反而不比編號為7的窗戶節(jié)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，因此在朝南窗戶中使用太陽得熱系數(shù)較大而傳熱系數(shù)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就能到達較好的節(jié)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(yōu)勢不如前兩個城市，這時，對窗戶傳熱系數(shù)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(shù)的低輻射鍍膜玻璃窗7，節(jié)能效果就比擬明顯。另外，高反射率低太陽透射率的彩色鍍膜玻璃不適用于

10、嚴(yán)寒地區(qū)。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(shù)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30294049434743544541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的窗戶能耗根本相當(dāng)，可以根據(jù)實際情況合理選用。圖3呼和浩特南北窗傳熱量比照六、總結(jié)1應(yīng)該引入太陽得熱系數(shù)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(shù)了是影響窗戶能耗的重要因素。這點，應(yīng)該引起門窗消費廠家和研究設(shè)計人員的關(guān)注。目前我國窗戶行業(yè)對窗戶的太陽得熱性能

11、還不是很重視，門窗檢測對窗戶熱工性能的標(biāo)定也只限于窗戶的傳熱系數(shù)。2低傳熱系數(shù)的窗戶并不一定最節(jié)能對于嚴(yán)寒地區(qū)，盲目選用低傳熱系數(shù)同時也是低太陽得熱系數(shù)的窗戶，將造成資金和能源的浪費。反之，把窗戶的傳熱系數(shù)和太陽得熱系數(shù)綜合起來考慮，才能選擇一個真正合適該地區(qū)的具有優(yōu)越熱工性能的窗戶。3合理利用太陽能特別是南向窗戶的太陽輻射有利于節(jié)約能源窗戶的太陽得熱對于嚴(yán)寒地區(qū)窗戶能耗有顯著影響，合理利用窗戶的太陽得熱，特別是南向窗戶的太陽輻射，有利于節(jié)約采暖能耗，節(jié)省開支?？傊皯舻臒峁ぴO(shè)計不應(yīng)該只是被動設(shè)防，而要參加主動利用能源的設(shè)計思想。為了減少嚴(yán)寒地區(qū)采暖供熱的熱損失和能源消耗，應(yīng)充分利用太陽能，在進展窗戶節(jié)能設(shè)計時不但要重視其傳熱系數(shù)，