低辐射能玻璃窗的节能研究

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

Abstract　　A 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 and 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 low-E windows is proposed for each climate for the best energy saving effect.

Keywords　　low-emissivity windows; 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

Table 1 Glass

编号 厚度D/mm Tsol Tir Emis1 Emis2 K
高透 3 0.606 0 0.840 0.092 0.9
低透 3 0.354 0 0.840 0.092 0.9
普通 3 0.834 0 0.840 0.840 0.9
内Low-E 3 0.606 0 0.840 0.088 0.9
外Low-E 3 0.606 0 0.088 0.840 0.9


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（Solar Heat Gain Coefficient）来表征。

　　


图1 窗户计算模型

Fig.1 Schematics of the window

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/ω 　　 i=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。

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