夏季門窗的太陽輻射熱

0評論員的越界對建筑熱舒適的內(nèi)在我國南方的夏季，窗戶對太陽輻射的吸收是影響室內(nèi)熱環(huán)境和空調(diào)能耗的主要因素。在北方寒冷的冬天，減少對太陽輻射的覆蓋，并通過窗戶進(jìn)入房間。它也是改善內(nèi)室內(nèi)熱舒適、減少供暖能耗的主要措施。因此,窗戶的遮陽系數(shù)成為建筑設(shè)計和節(jié)能研究中不可缺少的參數(shù),同時也是評價窗戶熱工性能的重要指標(biāo)。建筑遮陽有多種形式,建筑外遮陽包括建筑構(gòu)件遮陽、綠化遮陽、窗遮陽等;建筑內(nèi)遮陽包括各種窗簾,如百葉簾、席簾、布簾等;此外還有玻璃自身的遮陽(Low-e玻璃、鍍膜玻璃等)。建筑遮陽還可以根據(jù)遮陽板形式進(jìn)行分類:水平遮陽、豎直遮陽、綜合式遮陽、擋板式遮陽。選擇何種形式的遮陽需根據(jù)地區(qū)氣候特點、太陽高度角、緯度、遮陽日期、遮陽時間及朝向綜合考慮。1遮陽板外挑系數(shù)scw遮陽系數(shù)是判斷窗戶(包括窗玻璃、遮陽裝置)遮陽效果的一個參數(shù),由于遮陽系統(tǒng)本身非常復(fù)雜,并且遮陽系數(shù)是隨著太陽位置的改變而改變的,沒有一個固定值,因此所謂與節(jié)能有關(guān)的遮陽系數(shù)是一個等效值。運用于建筑節(jié)能計算的遮陽系數(shù)主要包括窗玻璃的遮陽系數(shù)、窗本身(包括框材、玻璃)的遮陽系數(shù)及外窗綜合遮陽系數(shù)等。1.1玻璃遮陽系數(shù)Se(遮蔽系數(shù))窗玻璃的遮陽系數(shù)是表征窗玻璃在無其他遮陽措施情況下對太陽輻射透射得熱的減弱程度。依據(jù)GB/T2680—94《建筑玻璃可見光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比、紫外線透射比及有關(guān)窗玻璃參數(shù)的測定》,遮陽系數(shù)定義為:在法向入射條件下,通過透光系統(tǒng)的太陽能總透射比與相同條件下相同面積的標(biāo)準(zhǔn)玻璃(3mm厚透明玻璃)的太陽能總透射比的比值。各種窗玻璃構(gòu)件對太陽輻射熱的遮陽系數(shù)用下式計算:式中g(shù)為試樣的太陽能總透射比,%;τs為3mm厚普通透明平板玻璃的太陽能總透射比,取88.9%。通過窗戶進(jìn)入室內(nèi)的熱量可以分為兩部分:一部分是由室內(nèi)外溫差造成的溫差傳熱,另外一部分是由太陽輻射造成的熱量傳遞。太陽輻射得熱量又可分為兩部分:一部分太陽輻射直接透過玻璃進(jìn)入室內(nèi)全部成為房間得熱量,另外一部分被玻璃吸收后通過輻射和對流方式傳入室內(nèi)。太陽能總透射比為通過玻璃進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射得熱量與投射到玻璃上的太陽輻射量的比值,用下式計算:式中τ為試樣的太陽能直接透射比,%;qi為試樣向室內(nèi)側(cè)的二次熱傳遞系數(shù),%。由于太陽輻射得熱量與陽光入射角有關(guān),因此,對于不同入射角,遮陽系數(shù)并不相同。為了便于比較,取法向入射條件下通過透光系統(tǒng)的太陽能總透射比進(jìn)行計算,因此對指定的玻璃,遮陽系數(shù)為定值。1.2窗戶遮陽系數(shù)Sc定義:在給定條件下,太陽輻射透過外窗所形成的室內(nèi)得熱量與相同條件下相同面積的標(biāo)準(zhǔn)窗玻璃(3mm厚透明玻璃)所形成的太陽輻射得熱量之比。普通窗本身的遮陽系數(shù)可近似地取窗玻璃的遮陽系數(shù)乘以窗玻璃面積除以整窗面積。整樘窗的太陽能總透射比計算公式:式中g(shù)t為整樘窗的太陽能總透射比;gg為窗玻璃(或其他鑲嵌板)區(qū)域太陽能總透射比;Ag為窗玻璃(或其他鑲嵌板)面積,m2;gf為窗框太陽能總透射比;Af為窗框面積,m2;At為窗面積,m2。JGJ/T151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的3mm厚透明玻璃的太陽能總透射比為0.87。整樘窗的遮陽系數(shù)按下式計算:1.3幕墻遮陽系數(shù)Scw單幅幕墻的太陽能總透射比gw應(yīng)按下式計算:式中g(shù)p為非透明面板的太陽能總透射比;Ap為非透明面板的面積,m2;A為幕墻的面積,m2。單幅幕墻的遮陽系數(shù)Scw應(yīng)按下式計算:1.4窗口的建筑外遮陽系數(shù)Sd建筑外遮陽系數(shù)是考慮固定外遮陽設(shè)施對進(jìn)入室內(nèi)太陽輻射得熱影響的平均折減系數(shù),與當(dāng)?shù)氐乩砦恢?、窗的方位等因素有關(guān),定義為:有建筑外遮陽時窗口外表面接受到的太陽輻射照度與在相同條件下沒有建筑外遮陽時窗口外表面接受到的太陽輻射照度的比值。建筑外遮陽系數(shù)計算需要先求出遮陽板外挑系數(shù)。對水平遮陽,遮陽板外挑系數(shù)是指玻璃窗面到遮陽板頂端的垂直距離與遮陽板頂端到窗口下端的垂直距離之比;對豎直遮陽,遮陽板外挑系數(shù)是指玻璃窗面到遮陽板頂端的垂直距離與兩端遮陽板距離之比,見圖1,圖中OPF為水平遮陽遮陽板外挑系數(shù),SPF為豎直遮陽遮陽板外挑系數(shù)。對各種遮陽板外挑系數(shù)的計算數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析可以得出:采用二元線性回歸方程,相關(guān)系數(shù)都較高(R2>0.988)。對水平遮陽對豎直遮陽式(7),(8)中a,b,c,d為回歸系數(shù)。因此,外遮陽系數(shù)的研究關(guān)鍵是得到回歸方程的系數(shù)。GB50189—2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的附錄A給出了建筑外遮陽系數(shù)的計算方法。1.5外窗的綜合遮陽系數(shù)Sw外窗的綜合遮陽系數(shù)是考慮窗本身和窗口的建筑外遮陽裝置綜合遮陽效果的一個系數(shù),其值為窗戶的遮陽系數(shù)Sc與窗口的建筑外遮陽系數(shù)Sd的乘積。1.6平均綜合遮陽系數(shù)建筑某個朝向外窗的平均綜合遮陽系數(shù)為該朝向各個外窗的綜合遮陽系數(shù)按各自窗面積的加權(quán)平均值,即式中Ai為第i個窗的面積;Sw,i為第i個窗的綜合遮陽系數(shù)。1.7遮陽產(chǎn)品綜合遮陽系數(shù)JGJ/T281—2010《建筑遮陽產(chǎn)品隔熱性能試驗方法》提出遮陽產(chǎn)品綜合遮陽系數(shù)Scsg,定義為在規(guī)定的測試工況下,測試的遮陽產(chǎn)品和3mm厚透明平板玻璃的組合得熱量與基準(zhǔn)得熱量的比值,用以反映遮陽產(chǎn)品阻隔輻射得熱和溫差傳熱的能力。此外,EN14501:2005Blindsandshutters—thermalandvisualcomfort—performancecharacteristicsandclassification給出遮陽裝置影響室內(nèi)熱環(huán)境有3個參數(shù),包括太陽能總透射比、遮陽引起的向室內(nèi)二次熱傳遞系數(shù)、太陽直射輻射透過比等。2計算方法測試2.1檢測光譜反射比的程序在以上7種類型的遮陽系數(shù)中,玻璃遮陽系數(shù)是基本參數(shù),試驗采用分光光度計,波長范圍包括:紫外區(qū)280~380nm,可見區(qū)380~780nm,太陽光區(qū)350~1800nm,遠(yuǎn)紅外區(qū)4.5~25μm。測定光譜反射比時,配有鏡面反射裝置。照明和探測的幾何條件:光譜透射比和反射比測定中,照明光束的光軸與試樣表面法線的夾角不超過10°,照明光束中任一光線與光軸的夾角不超過5°。單片玻璃的太陽光直接透射比τs應(yīng)按下式計算:式中τ(λ)為玻璃透射比的光譜;λ為波長;S(λ)為標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜。單片玻璃的太陽光直接反射比ρs應(yīng)按下式計算:式中ρ(λ)為玻璃反射比的光譜。單片玻璃的太陽光總透射比g按下式計算:式中αs為單片玻璃的太陽光直接吸收比,αs=1-τs-ρs;hin為玻璃內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K);hout為玻璃外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K)。單片玻璃的遮陽系數(shù)Se按下式計算:2.2熱室空氣溫度測試JGJ/T281—2010《建筑遮陽產(chǎn)品隔熱性能試驗方法》提出采用人工光源試驗方法測試遮陽產(chǎn)品綜合遮陽系數(shù)。試驗裝置主要由冷室、熱室、防護室、光源和控溫系統(tǒng)五部分組成,如圖2所示。冷室空氣溫度設(shè)定為(26±0.5)℃,安裝3mm厚透明玻璃,熱室空氣溫度設(shè)定為(35.0±1.0)℃。光源采用長弧氙燈(無遮陽時到達(dá)熱室側(cè)3mm厚標(biāo)準(zhǔn)透明平板玻璃表面的輻射照度不低于800W/m2),放置于熱室內(nèi),開啟光源,測試?yán)涫?、熱室與防護室內(nèi)的環(huán)境參數(shù),計算基準(zhǔn)得熱量。然后安裝遮陽試件,再測冷室、熱室與防護室內(nèi)環(huán)境參數(shù),計算組合得熱量。遮陽產(chǎn)品在測試工況下的綜合遮陽系數(shù)按下式計算:其中式(16),(17)中q1為單位時間進(jìn)入無遮陽產(chǎn)品的測試?yán)涫业膬魺崃?W;F為窗洞面積,m2;q2為單位時間進(jìn)入有遮陽產(chǎn)品的測試?yán)涫业膬魺崃?W。遮陽產(chǎn)品的隔熱性能還可以采用自然光源測試方法測試。2.3太陽輻射傳感器測量所測所測測試系統(tǒng)如圖3所示。由于采用計算機控制技術(shù),整個檢測過程全部自動進(jìn)行,由環(huán)境溫度傳感器(含防輻射裝置)測量室外空氣溫度和恒溫計量箱內(nèi)環(huán)境溫度,太陽輻射傳感器測量天空總輻射及窗系統(tǒng)接收到的總垂直太陽輻射照度。采用自動跟蹤直接輻射傳感器測量玻璃對陽光入設(shè)角為0°的太陽直接輻射的透過比和吸收比。溫度傳感器測量計量箱內(nèi)表面及窗玻璃的溫度,熱流傳感器測量計量箱內(nèi)外表面及窗玻璃的熱流量,風(fēng)速風(fēng)向傳感器測量室外環(huán)境的風(fēng)速風(fēng)向,電量傳感器測量恒溫計量箱內(nèi)控溫系統(tǒng)的用電量,由遮陽系數(shù)測試系統(tǒng)主機對各路傳感器信號進(jìn)行采集、計算、存儲、顯示。3分析與應(yīng)用3.1產(chǎn)品自身約束神經(jīng)原素通過以上分析可以看到,遮陽系數(shù)有兩大類,一類為評價玻璃、窗及遮陽產(chǎn)品自身遮陽性能的遮陽系數(shù),其太陽輻射均為法向透過;另一類為評價遮陽效果的遮陽系數(shù),如外遮陽系數(shù)等,其太陽輻射考慮的是太陽實際運行規(guī)律。各種遮陽系數(shù)的使用與比較見表1。3.23玻璃遮蔽性的測定在計算遮陽系數(shù)時,JGJ/T151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的3mm厚透明玻璃的太陽能總透射比為0.87,與GB/T2680—94《建筑玻璃可見光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比、紫外線透射比及有關(guān)窗玻璃參數(shù)的測定》中有關(guān)遮蔽系數(shù)的規(guī)定“3mm透明玻璃的太陽能總透射比為0.889”有所不同。JGJ/T151—2008選用0.87主要是為了與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌,使得我國的玻璃遮陽系數(shù)與國際上慣用的遮陽系數(shù)一致,不至于在工程中引起混淆。按照標(biāo)準(zhǔn)使用優(yōu)先原則,目前3mm厚透明玻璃的太陽能總透射比應(yīng)采用JGJ/T151—2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.87。3.3發(fā)展趨勢:最低的玻璃輻射率對于不能測定遠(yuǎn)紅外數(shù)據(jù)的建筑玻璃可見光透射比測試系統(tǒng),在測定半球輻射率時籠統(tǒng)地采用0.83或GB/T2680—94中給出的幾個理論值,而目前常用的Low-e玻璃,半球輻射率一般為0.05~0.25,在GB/T2680—94中無法找到對應(yīng)的理論值。對于玻璃吸收太陽輻射升溫向室內(nèi)的傳熱必須用遠(yuǎn)紅外光譜儀測試的光譜曲線才能得到準(zhǔn)確的計算結(jié)果,所以用不具備測定遠(yuǎn)紅外數(shù)據(jù)的分光光度計測試玻璃遮陽系數(shù)是不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的。3.4建筑外窗形式的確定工程中一般提供的是玻璃遮陽系數(shù)檢測報告,而節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)給出的設(shè)計要求為建筑外窗的綜合遮陽系數(shù)。如前文所述,要對遮陽系數(shù)是否滿足節(jié)能設(shè)計要求進(jìn)行判定,需要知道建筑外窗形式,通過簡易計算或程序計算得到外窗的遮陽系數(shù),還要提供建筑外遮陽裝置形式,以便計算建筑外遮陽系數(shù),將建筑外遮陽系數(shù)乘以外窗的遮陽系數(shù)得到建筑外窗的綜合遮陽系數(shù),才能對設(shè)計是否符合節(jié)能要求進(jìn)行判定。3.5陽輻射直接透射+吸收太陽能c國際上普遍使用太陽輻射得熱因子(SHGC)評價玻璃遮陽性能,SHGC為太陽輻射直接透射及吸收后傳向室內(nèi)的輻射得熱與表面接收到的太陽輻射熱之比,與我國的太陽能總透射比含義相同。我國目前還習(xí)慣使用遮陽系數(shù)Sc。在太陽光垂直入射條件下,遮陽系數(shù)Sc為SHGC與3mm厚普通玻璃的SHGC之比。3.6試驗條件JGJ/T151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》規(guī)定遮陽系數(shù)的計算應(yīng)采用夏季標(biāo)準(zhǔn)計算條件:室內(nèi)空氣溫度25℃,室外空氣溫度30℃,太陽輻射照度500W/m2。與ISO15099《Windowsanddoors—thermaltransmissionproperties—det