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文檔簡介

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(shù):傳熱系數(shù)U和太陽得熱系數(shù)SHGC,著重討論了低輻射能玻璃窗的這兩個參數(shù)的特點和影響因素,找出了其節(jié)能的機(jī)理。通過負(fù)荷模擬,研究了低輻射能窗戶對空調(diào)能耗的影響,并在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)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(jìn)行了分析。關(guān)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(diào)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(diào)供暖能耗在整個建筑能耗中占有相當(dāng)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(shù),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(shù)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(dá)到0.04,對長波熱輻射光譜有很強(qiáng)的反射作用。并可調(diào)整制造工藝制造出各種不同光學(xué)性能的產(chǎn)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(nèi)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(rèn)為窗戶僅由N層玻璃和N-1個密閉空間組成。假設(shè)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(nèi)外環(huán)境的輻射換熱、最外表面強(qiáng)迫對流換熱、最內(nèi)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(nèi)的導(dǎo)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(jìn)入室內(nèi),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(nèi)熱源的形式向室內(nèi)傳熱。玻璃窗熱性能用總傳熱系數(shù)U和太陽得熱系數(shù)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(shù)U 窗戶的總傳熱系數(shù)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(shù),即: (1) 由于對流、輻射傳熱的熱阻是溫度的函數(shù),因此應(yīng)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(nèi)的導(dǎo)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(shè)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(fù)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(shù)是風(fēng)速和風(fēng)向的函數(shù): 迎風(fēng)情況下,若風(fēng)速大于2m/s,hc,out=8.070.605 (7) 若風(fēng)速小于2m/s,hc,out=12.27 (8) 背風(fēng)情況下, hc,out=18.64(0.3+0.05)0.605 (9) 對垂直安裝的窗戶,內(nèi)表面對流換熱系數(shù)是溫差的函數(shù):hc,in=1.77(TN,s2-Tin)0.25 (10) 各個層流間對流換熱系數(shù)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(yīng)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(nèi)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(guān),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(guān),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(shù)SHGC的求解 來源于太陽輻射的室內(nèi)得熱量一部分是直接透過窗戶進(jìn)入室內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(shù)并進(jìn)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(jié)果見表3。從計算結(jié)果可以分析得知下述結(jié)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(qiáng)度為78

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

14、S21a1普通6.290.85-6.55.850.8631.91b1內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(shù) low

15、-E材料的應(yīng)用能夠降低窗戶的傳熱系數(shù)U,結(jié)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(shù)的作用不同。3.2 low-E層位置對傳熱系數(shù)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(nèi)側(cè)和在室外側(cè)時,其傳熱系數(shù)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(shù)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(shù)要比1c的低約 40%;而1a和1c的傳熱系數(shù)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??梢妼的影響與low-E面的位置有關(guān)。對單層玻璃窗,low

16、-E層的最佳位置是室內(nèi)側(cè);對雙層玻璃窗,low-E層的最佳位置則是中間空氣層的內(nèi)或外側(cè)。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(jié)構(gòu)、形式,即玻璃層數(shù)、low-E層的安裝位置等因素有關(guān),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(guān)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(dá)到了改變傳熱系數(shù)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(yīng)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(yīng)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(nèi)的比例。由圖3可以看出,SHGC基本上只與有關(guān)。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(fù)荷的波幅 圖4繪出了哈爾濱冬季某日逐時室內(nèi)得熱量Q(計算式見21

18、),設(shè)室內(nèi)溫度恒為20,進(jìn)入室內(nèi)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(nèi)環(huán)境的影響,使得用于維持室內(nèi)恒定舒適環(huán)境的能耗也相應(yīng)降低。Low-E窗戶的傳熱系數(shù)U降低的同時,由于它本身材料的光學(xué)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(nèi)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(shù),而不能反映全年氣象條件波動下玻璃參數(shù)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(yīng)該對由玻璃引起的空

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