從上世紀(jì)八十年代國家推行“三步節(jié)能”以來，“節(jié)能”成為建筑行業(yè)最高頻的詞之一。據(jù)統(tǒng)計(jì),各項(xiàng)建筑能源消耗占社會(huì)總能耗的三分之一左右，建筑部件中門窗相對(duì)墻體、屋面和地面其他三大圍護(hù)結(jié)構(gòu)來說絕熱性能最差，門窗的能耗約占建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)總能耗的40%~50%，較高門窗能耗不利于我國能源走可持續(xù)發(fā)展道路，近年來國家標(biāo)準(zhǔn)、地方政策都提高了節(jié)能要求，門窗行業(yè)一直致力于節(jié)能門窗的設(shè)計(jì)研發(fā)工作。
自然界中熱量的傳遞有三種形式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。由于玻璃是透明材料，其涉及的傳熱形式最多，通過玻璃的傳熱除上述三種形式外還有太陽能（詞條“太陽能”由行業(yè)大百科提供）量以光輻射形式的直接透過。衡量通過玻璃進(jìn)行能量傳播的主要指標(biāo)有可見光透射比Tv，傳熱系數(shù)（詞條“傳熱系數(shù)”由行業(yè)大百科提供）U值(或K值)，太陽能總透射比SHGC值，太陽紅外熱能總透射比gIR，如圖1所示。
圖1
可見光透射比Tv：是對(duì)于玻璃窗最基本的功能“采光”來說，也就是玻璃對(duì)可見光的透過能力，以可見光透射比Tv來衡量。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》對(duì)可見光透射比定義為，采用人眼視見函數(shù)進(jìn)行加權(quán)，標(biāo)準(zhǔn)光源透過玻璃、門窗或玻璃幕墻成為室內(nèi)的可見光通量與投射到玻璃、門窗或玻璃幕墻上的可見光通量的比值�？梢姽馔干浔仍酱螅覂�(nèi)采光效果越好。
傳熱系數(shù)U值(或K值)：對(duì)于玻璃窗第二大功能“保溫”來說，也就是阻隔溫差傳熱的能力，以傳熱系數(shù)U值衡量。傳熱系數(shù)越小，保溫性能越好。
太陽能總透射比SHGC：玻璃窗的第三大功能“隔熱”，也就是玻璃阻擋太陽輻射熱的能力。在歐洲，SHGC又被稱為太陽能總透射率(Total Solar Energy Transmittance)、太陽能因子(solar factor)或g值(g-value)。太陽光總透射比（詞條“太陽光總透射比”由行業(yè)大百科提供）SHGC值定義為：在300~2500nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，通過玻璃門窗或玻璃幕墻成為室內(nèi)得熱量的太陽輻射部分，與投射到玻璃、門窗或玻璃幕墻構(gòu)件上的太陽輻射照度的比值。成為室內(nèi)得熱量的太陽輻射部分包括：太陽輻射通過輻射透射的得熱量，太陽輻射被構(gòu)件吸收再傳入室內(nèi)的得熱量(二次傳熱)。太陽能總透射比近乎完整地表征了玻璃的得熱能力，太陽能總透射比越小，隔熱性能越好。
太陽紅外熱能總透射比gIR：在780nm～2500nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的太陽能總透射比，不考慮可見光范圍的透射及吸收情況，所以其表征玻璃的得熱能力有一定局限性。gIR值越小，玻璃阻擋太陽輻射熱的能力越強(qiáng)。目前降低gIR值的技術(shù)是采用隔熱涂膜（詞條“涂膜”由行業(yè)大百科提供）玻璃，隔熱涂膜玻璃在可見光380~780nm波段范圍內(nèi)，具有較高的透射率及較低的反射率，在紅外780~2500nm波段范圍內(nèi)，具有極低的透射率及較高的反射率，這樣既可以保證較好的采光效果，又可以達(dá)到隔熱保溫的目的，但因其限制太陽輻射的局限性及本身技術(shù)不夠成熟應(yīng)用很少，所以在此不再詳述。
在夏季或者熱帶氣候地區(qū)，室外的熱量通過門窗傳導(dǎo)入室內(nèi)主要通過以下兩個(gè)途徑：a.熱傳遞(通過室內(nèi)外溫差實(shí)現(xiàn));b.太陽得熱(通過太陽輻射實(shí)現(xiàn))。我們通過影響這兩條途徑來達(dá)到節(jié)能的目的，影響熱傳遞是為了保溫，影響太陽得熱是為了隔熱。保溫效果通過U值來衡量，而隔熱效果通過SHGC來衡量。
本文中筆者選取了三樘窗，分別是40系列普鋁窗、65系列隔熱斷橋鋁窗配24mm寬聚酰胺型材、91系列隔熱斷橋鋁窗配54mm寬聚酰胺型材，用THERM及WINDOW軟件來模擬對(duì)比三樘U值及SHGC值(計(jì)算邊界條件和計(jì)算方法參考JGJ/T 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》)，由于篇幅限制只展示了典型的框扇組合部分窗框的節(jié)點(diǎn)（詞條“節(jié)點(diǎn)”由行業(yè)大百科提供），立面圖及節(jié)點(diǎn)圖（詞條“節(jié)點(diǎn)圖”由行業(yè)大百科提供）如圖2所示。
圖2
1. U值
1.1、 U值概念
U值定義：熱透過比[W/(㎡.K)]，即在穩(wěn)態(tài)(熱傳遞時(shí)沒有溫度變化，無熱量存儲(chǔ))傳熱條件下，兩側(cè)環(huán)境溫度差為1K時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積門窗或玻璃幕墻的熱量。從定義可以看出U值取決于標(biāo)準(zhǔn)中定義的環(huán)境條件，在自然條件下不存在穩(wěn)態(tài)傳熱條件，所以U值是為了產(chǎn)品評(píng)級(jí)而人為定義的量，不存在自然條件下的U值。美國NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系適用于門窗系統(tǒng)計(jì)算，使用數(shù)值計(jì)算法，可以計(jì)算玻璃和窗框各自U值，使用計(jì)算公式(1)。玻璃的U值計(jì)算是標(biāo)準(zhǔn)的一部分，可以用計(jì)算軟件WINDOW進(jìn)行相關(guān)計(jì)算;窗框的傳熱是二維問題，無法求解析解，需要用數(shù)值法求解每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度和熱流量，可以用國際通用的THERM軟件來計(jì)算。
1.2、 玻璃U值
ISO 10292-1994《建筑玻璃多層玻璃窗穩(wěn)態(tài)u-值(傳熱系數(shù))的計(jì)算》適用于玻璃U值計(jì)算，并未具體計(jì)算熱流量和溫度分布，使用計(jì)算公式(4)。
基爾霍夫定律(熱輻射定律)：任意物體在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下發(fā)射和吸收熱輻射時(shí)，物體的吸收比等于它的發(fā)射比。對(duì)不透明物體：吸收比+反射比=1。對(duì)黑體：黑體吸收所有入射輻射，并發(fā)射所有輻射，吸收比=發(fā)射比= 1，反射比=0。
發(fā)射比也常稱為發(fā)射率，是物體熱輻射與黑體熱輻射之比。普通物體的發(fā)射比低于理想黑體，在0和1之間。降低室內(nèi)表面發(fā)射比ε最常見的方式就是在室內(nèi)側(cè)采用Low-e鍍膜減少輻射傳熱，Low-e鍍膜發(fā)射較少輻射，吸收較少輻射，反射更多輻射。
筆者用WINDOW軟件模擬計(jì)算了幾款玻璃的U值和SHGC值(如表1)，綜合上文所述可得結(jié)論：a.降低單片玻璃U值：要增大玻璃系統(tǒng)熱阻（詞條“熱阻”由行業(yè)大百科提供）R，需要通過增加玻璃厚度或者采用夾膠玻璃，但都影響都很小;有效措施是增大室內(nèi)表面熱阻 ，需要在室內(nèi)側(cè)鍍硬Low-e膜(在線鍍膜)。
b.降低中空玻璃U值：要增大玻璃系統(tǒng)熱阻R，可以增加玻璃厚度(影響很小)、適當(dāng)增加中空層厚度(降低傳導(dǎo)，增大熱阻)、在中空層填充惰性氣體(降低對(duì)流和輻射傳熱)、在中空層內(nèi)一側(cè)玻璃表面鍍軟Low-e膜(離線鍍膜，膜的位置幾乎不影響U值);也可以在室內(nèi)側(cè)鍍硬Low-e膜(在線鍍膜)增大室內(nèi)表面熱阻 ，但一般不與離線鍍軟Low-e膜同時(shí)使用。
1.3、 窗框U值
大多數(shù)玻璃U值的概念也適用于窗框，理論上通過鍍Low-e膜來降低室內(nèi)表面發(fā)射比ε對(duì)于降低窗框U值同樣有效，但工藝和耐久性（詞條“耐久性”由行業(yè)大百科提供）是目前不能解決的難題，所以我們著意于增大窗框系統(tǒng)的熱阻�？梢詮膫鳠釋W(xué)原理采取相應(yīng)措施：a.降低傳導(dǎo)：采用斷橋鋁來代替普鋁，增加隔熱條長(zhǎng)度;b.降低對(duì)流和輻射：在隔熱腔增加尼龍隔板或者填充發(fā)泡、采用長(zhǎng)尾膠條等。
圖3 普鋁40系列
圖4 隔熱斷橋65-24系列
圖5 隔熱斷橋91-54系列
1.4、 整窗U值
2. SHGC值
2.1、 SHGC值概念
GB50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》、JGJ26-2010《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、JGJ134-2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)（詞條“建筑節(jié)能設(shè)計(jì)”由行業(yè)大百科提供）標(biāo)準(zhǔn)》、JGJ 75-2012《夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中，對(duì)于建筑立面（詞條“建筑立面”由行業(yè)大百科提供），不同的窗墻比的玻璃材料，都有遮陽系數(shù)Sc或者太陽得熱系數(shù)SHGC的具體參數(shù)限制。SHGC可以直接計(jì)算或測(cè)量,遮陽系數(shù)Sc無法直接計(jì)算或測(cè)量，只可以從SHGC換算。遮陽系數(shù)Sc起初是作為一個(gè)單一數(shù)值來比較玻璃對(duì)太陽得熱的控制能力，簡(jiǎn)單但不夠精確。Sc只定義了窗戶玻璃這部分的太陽得熱能力(Scg)，整窗遮陽系數(shù)Scw是以玻璃Scg乘以玻窗比來計(jì)算，也就是忽略了窗框的影響。Sc還可以用來表征一定范圍太陽方位角下玻璃的太陽得熱性能，但是當(dāng)太陽入射角較大時(shí)，精度（詞條“精度”由行業(yè)大百科提供）上就得不到滿足。美國已經(jīng)廢除了遮陽系數(shù)這個(gè)概念。目前國內(nèi)普遍采用SHGC值來進(jìn)行建筑能耗（詞條“建筑能耗”由行業(yè)大百科提供）分析, 國內(nèi)2015版GB50189《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中，外窗的Sc值也由SHGC值替換了，兩者關(guān)系如公式(10)，0.87是3mm透明玻璃的SHGC。
在自然條件下，太陽輻射包括直接輻射和漫射輻射，直接輻射相對(duì)于玻璃表面有一定角度，而且角度隨時(shí)間變化。SHGC也是基于理想化的環(huán)境條件，在SHGC的定義中，僅考慮直接太陽輻射，并且太陽輻射方向和玻璃表面垂直。美國NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系中SHGC標(biāo)準(zhǔn)用于門窗系統(tǒng)評(píng)級(jí)，玻璃的SHGC計(jì)算是標(biāo)準(zhǔn)的一部分，使用數(shù)值計(jì)算法求解每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度和熱流量，太陽照度被定義為783 W/㎡，可用WINDOW軟件直接計(jì)算玻璃的SHGC值，使用計(jì)算公式(11)。
玻璃的SHGC值增大時(shí)，意味著可以有更多的太陽直射熱量進(jìn)入室內(nèi);減小時(shí)，則將更多的太陽直射熱量阻擋在室外。SHGC值對(duì)節(jié)能效果的影響，是與建筑物所處的不同氣候條件相聯(lián)系的。在炎熱氣候條件下，應(yīng)該減少太陽輻射熱量對(duì)室內(nèi)溫度的影響，此時(shí)需要玻璃具有相對(duì)低的SHGC值。而在寒冷氣候條件下，應(yīng)充分利用太陽輻射熱量來提高室內(nèi)的溫度，此時(shí)需要高SHGC值的玻璃。
圖6
根據(jù)圖6，我們從太陽得熱原理來分析，太陽得熱Q應(yīng)該包括直接透射得熱和二次得熱，如公式(12)
ISO 9050-2003《建筑玻璃.光透率、日光直射率、太陽能總透射率及紫外線透射率及有關(guān)光澤系數(shù)的測(cè)定》僅適用于玻璃SHGC評(píng)級(jí)，使用解析法，并未具體計(jì)算溫度分布，不需要知道太陽照度，使用計(jì)算公式(13)。太陽能透射比 和反射比 是光學(xué)性質(zhì)，只有熱輻射，沒有對(duì)流和傳導(dǎo)。內(nèi)流分?jǐn)?shù)N是一個(gè)熱學(xué)性質(zhì)，同時(shí)有輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)。綜上，SHGC的二次得熱原理和U值的傳熱原理幾乎一樣。
2.2、 玻璃SHGC值
通過分析表1中SHGC值對(duì)比可以看出，增加玻璃層數(shù)、增大中空層厚度、Low-e鍍膜可以有效降低SHGC值，使用Low-e膜是目前最有效的降低SHGC值的措施。Low-e膜通過兩種機(jī)制影響SHGC值：a.改變玻璃在太陽光譜范圍內(nèi)的光學(xué)性質(zhì)( 和 )，例如降低太陽能透射比 ;b.降低內(nèi)流分?jǐn)?shù)(N)，使較少熱量傳到室內(nèi)。前者是主要作用，后者是次要作用。
如圖7所示，對(duì)于雙層中空玻璃Low-e膜位置不影響U值，但會(huì)影響SHGC，在表1中也已經(jīng)驗(yàn)證過。Low-e膜不管位于#2表面還是#3表面，太陽能透射比 并沒有改變。膜位于#2表面時(shí)，太陽能吸收比 較高，但是總體SHGC較低，因?yàn)閮?nèi)流分?jǐn)?shù)較小，較多熱量被吸收，但較少被傳到室內(nèi)，SHGC較低，適用于常年制冷地區(qū)。膜位于#3表面時(shí)，太陽能吸收比 較低，但是總體SHGC較高，因?yàn)閮?nèi)流分?jǐn)?shù)較大，較少熱量被吸收，但較多被傳到室內(nèi)，SHGC較高，適用于常年采暖地區(qū)。
圖7
2.3、 窗框SHGC值
鋁窗框?qū)τ谔栞椛涫遣煌该鞯�，但熱量一定�?huì)從高溫側(cè)傳遞到低溫側(cè)，所以太陽熱量可以通過窗框以二次得熱的形式傳遞。窗框SHGC值可以被認(rèn)為是一種沒有直接太陽透射的特例，太陽能透射比 =0，只考慮二次傳熱，如圖8所示。
圖8
在JGJ/T 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》7.6中窗框SHGC值使用公式(14)：
由公式(14)得出兩種降低太陽得熱的方法：a.降低窗框的表面太陽能吸收系數(shù) ，比如采用淺色外表面;b.提高窗框的保溫性能降低U值，比如增加隔熱條寬度、增加發(fā)泡。
筆者通過公式(14)計(jì)算了三個(gè)系列的框扇組合部分框的SHGC值，如表4所示。綜上，降低窗框U值，也可以降低窗框的SHGC值，65系列隔熱斷橋鋁窗與40系列普鋁窗相比，窗框SHGC值降低了47.9%;91系列隔熱斷橋鋁窗與40系列普鋁窗相比，窗框SHGC值降低了80.0%。
2.4、 整窗SHGC值
JGJ/T 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》3.4.1中規(guī)定了整窗SHGC計(jì)算使用公式(15)：
筆者又分別模擬了三個(gè)系列框、中梃、梃扇部分SHGC值(具體計(jì)算步驟不再贅述和展示)，按照公式(15)搭配不同配置的玻璃來計(jì)算整窗的SHGC值，計(jì)算出三個(gè)系列整窗SHGC值(如表5)。對(duì)比表5中數(shù)值可以得出，不管是優(yōu)化玻璃配置還是增加窗框的保溫性能都有助于降低整窗的SHGC。采用相同配置玻璃時(shí)，65系列隔熱斷橋鋁窗與40系列普鋁窗相比，整窗SHGC值降低了9.3%;91系列隔熱斷橋鋁窗與40系列普鋁窗相比，整窗SHGC值降低了16.3%。
3. 總結(jié)
門窗的保溫隔熱性能主要通過U值和SHGC值來體現(xiàn)，保溫性能由U值大小決定，隔熱性能由SHGC值大小決定。整窗U值與玻璃U值、窗框U值、間隔條（詞條“隔條”由行業(yè)大百科提供）選用以及玻窗比有關(guān)，整窗SHGC值與玻璃SHGC值、窗框SHGC值以及玻窗比有關(guān)。在常年取暖或者采暖能耗高于制冷能耗地區(qū)，節(jié)能型門窗具有相對(duì)低的U值和相對(duì)高的SHGC值;在常年制冷或者制冷能耗高于采暖能耗地區(qū)，節(jié)能型門窗具有相對(duì)低的U值和相對(duì)低的SHGC值。但是U值和SHGC值并不是兩個(gè)完全沒有關(guān)系的數(shù)值，對(duì)于玻璃來說，大部分降低U值的措施都是可以降低SHGC值的，但兩者之間并沒有絕對(duì)性關(guān)系，Low-e膜位置對(duì)SHGC值起著決定性作用;對(duì)于不透明的窗框來說，SHGC值與U值成正比關(guān)系。
參考文獻(xiàn)
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