窗框?qū)φ陉栂禂?shù)的影響研究

王麗麗，孫詩兵，王洪濤，萬成龍

(1.北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124;2.中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013)

0 引言

窗戶是建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的開口部位，是溝通室內(nèi)和室外熱環(huán)境的重要渠道，是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的重要研究對(duì)象。窗框面積雖然僅占窗戶總面積的15% ～30%［1－3］，但是窗框作為窗戶的重要組成部分，其熱工性能對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響也是不容忽視的。

窗框可以選用不同的材料加工制作，窗根據(jù)材質(zhì)的不同主要分為鋁合金窗、塑料窗、木窗、玻璃鋼窗和復(fù)合窗五大類［4］。同一型材中，根據(jù)框厚度的不同，窗又可以劃分為不同的系列，如:鋁合金窗有55系列、60系列、70系列、90系列等［5］。目前，我國節(jié)能窗產(chǎn)品窗的設(shè)計(jì)加工正朝著節(jié)能減排的方向發(fā)展。總體來說，窗產(chǎn)品節(jié)能技術(shù)的進(jìn)步都是保證一定的光照條件下，圍繞著控制窗戶的得熱和失熱展開的。不同型材的窗框搭配不同種類的玻璃就會(huì)構(gòu)成各自性能的窗產(chǎn)品，直接影響到室內(nèi)的熱環(huán)境和舒適度，從而影響到室內(nèi)的空調(diào)能耗［6］。

遮陽系數(shù)是評(píng)價(jià)窗戶熱工性能和建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，由于玻璃和窗框材料本身的性質(zhì)差異，太陽光輻照對(duì)玻璃的影響較大［7］，但是其對(duì)窗框的影響也不容忽視。由于目前國內(nèi)外對(duì)窗框遮陽系數(shù)的研究還不夠完善和成熟，因此研究窗框?qū)φ陉栂禂?shù)的影響十分必要，本文主要從窗框的材料和厚度兩個(gè)方面進(jìn)行探索，研究了不同材質(zhì)、不同系列的窗框?qū)φ檀罢陉栂禂?shù)的影響。

1 窗框的遮陽系數(shù)

《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》(JGJ/T 151－2008)中，規(guī)定了遮陽系數(shù)的相關(guān)計(jì)算方法及計(jì)算公式，可以計(jì)算出窗框的遮陽系數(shù)［8］。

窗戶的遮陽系數(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(3 mm厚透明玻璃)所形成的太陽輻射得熱量之比。

整樘窗的遮陽系數(shù)SC應(yīng)采用下式計(jì)算

式(1)中g(shù)t為整樘窗的太陽能總透射比，可由計(jì)算公式(2)得到

式中 gt——整樘窗的太陽能總透射比;

gg——窗玻璃(或其它鑲嵌板)區(qū)域太陽能總透射比;

Ag——窗玻璃(或其它鑲嵌板)面積/m2;

gf——窗框太陽能總透射比;

Af——窗框面積/m2;

At——整樘窗面積/m2。

太陽能總透射比由太陽光直接透射的熱量和太陽熱量被窗戶系統(tǒng)吸收后向室內(nèi)再次傳遞的熱量兩部分決定。窗框一般由非透明材料，如鋁合金、木材、塑料、玻璃鋼等加工而成，太陽光不能直接投射到室內(nèi)，通過窗框進(jìn)入室內(nèi)的熱量只包括二次傳熱部分。窗框的太陽光總透射比應(yīng)按下式計(jì)算

式中 hout——室外表面換熱系數(shù);

αf——框表面太陽輻射吸收系數(shù);

Uf——框的傳熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

Asurf——框的外表面面積/m2;

Af——框投影面積/m2。

根據(jù)窗框遮陽系數(shù)的定義，結(jié)合式(1)、式(2)可以得到窗框的遮陽系數(shù)

2 軟件模擬計(jì)算分析

由于目前我國對(duì)遮陽系數(shù)測(cè)試裝置的研發(fā)正處于研制過程中，也就無法通過實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確獲得窗太陽得熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，因此要得到某種窗的遮陽系數(shù)值只能是通過一些軟件進(jìn)行模擬計(jì)算得到［9－12］。

“幕墻門窗熱工性能計(jì)算軟件”(簡稱“粵建科?MQMC”)是由廣東省建筑科學(xué)研究院獨(dú)立自主開發(fā)，目前我國唯一符合《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》(JGJ/T 151－2008)要求的軟件。該計(jì)算軟件具有玻璃系統(tǒng)光學(xué)熱工性能設(shè)計(jì)計(jì)算、框二維傳熱有限元分析計(jì)算、整窗和整幅幕墻熱工性能計(jì)算等功能。該軟件模擬計(jì)算結(jié)果精度高，可以達(dá)到國際先進(jìn)水平，因此，本實(shí)驗(yàn)選擇了這一軟件對(duì)窗進(jìn)行遮陽系數(shù)的模擬計(jì)算。

通過軟件模擬計(jì)算，可以得到玻璃系統(tǒng)的遮陽系數(shù)，整樘窗的遮陽系數(shù)、傳熱系數(shù)、框窗面積比等參數(shù)，然后由計(jì)算式(4)就可以得到窗框的遮陽系數(shù)。

2.1 模擬計(jì)算窗系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)選取了20種不同系列、不同型材、不同玻璃系統(tǒng)配置的內(nèi)平開窗樣品，窗系統(tǒng)如表1所示。

表1 窗系統(tǒng)

2.2 軟件模擬計(jì)算條件

根據(jù)JGJ/T 151－2008，遮陽系數(shù)模擬計(jì)算選擇夏季標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件:

室內(nèi)空氣溫度Tin=25℃

室外空氣溫度Tout=30℃

室內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)hc，in=2.5W/(m2·℃)

室外對(duì)流換熱系數(shù)hc，out=16W/(m2·℃)

室內(nèi)平均輻射溫度Trm，in=Tin

室外平均輻射溫度Trm=Tout

太陽輻射照度Is=500W/m2

2.3 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

本實(shí)驗(yàn)對(duì)表1中20種不同窗型的鋁合金窗、玻璃鋼窗、木窗及復(fù)合窗進(jìn)行了遮陽系數(shù)的模擬計(jì)算，可以得到整窗的傳熱系數(shù)值及遮陽系數(shù)值。經(jīng)過簡單計(jì)算后可以得到窗框的傳熱系數(shù)Kf及遮陽系數(shù)SCf，20種窗窗框的熱工性能參數(shù)見表2。

表2 不同類型窗窗框的熱工性能參數(shù)值

從表2中可以看出:窗框遮陽系數(shù)值隨窗的系列、材料種類及開啟方式變化而有所不同，并且呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。整體看來，窗框遮陽系數(shù)值約占整框遮陽系數(shù)值的10%左右，最大比例可以達(dá)到25%。窗框遮陽系數(shù)值SCf隨窗型變化情況如圖1所示。

從圖1中可以看出:

(1)隨著窗系列數(shù)的不斷增大，窗框遮陽系數(shù)值基本呈下降趨勢(shì);

(2)20種窗型中，78系列內(nèi)平開下懸鋁木復(fù)合窗的窗框遮陽系數(shù)最小，遮陽系數(shù)值可以達(dá)到0.02，70系列窗中，70系列內(nèi)平開木塑鋁復(fù)合窗框遮陽系數(shù)最小，遮陽系數(shù)值可以達(dá)到0.035，這說明窗框材料復(fù)合可以達(dá)到較好的遮陽效果;

圖1 窗框遮陽系數(shù)(SCf)隨窗型變化情況

(3)60系列窗中，60系列內(nèi)平開下懸隔熱鋁合金窗框的遮陽系數(shù)小于60系列內(nèi)平開隔熱鋁合金窗，二者計(jì)算模型圖如圖2所示，這說明模型一的遮陽效果優(yōu)于模型二的遮陽效果。

由于通過窗框進(jìn)入室內(nèi)的熱量只能通過二次傳熱實(shí)現(xiàn)，由公式(3)可知，影響其進(jìn)入室內(nèi)熱量的因素有室外表面換熱系數(shù)、框表面太陽輻射吸收系數(shù)、框傳熱系數(shù)、框的外表面面積及框投影面積，因此窗框的遮陽效果與其保溫效果密切相關(guān)，為確定傳熱系數(shù)對(duì)遮陽系數(shù)的影響效果，選擇了表2中7種不同系列的鋁合金窗作為研究對(duì)象，分別繪制了窗框遮陽系數(shù)和傳熱系數(shù)隨系列數(shù)變化的曲線圖，如圖3所示。

從圖3中我們可以清楚地看到，窗框遮陽系數(shù)隨系列數(shù)變化趨勢(shì)與窗框傳熱系數(shù)隨系列數(shù)變化趨勢(shì)基本一致，由此可以得出同種材料不同系列窗窗框的遮陽系數(shù)主要取決于窗框的傳熱系數(shù)。

以上結(jié)果原因分析:

(1)由于窗系列越大，窗框厚度越大，框傳熱系數(shù)越大，當(dāng)室內(nèi)外溫度一定時(shí)，窗系數(shù)越大，單位時(shí)間內(nèi)通過窗框向室內(nèi)傳遞的熱量就越少，從而導(dǎo)致其遮陽系數(shù)越小，所以當(dāng)其它條件一定時(shí)，隨著窗系列數(shù)的不斷增大，窗框遮陽系數(shù)值不斷減小。

(2)鋁型材本身導(dǎo)熱系數(shù)較大，保溫性能差，而復(fù)合型材采取一定的結(jié)構(gòu)配合形式后可以兼顧材料各自的優(yōu)勢(shì)，滿足裝飾效果、保溫性能、隔熱性能等要求。木材、玻璃鋼、鋁合金、PVC四種材料中木材導(dǎo)熱系數(shù)最小，玻璃鋼、PVC次之，鋁合金最大，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)［13］采用鋁合金與木材或PVC復(fù)合設(shè)計(jì)后，復(fù)合門窗傳熱系數(shù)可以減小到 3.0 W/ (m2·℃)以下，而鋁合金型材即使配上現(xiàn)在普遍使用的中空玻璃，傳熱系數(shù)也只能達(dá)到 4.0 W/ (m2·℃)左右，因此同系列中，復(fù)合型材窗框可以提高窗整體的保溫性能，從而得到較好的遮陽效果。

(3)模型一與模型二相比具有較低的遮陽系數(shù)，經(jīng)過計(jì)算得到模型一的鋁合金窗整框的傳熱系數(shù)為2.87 W/(m2·℃)，模型二的傳熱系數(shù)為3.64 W/(m2·℃)，因此模型一的保溫效果較好，遮陽系數(shù)較小。

圖2 模擬計(jì)算內(nèi)平開窗模型

圖3 隔熱鋁合金窗窗框遮陽系數(shù)與傳熱系數(shù)隨系列數(shù)變化對(duì)比曲線圖

3 結(jié)論

通過對(duì)以上不同類型窗框進(jìn)行模擬計(jì)算分析可以看出，增加窗框厚度，選擇導(dǎo)熱系數(shù)小的材料，多種材料復(fù)合，選擇合理窗框模型是顯著降低窗框遮陽系數(shù)的有效措施。

總之，窗框雖然只占整窗的一小部分，但是只有合理設(shè)計(jì)窗框厚度、窗框結(jié)構(gòu)，合理選材，合理配置才能使整窗的性能得到充分發(fā)揮，才能達(dá)到理想的節(jié)能效果。

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