熱工參數(shù)可變的被動(dòng)太陽(yáng)能窗研究

賈紀(jì)康，司鵬飛，戎向陽(yáng)，石利軍，楊正武

(中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041)

被動(dòng)太陽(yáng)能建筑被認(rèn)為是高原建筑最適宜的供暖方式[1].江億等[2]針對(duì)拉薩市的資源條件提出了在提升建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，被動(dòng)太陽(yáng)能技術(shù)優(yōu)先的技術(shù)路線；劉艷峰、楊婧等[3-4]針對(duì)我國(guó)氣候條件提出三級(jí)指標(biāo)，分析了不同地區(qū)各類被動(dòng)太陽(yáng)能采暖技術(shù)適宜性；王登甲等[5]針對(duì)大量被動(dòng)太陽(yáng)能示范建筑實(shí)測(cè)得出在采暖期過(guò)渡時(shí)段室溫可達(dá)到12 ℃以上，與傳統(tǒng)建筑相比，被動(dòng)太陽(yáng)能示范建筑節(jié)能率可達(dá)到86%.

直接受益窗作為被動(dòng)太陽(yáng)能得熱最有效的構(gòu)件，可利用進(jìn)入室內(nèi)太陽(yáng)能的65%～70%[6].Levinson R，Oliveti G，Offiong等[7-9]分別研究了太陽(yáng)能高度角、窗戶位置和玻璃吸收率等對(duì)直接受益窗集熱部件的影響.劉艷峰等[10]對(duì)直接受益式太陽(yáng)能建筑測(cè)試發(fā)現(xiàn)，直接受益窗可提升室內(nèi)平均溫度和最高溫度3 ℃和7 ℃，但室溫溫度波動(dòng)較大，這是由于傳統(tǒng)窗戶的熱工參數(shù)固定不變(傳熱系數(shù)U、太陽(yáng)得熱系數(shù)SHGC)，無(wú)法解決白天太陽(yáng)得熱要求的太陽(yáng)總透射比大和夜間防止失熱希望的傳熱系數(shù)小的矛盾.基于此問(wèn)題，馮雅、王登甲等[11-12]均提出了采用外窗加設(shè)內(nèi)置保溫板或保溫窗簾的方式；余莊等[13]針對(duì)亞熱帶地區(qū)夏季需要隔熱、冬季需要保暖的氣候特點(diǎn)提出了氣候適應(yīng)性窗.

本研究團(tuán)隊(duì)提出了一種具有階躍傳熱特性的透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)[14]，該技術(shù)在“若爾蓋縣暖巢一號(hào)”項(xiàng)目中得到驗(yàn)證，具有良好的實(shí)際應(yīng)用效果[15].通過(guò)對(duì)該工程評(píng)估后發(fā)現(xiàn)，由于外側(cè)玻璃與墻體結(jié)合不嚴(yán)密，圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性難以保障，由此導(dǎo)致透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量大，同時(shí)存在施工難度大，造價(jià)高等問(wèn)題.介于上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種熱工參數(shù)可變的被動(dòng)太陽(yáng)能窗，其通過(guò)創(chuàng)新圍護(hù)結(jié)構(gòu)型材，將內(nèi)窗扇、外窗扇一體化集成.本文將介紹該技術(shù)的原理與具體構(gòu)造，并通過(guò)實(shí)測(cè)和模擬的方式對(duì)窗戶的性能進(jìn)行優(yōu)化分析，對(duì)于工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義.

1 窗戶構(gòu)造與運(yùn)行原理

1.1 窗戶構(gòu)造介紹

熱工參數(shù)可變的被動(dòng)太陽(yáng)能窗構(gòu)造如圖1所示，其由內(nèi)窗扇與外窗扇通過(guò)型材構(gòu)造一體化組合而成.外窗扇分為固定窗扇和可外開(kāi)窗扇，外窗扇采用6 mm單層透明玻璃，其特點(diǎn)是SHGC高，可有效增加進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射能；內(nèi)窗扇采用內(nèi)開(kāi)式中空玻璃窗，構(gòu)造為6 mmLow-E+12 mm空氣+6 mm透明玻璃，其特點(diǎn)是保溫性能好，可有效降低通過(guò)窗戶散失的熱量；整窗長(zhǎng)度、寬度均為1.5 m，厚度為110 mm.

圖1 熱工參數(shù)可變的被動(dòng)太陽(yáng)能窗結(jié)構(gòu)

1.2 窗戶運(yùn)行原理

冬季，白天太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí)，開(kāi)啟內(nèi)窗扇，大部分太陽(yáng)輻射透過(guò)外側(cè)單層玻璃進(jìn)入室內(nèi)，太陽(yáng)得熱系數(shù)高；夜晚關(guān)閉內(nèi)窗扇，窗戶熱阻增大，與Low-E玻璃對(duì)中遠(yuǎn)紅外輻射高反射特性同時(shí)作用，減少夜間通過(guò)窗戶的失熱量.夏季，炎熱地區(qū)室內(nèi)空調(diào)運(yùn)行，關(guān)閉內(nèi)、外窗扇，增加窗戶熱阻，防止室內(nèi)冷量損失，同時(shí)可降低白天太陽(yáng)得熱系數(shù)，減少空調(diào)負(fù)荷；室外氣候涼爽的地區(qū)同時(shí)開(kāi)啟內(nèi)、外開(kāi)窗扇，通過(guò)自然通風(fēng)方式降低室內(nèi)溫度并保證室內(nèi)空氣質(zhì)量.

2 窗戶性能模擬及模型驗(yàn)證

本文主要采用勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的WINDOW和THERM軟件對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行模擬研究.窗戶模型的建立需要WINDOW和THERM軟件聯(lián)合完成，具體流程如圖2所示.WINDOW軟件用于計(jì)算窗戶U值、SHGC、遮陽(yáng)和采光等參數(shù)，THERM軟件采用二維有限元方法計(jì)算窗框等復(fù)雜建筑構(gòu)件傳熱模擬[16].同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)由具有工程檢測(cè)資質(zhì)的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行.

圖2 窗戶計(jì)算模型求解流程

2.1 窗戶模型建立

WINDOW軟件計(jì)算整窗的傳熱系數(shù)Ut時(shí)，將窗戶分為窗框、玻璃中心和玻璃邊緣三部分，分別計(jì)算各自的傳熱系數(shù)U，再以面積加權(quán)的方法計(jì)算Ut值，Ut計(jì)算公式見(jiàn)式(1).

Ut=

(1)

式中：U為傳熱系數(shù)，W/(m2·k)；A為傳熱面積，m2；下角標(biāo)t表示窗戶整體；下角標(biāo)f(i)表示第i部分窗框；下角標(biāo)e(i，j)表示第i部分窗框與第j部分玻璃對(duì)應(yīng)玻璃邊緣；下角標(biāo)c(j)表示第j部分玻璃.

玻璃系統(tǒng)中心傳熱系數(shù)Uc計(jì)算由WINDOW軟件完成，玻璃參數(shù)如表1所示.

表1 玻璃參數(shù)

玻璃系統(tǒng)邊緣和窗框的傳熱系數(shù)計(jì)算需要在THERM軟件中計(jì)算，其窗戶邊框的二維截面模型如圖3所示.玻璃系統(tǒng)由WINDOW軟件經(jīng)過(guò)計(jì)算后導(dǎo)入THERM軟件，為降低窗戶的傳熱系數(shù)，采用多腔隔熱金屬型材窗框，各材質(zhì)的熱物性參數(shù)如表2所示.模擬邊界條件均依據(jù)《建筑門(mén)窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》(JGJT151-2008)[17]選擇，并與實(shí)驗(yàn)邊界條件保持一致，傳熱系數(shù)計(jì)算邊界條件如表3所示.

圖3 窗戶邊框節(jié)點(diǎn)截面

表2 不同窗框材質(zhì)熱物性參數(shù)

表3 傳熱系數(shù)計(jì)算邊界條件

2.2 模擬結(jié)果及模型驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算玻璃中心Uc值為1.24 W/(m2·K)，不同節(jié)點(diǎn)處窗框傳熱系數(shù)Uf及玻璃系統(tǒng)邊緣傳熱系數(shù)Ue值各不相同，圖4采用等溫線的形式展示了典型窗框節(jié)點(diǎn)的模擬結(jié)果，圖4(a)窗框Uf(a)為2.29 W/(m2·K)，玻璃邊緣Ue(a)為1.74 W/(m2·K)，圖4(b)窗框Uf(b)值為2.32 W/(m2·K)，玻璃邊緣Ue(b)為1.75 W/(m2·K).由窗戶不同部位模擬結(jié)果經(jīng)過(guò)面積加權(quán)后整窗Ut為1.66 W/(m2·K)，整窗溫度分布如圖5所示.第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品Ut值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為1.6 W/(m2·K)[18]，如圖6所示，模擬誤差為4%.

圖4 典型窗框節(jié)點(diǎn)等溫線

圖5 整窗溫度分布

圖6 窗戶傳熱性能第三方檢測(cè)

3 窗戶性能模擬優(yōu)化分析

利用上述經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的模型，對(duì)窗戶開(kāi)閉狀態(tài)、玻璃系統(tǒng)組合、窗框材料、窗框比等影響因素進(jìn)行了優(yōu)化分析.

3.1 開(kāi)閉狀態(tài)下窗戶性能分析

窗戶分為內(nèi)窗扇和外窗扇的優(yōu)勢(shì)在于冬季白天太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí)開(kāi)啟內(nèi)窗，外側(cè)為6 mm透明玻璃，可使更多的太陽(yáng)輻射進(jìn)入室內(nèi)，夜間關(guān)閉內(nèi)窗，增加熱阻，減少室內(nèi)熱量流失.故有必要對(duì)內(nèi)窗開(kāi)、關(guān)狀態(tài)下窗戶的性能進(jìn)行模擬分析.

模型尺寸1.5 m×1.5 m，計(jì)算邊界條件依據(jù)《建筑門(mén)窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》(JGJT151-2008)選擇，傳熱系數(shù)計(jì)算邊界條件同表3，SHGC計(jì)算邊界條件如表4所示.

表4 SHGC計(jì)算邊界條件

模擬結(jié)果如表5所示，內(nèi)窗扇開(kāi)啟時(shí)，SHGC增至0.69，進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射得熱增加82%，同時(shí)，窗框比由0.31降低至0.16，降低了窗框?qū)μ?yáng)輻射的遮擋作用，最大程度提升了冬季太陽(yáng)能利用.可見(jiàn)光透射比Tvis由0.47增加至0.74，可減少部分室內(nèi)的照明能耗.內(nèi)窗扇關(guān)閉時(shí)，窗戶Ut降低至1.66，與Low-E玻璃對(duì)中遠(yuǎn)紅外輻射高反射特性同時(shí)作用，夜晚及夏季白天關(guān)閉內(nèi)窗扇運(yùn)行，可大幅降低室內(nèi)冷/熱量流失，同時(shí)Low-E玻璃對(duì)可見(jiàn)光的高透過(guò)性，使得Tvis保持在0.47，夏季白天即使關(guān)閉內(nèi)窗扇也能保證一定自然采光.

表5 窗戶不同運(yùn)行工況下窗戶性能

3.2 玻璃系統(tǒng)形式對(duì)窗戶性能影響分析

由于窗戶是圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能薄弱部位，所以針對(duì)窗戶不斷有新的節(jié)能技術(shù)出現(xiàn)，如中空玻璃充惰性氣體、Low-E玻璃、真空玻璃等，本文選擇常用的5種玻璃系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比模擬分析，典型玻璃系統(tǒng)形式如表6所示，其中G1為普通中空玻璃窗，其余為熱工參數(shù)可變組合形式.

表6 典型玻璃系統(tǒng)形式

窗戶傳熱系數(shù)模擬結(jié)果如圖7所示，G5采用真空玻璃技術(shù)，Ut值為1.35 W/(m2·k)，保溫性能等級(jí)達(dá)到8級(jí)，相比于G1普通中空玻璃窗Ut值降低了50.3%.不同玻璃系統(tǒng)形式下整窗Ut值差別較大，對(duì)比普通三玻兩腔玻璃系統(tǒng)G2，使用Low-E玻璃，玻璃系統(tǒng)Uc值降低29.7%，Ut值降低16.5%；中空玻璃充氬氣技術(shù)玻璃Uc降低14.9%，整窗Ut降低6.9%.可見(jiàn)真空玻璃技術(shù)對(duì)窗戶傳熱系數(shù)降低效果最明顯，隨著玻璃系統(tǒng)Uc值逐漸降低，整窗Ut降低幅度逐漸減小，這是由于窗框Uf值較大，隨著玻璃系統(tǒng)Uc值逐漸降低，窗框成為整窗的傳熱的主要部位，如果不能提升其性能，整窗Ut很難有明顯降低.

圖7 窗戶傳熱系數(shù)對(duì)比

外窗作為自然采光主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)，保證其可見(jiàn)光透射比是基本要求，同時(shí)夏季外窗的太陽(yáng)得熱系數(shù)對(duì)節(jié)能的影響不亞于傳熱系數(shù)的影響，Tvis和SHGC模擬結(jié)果如圖8所示，相比普通雙層中空玻璃窗G1，采用G2產(chǎn)品Tvis降低10.4%，SHGC降低11.7%，這是由于增加一層透明玻璃，對(duì)可見(jiàn)光波段及其他波段降低基本一致；G3使用Low-E玻璃相比G2，Tvis降低3.1%，SHGC降低12.9%，可見(jiàn)Low-E玻璃在保證采光的條件下可有效降低太陽(yáng)得熱；G4和G5選用玻璃與G3相同，但改變了中空玻璃的氣體間層，相比于G3，Tvis完全相同，SHGC略有下降.

圖8 窗戶太陽(yáng)能得熱系數(shù)及采光性能對(duì)比

3.3 不同窗框材料對(duì)性能影響

通過(guò)以上分析可知，隨著玻璃系統(tǒng)Uc不斷降低，整窗Ut主要受窗框Uf影響，降低窗框Uf是提升整窗傳熱性能的有效措施.由于玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯(GRPU)材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.36 W/(m·K)，結(jié)合了塑料材料的優(yōu)越保溫性能和金屬的高強(qiáng)度，作為窗框型材具有很高適宜性.因此，本文通過(guò)對(duì)G3玻璃系統(tǒng)分別選擇多腔斷熱鋁合金窗框和GRPU窗框進(jìn)行了對(duì)比模擬分析，結(jié)果如圖9所示.采用GRPU型材之后窗框Uf值降低52.3%，達(dá)到1.09 W/(m2·K)，玻璃邊緣Ue值降低6.9%，主要是窗框傳熱的變化減小了窗戶線傳熱系數(shù)，整窗Ut值降低23.3%，可見(jiàn)GRPU窗框?qū)Υ皯粽w傳熱性能有較大提升作用.

圖9 鋁合金與GRPU窗框窗戶傳熱性能對(duì)比

3.4 窗框比對(duì)窗戶性能影響分析

影響窗戶性能的另一個(gè)重要參數(shù)是窗框比，窗戶尺寸越小，窗框占比越大，本文選擇尺寸分別為2.1 m×2.1 m、1.8 m×1.8 m、1.5 m×1.5 m的三種窗框比的窗戶對(duì)Ut值、SHGC、Tvis分別對(duì)比分析，窗戶玻璃系統(tǒng)均采用G3玻璃系統(tǒng).結(jié)果如圖10所示.

圖10 窗框比對(duì)窗戶性能影響對(duì)比

隨著窗框比由22.3%增大到30.5%，Tvis由0.53線性降至0.47，SHGC由0.42線性降至0.38，SHGC與Tvis基本與玻璃面積占比呈正比例關(guān)系；隨著窗框比增加Ut值由1.55 W/(m2·K)增加至1.66 W/(m2·K)，這是由于窗框Uf值通常低于玻璃系統(tǒng)Uc值，整窗Ut值通過(guò)窗戶各部分U值面積加權(quán)求得，故隨著窗框比增加，整窗Ut值不斷增加，且窗框Uf值與玻璃系統(tǒng)Uc值差距越大，窗框比對(duì)整窗Ut值影響越大.

3.5 適用性分析

熱工參數(shù)可變的被動(dòng)太陽(yáng)能窗，解決了室外環(huán)境變化與室內(nèi)熱環(huán)境需求不統(tǒng)一的矛盾.不僅適用于高寒地區(qū)，也適用于其他嚴(yán)寒、寒冷氣候區(qū)，白天能盡可能多的利用太陽(yáng)輻射，夜晚防止熱量流失；同時(shí)也可應(yīng)用于夏熱冬冷地區(qū)，夏季可隔絕大部分室外得熱，冬季可增加太陽(yáng)輻射.該窗戶成本增加較少，相對(duì)普通三玻兩腔窗戶，增量成本約5%以內(nèi)，且功能多樣的窗戶結(jié)構(gòu)可降低建筑空調(diào)季、供暖季負(fù)荷，過(guò)渡季通過(guò)通風(fēng)調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，通過(guò)配合不同的玻璃系統(tǒng)形式以及窗框材料可滿足大部分建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及建筑采光標(biāo)準(zhǔn).

4 結(jié)論

開(kāi)發(fā)了熱工參數(shù)可變的被動(dòng)太陽(yáng)能窗，通過(guò)對(duì)該太陽(yáng)能窗進(jìn)行模擬優(yōu)化與第三方檢測(cè)，得出如下結(jié)論：

(1)樣窗(G3玻璃系統(tǒng))內(nèi)窗扇開(kāi)啟時(shí)，Ut值雖增加至5.30，但進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射得熱增加82%，遠(yuǎn)高于傳熱損失；內(nèi)窗扇關(guān)閉時(shí)，Ut值降低至1.66 W/(m2·K)，與Low-E玻璃對(duì)中遠(yuǎn)紅外輻射高反射特性同時(shí)作用，可有效降低室內(nèi)熱量流失；

(2)鋁合金窗框采用不同玻璃系統(tǒng)形式時(shí)，Ut值差別較大，但隨著玻璃系統(tǒng)Uc值逐漸降低，Ut值降低幅度逐漸減小，可見(jiàn)，當(dāng)Uc降低至一定程度后，玻璃系統(tǒng)Uc值對(duì)窗戶傳熱性能提升效果有限；

(3)采用GRPU型材之后窗框Uf值降低52.3%，Ut值降低23.3%，可見(jiàn)，窗框型材的傳熱性能對(duì)窗戶整體Ut值較大提升作用；

(4)窗戶SHGC與Tvis基本與玻璃面積占比呈正比例關(guān)系，當(dāng)窗框Uf值與玻璃系統(tǒng)Uc值差別越大時(shí)窗框比對(duì)整窗Ut值影響越大，高窗框比時(shí)，降低窗框的Uf值對(duì)降低窗戶Ut值有顯著的效果.