太陽能得熱系數(shù)

熱箱法，就是在實(shí)驗(yàn)裝置投入實(shí)際檢測工作之前，找出通過熱計量箱箱壁的熱流與壁內(nèi)外表面溫差的函數(shù)關(guān)系式。進(jìn)行熱計量箱標(biāo)定時，原本安裝窗的地方安裝一塊標(biāo)定板（標(biāo)定板的材料與熱計量箱壁板材料相同），可以在一定條件下同時測量箱壁面溫差與箱壁熱流，通過設(shè)定不同的工況，在坐標(biāo)圖上能夠得到多個溫差與熱流的對應(yīng)點(diǎn)，經(jīng)過數(shù)學(xué)處理就能整理出通過箱壁的熱流與箱壁內(nèi)外表面溫差的函數(shù)關(guān)系。熱計量箱置于一個可以活動的實(shí)驗(yàn)室房間內(nèi)，進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)時房間關(guān)閉，便于提供恒定的標(biāo)定工況，實(shí)際測量時推開房間，使熱計量箱暴露于室外環(huán)境，能夠進(jìn)行窗太陽得熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)。熱計量箱經(jīng)過標(biāo)定以后，就可以根據(jù)測量得到的箱壁溫差值求出通過箱壁的熱流。

使用熱箱法測量窗的SHGC時，主要部件可以概括為：

（1） 熱計量箱、圍護(hù)板及吸收板：圍護(hù)板是用來將測試窗安裝在熱計量箱上，材料與熱計量箱壁板相

同；吸收板用于防止陽光直接照射到熱計量箱的內(nèi)壁。

（2） 水循環(huán)及制冷系統(tǒng)：水循環(huán)及制冷系統(tǒng)主要包括水泵、膨脹水箱、風(fēng)機(jī)盤管、冷凝機(jī)組、板式換熱器、膨脹閥、流量計等。

（3） 控制系統(tǒng)。

國外已經(jīng)對窗的太陽得熱情況和太陽得熱系數(shù)的測定進(jìn)行了一些研究工作，在測定條件、儀器設(shè)備、測定流程、計算步驟等方面形成了初步的理論體系，并且已經(jīng)制定了暫行的標(biāo)準(zhǔn)。美國材料測試學(xué)會（American Society for Testing andMaterials，ASTM）發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)中，提出用保護(hù)熱板法或熱流計法測量通過試件的熱流及材料的熱物理性質(zhì)、用熱箱法測量窗的傳熱系數(shù)或建筑組件的熱性能等一系列測量材料物理性能的方法。

ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中提出了溫度測量的標(biāo)準(zhǔn)方法、確定太陽能收集器性能的測試方法。美國國家門窗評價委員會借鑒了美國材料測試學(xué)會和ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中的一些方法，并在這些方法的基礎(chǔ)上提出了在陽光垂直投射時測量窗太陽得熱系數(shù)的步驟、測定玻璃材料太陽光學(xué)性質(zhì)的方法。但是美國國家門窗評價委員會采用的測量窗太陽得熱系數(shù)的方法也還是暫行的，仍然有待于進(jìn)一步的改進(jìn)和完善，關(guān)于窗太陽得熱系數(shù)測量的實(shí)際設(shè)備的相關(guān)資料也并未公開。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的標(biāo)準(zhǔn)《ISO 9060 測量半球太陽輻射和直射太陽輻射儀器的規(guī)格和類別》中給出了測量太陽輻射的方法，《ISO 15099 窗、門和遮陽設(shè)施熱性能的詳細(xì)計算》中給出了適合計算機(jī)編程的熱工計算的具體方法。這些標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布為采用實(shí)驗(yàn)的方法測量窗太陽得熱系數(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。目前，美國和加拿大已經(jīng)建立了窗年度能耗等級評價體系（Window Annual Energy Rating System）。所謂窗能耗等級評價體系即對供暖季和制冷季，分別把窗的太陽得熱系數(shù)、傳熱系數(shù)等綜合成一個統(tǒng)一參數(shù)，由它來評價窗的熱工性能。美國和加拿大的兩個體系分別給出一個數(shù)字評價供暖季與制冷季各種窗戶的能耗等級，并限制在低層住宅中使用。

國內(nèi)高等院校對窗遮陽系數(shù)的測量進(jìn)行過研究和實(shí)驗(yàn)嘗試，華南理工大學(xué)的研究人員針對夏季工況提出測量窗總熱阻值和遮陽系數(shù)值的動態(tài)防護(hù)熱箱方法，并用該方法實(shí)際測試了廣州地區(qū)某住宅西向外窗，對現(xiàn)場動態(tài)測定窗的節(jié)能參數(shù)進(jìn)行了探索，并取得了初步的成果。但國內(nèi)在窗太陽得熱系數(shù)測量研究方面發(fā)表的文章很少，國內(nèi)也還沒有測量窗太陽得熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備?？傮w來說，國內(nèi)在這方面的研究還比較滯后。

太陽得熱系數(shù)既包括直接透過的部分，也包括吸收后放出的熱量。由透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱機(jī)理可知，通過透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)而成為室內(nèi)得熱的太陽輻射包括兩部分：一部分是太陽光直接通過透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得熱；另一部分是被圍護(hù)結(jié)構(gòu)吸收的得熱經(jīng)導(dǎo)熱、對流與輻射的熱傳遞而形成室內(nèi)的得熱。

太陽能總透射比表征的得熱量包括兩部分，一部分是直接透過玻璃進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射熱，另一部分是玻璃及構(gòu)件吸收太陽輻射熱后，再向室內(nèi)輻射的熱量。這里，太陽輻射熱的波長包括從300nm到2500nm的全波長范圍。太陽能總透射比的計算公式：g=τ_e q_i

式中，g——表示試樣的太陽能總透射比，%；

τ_e——表示試樣的太陽光直接透射比，%；

q_i——表示試樣向室內(nèi)側(cè)的二次熱傳遞系數(shù)，% 。

《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》GB 50176中規(guī)定的太陽得熱系數(shù)（SHGC）的計算公式如下：

g——透光部分的太陽光總透射比；

A_g——透光部分面積（m²_）；

ρ——非透光部分的太陽光吸收比；

K——非透光部分的傳熱系數(shù)[W/(m²*K)]；

α_e——非透光部分外表面對流換熱系數(shù)[W/(m*K)]；

A_f——非透光部分面積（m²_）；

A_w——透光與非透光的面積之和（m²）；

該公式等號右邊分為兩個部分，其中Σg*A_g/A_w為透光部分的得熱，即為玻璃得熱；Σρ*K/α_e*A_f/A_w為非透光部分的得熱，一般是門窗或幕墻的型材、膠與五金件等的得熱。

SHGC用來確定通過玻璃窗的太陽輻射得熱。某些特定光譜和入射角的SHGC應(yīng)當(dāng)連同傳熱系數(shù)和其它能量性質(zhì)包括在內(nèi)。由于光學(xué)性質(zhì)穿透比和吸收比隨入射角而變化，根據(jù)SHGC的定義式，太陽得熱系數(shù)是入射角的函數(shù)。一旦對特定入射角的太陽輻射強(qiáng)度和SHGC已知，太陽得熱可用下式計算：

q_b=SHGC*E_D

其中：q_b是單位面積的太陽得熱（W/m²），E_D是太陽輻射強(qiáng)度（W/m²）。

玻璃的光學(xué)性質(zhì)也會隨波長而改變，穿透比和吸收比是光譜平均值。太陽得熱系數(shù)值是基于氣團(tuán)比（實(shí)際觀測到的日光路徑與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下觀測者處于海平面且太陽位于天頂時的日光路徑之比）為1.5的標(biāo)準(zhǔn)光譜分布。該光譜是美國國家門窗評價委員會為了使用規(guī)定的環(huán)境和入射輻射條件評價門窗的能量性能而推薦采用的。對于實(shí)際的太陽得熱計算條件或者玻璃表現(xiàn)出光譜選擇性，采用的投射太陽光譜應(yīng)當(dāng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)光譜加以修正，這樣就更符合當(dāng)?shù)氐拇髿鈼l件以及計算時刻。

標(biāo)準(zhǔn)光譜與在不同的大氣條件和太陽入射角時投射到門窗的太陽光譜分布是不相同的。這種差異對于沒有強(qiáng)烈光譜選擇性的玻璃來說，影響是很小的。但是具有強(qiáng)烈光譜選擇性的玻璃會有跟標(biāo)準(zhǔn)光譜不同的太陽得熱系數(shù)值?？梢姽獯┩副葘μ柟庾V變化并不敏感。然而，對于在可見光部分具有十分強(qiáng)烈光譜選擇性的玻璃來說，可見光穿透比對入射光譜形態(tài)同樣敏感。

在嚴(yán)寒地區(qū)，由于緯度較高，正午太陽高度角較低，直接照射到建筑的太陽能較少，全年一般公考慮供暖，而不考慮供冷，所以在嚴(yán)寒地區(qū)，太陽得熱系數(shù)不做限值要求；在其他地區(qū)，由于需要考慮夏季供冷，建筑透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)（門窗或透光幕墻）的太陽得熱系數(shù)必須要加以限制，以降低建筑通風(fēng)與空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷，減少建筑能源消耗。

透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)的太陽得熱系數(shù)由透光部分的得熱與非透光部分的得熱組成，為限制其太陽得熱系數(shù)在設(shè)計要求或技術(shù)要求之下，需對透光部分與非透光部分的得熱進(jìn)行限制：

（1）透光部分，一般為玻璃，其得熱主要與玻璃的太陽光總透射比有關(guān)，而太陽光總透射比由下式計算得到：

A_s——透光部分面積太陽光直接吸收比；

h_in——透光部分內(nèi)表面對流換熱系數(shù)[W/(m²*K)]；

h_out——透光部分外表面對流換熱系數(shù)[W/(m²*K)]。

由此可見，太陽光總透射比由兩部分組成，一部分為太陽光直接透射，另一部分為太陽光直接吸收中向室內(nèi)傳熱的部分。因此，為限制太陽光總透射比，須對太陽光直接透射與直接吸收進(jìn)行限制。對于透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)而言，太陽得應(yīng)盡量降低，但對于其中的透光部分，即玻璃，并不能一味降低其得得熱，這部分的得熱需控制在一定的范圍，即太陽光總透射比不能太低也不可太高。太陽光總透射比太高，透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)的太陽得熱系數(shù)增大，加大了通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷，使建筑能耗增加；而太低的太陽光總透射比，雖然使透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷負(fù)荷減少了，但是太低的太陽光總透射比會導(dǎo)致其可見光透射比降低，建筑室內(nèi)不能有效采用，不僅影響生產(chǎn)生活，而且有時還可能因?yàn)闊o法有效采光導(dǎo)致在白天需要打開照明燈具而進(jìn)行生產(chǎn)生活，反而更加重了通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷，所以為兼顧透光部分的得熱與采光效果，對玻璃的選擇應(yīng)較為慎重，下面通過三種工程上常見的玻璃品種的光譜圖進(jìn)行節(jié)能分析。

由三種不同玻璃品種的光譜圖及表1可以看出，無色透明玻璃對可見光與紅外光，透射相當(dāng)高（70%以下），對室內(nèi)采光而言，是沒有問題的，但其太陽得熱非常顯著；陽光控制鍍膜玻璃透射較低，對室內(nèi)采光影響較大，且其對可見光與紅外光的吸收為三者中最髙，由此而產(chǎn)生的對室內(nèi)的二次傳熱較大，但其得熱較無色透明玻璃還是有所降低；低輻射鍍膜玻璃，其對可見光與紅外光的反射為三者是最高，可有效降低其得熱，同時對可見光的透射處于中等水平，又能夠保證生產(chǎn)生活的瓶度。

⑵非透光部分，一般是組成門窗或透光幕墻的鋁合金型材、膠及相關(guān)的五金配件等，主要的影響其得熱的部件是鋁合金型材，其得熱的影響因素為：太陽輻射的吸收比與傳熱系數(shù)。鋁合金型材的太陽輻射吸收比顯而易見對其得熱影響較大，應(yīng)最大限度地降低太陽輻射吸收比，即應(yīng)最大限度得提髙鋁合金型材的建筑外表面壁的太陽輻射反射比，可采用表面有經(jīng)噴涂或漆膜的鋁合金型材；因?yàn)殇X合金型材導(dǎo)熱系數(shù)較大，熱阻較小，為降低其傳熱系數(shù)，建議選取鋁合金隔熱型材，以阻斷室外向室內(nèi)的傳熱，降低建筑房間通風(fēng)與空調(diào)冷負(fù)荷。

元件在dτ時間內(nèi)與四周介質(zhì)交換的熱量為：

式中，T與θ分別為元件和環(huán)境溫度，S為測溫元件的有效散熱面積，h為熱交換系數(shù)。

元件得到(或失去）熱量dQ后，增溫（或降溫）dT，則：

C_p為比熱，M為元件的質(zhì)量，合并上述兩式，可得：

令

則：

式中，σ稱為熱滯系數(shù)，單位為秒。元件的熱容量越大，散熱面積越小，熱滯系數(shù)則越大。熱交換系數(shù)的大小取決于環(huán)境介質(zhì)的性質(zhì)以及它的通風(fēng)量。

傳熱系數(shù)以往稱總傳熱系數(shù)。國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范統(tǒng)一定名為傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)K值，是指在穩(wěn)定傳熱條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫差為1度（K或℃），單位時間通過單位面積傳遞的熱量，單位是瓦/（平方米·度）（W/㎡·K，此處K可用℃代替），反映了傳熱過程的強(qiáng)弱

s內(nèi)其不僅和材料有關(guān)，還和具體的過程有關(guān)。

①體膨脹系數(shù)(αv):定壓下體積隨溫度的相對變化率，即式中V、T、p分別代表體積、溫度和壓力；下角標(biāo)p表示發(fā)生的過程是在定壓條件下進(jìn)行的。對于固體和液體，αv只隨溫度和壓力發(fā)生些微的變化，因此當(dāng)溫度變化不大時，αv可當(dāng)作常數(shù)；對于理想氣體，αv=1/T。

② 定溫壓縮系數(shù)(K)：定溫下體積隨壓力的相對變化率，即式中"－"號表示體積將因壓力增大而縮小。對于固體和液體,K值隨溫度和壓力的變化甚小，因此可看作常數(shù)；對于理想氣體，K=1/p。

③ 絕熱壓縮系數(shù)(KS)：絕熱條件下體積隨壓力的相對變化率，即式中下角標(biāo)"s"表示絕熱。一般地,KS≯K；水在4℃時，KS=K。

④ 相對壓力系數(shù)(αp):定容下壓力隨溫度的相對變化率，即對于理想氣體，αp=1/T。

各個熱系數(shù)間的關(guān)系是：