太陽(yáng)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(cè)工作之前，找出通過(guò)熱計(jì)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(jì)量箱標(biāo)定時(shí)，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(jì)量箱壁板材料相同），可以在一定條件下同時(shí)測(cè)量箱壁面溫差與箱壁熱流，通過(guò)設(shè)定不同的工況，在坐標(biāo)圖上能夠得到多個(gè)溫差與熱流的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理就能整理出通過(guò)箱壁的熱流與箱壁內(nèi)外表面溫差的函數(shù)關(guān)系。熱計(jì)量箱置于一個(gè)可以活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室房間內(nèi)，進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)時(shí)房間關(guān)閉，便于提供恒定的標(biāo)定工況，實(shí)際測(cè)量時(shí)推開房間，使熱計(jì)量箱暴露于室外環(huán)境，能夠進(jìn)行窗太陽(yáng)得熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)。熱計(jì)量箱經(jīng)過(guò)標(biāo)定以后，就可以根據(jù)測(cè)量得到的箱壁溫差值求出通過(guò)箱壁的熱流。

使用熱箱法測(cè)量窗的SHGC時(shí)，主要部件可以概括為：

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

同；吸收板用于防止陽(yáng)光直接照射到熱計(jì)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(jì)等。

（3） 控制系統(tǒng)。

國(guó)外已經(jīng)對(duì)窗的太陽(yáng)得熱情況和太陽(yáng)得熱系數(shù)的測(cè)定進(jìn)行了一些研究工作，在測(cè)定條件、儀器設(shè)備、測(cè)定流程、計(jì)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(guó)材料測(cè)試學(xué)會(huì)（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(jì)法測(cè)量通過(guò)試件的熱流及材料的熱物理性質(zhì)、用熱箱法測(cè)量窗的傳熱系數(shù)或建筑組件的熱性能等一系列測(cè)量材料物理性能的方法。

ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)中提出了溫度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)方法、確定太陽(yáng)能收集器性能的測(cè)試方法。美國(guó)國(guó)家門窗評(píng)價(jià)委員會(huì)借鑒了美國(guó)材料測(cè)試學(xué)會(huì)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(yáng)光垂直投射時(shí)測(cè)量窗太陽(yáng)得熱系數(shù)的步驟、測(cè)定玻璃材料太陽(yáng)光學(xué)性質(zhì)的方法。但是美國(guó)國(guó)家門窗評(píng)價(jià)委員會(huì)采用的測(cè)量窗太陽(yáng)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(yáng)得熱系數(shù)測(cè)量的實(shí)際設(shè)備的相關(guān)資料也并未公開。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的標(biāo)準(zhǔn)《ISO 9060 測(cè)量半球太陽(yáng)輻射和直射太陽(yáng)輻射儀器的規(guī)格和類別》中給出了測(cè)量太陽(yáng)輻射的方法，《ISO 15099 窗、門和遮陽(yáng)設(shè)施熱性能的詳細(xì)計(jì)算》中給出了適合計(jì)算機(jī)編程的熱工計(jì)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(cè)量窗太陽(yáng)得熱系數(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。目前，美國(guó)和加拿大已經(jīng)建立了窗年度能耗等級(jí)評(píng)價(jià)體系（Window Annual Energy Rating System）。所謂窗能耗等級(jí)評(píng)價(jià)體系即對(duì)供暖季和制冷季，分別把窗的太陽(yáng)得熱系數(shù)、傳熱系數(shù)等綜合成一個(gè)統(tǒng)一參數(shù)，由它來(lái)評(píng)價(jià)窗的熱工性能。美國(guó)和加拿大的兩個(gè)體系分別給出一個(gè)數(shù)字評(píng)價(jià)供暖季與制冷季各種窗戶的能耗等級(jí)，并限制在低層住宅中使用。

國(guó)內(nèi)高等院校對(duì)窗遮陽(yáng)系數(shù)的測(cè)量進(jìn)行過(guò)研究和實(shí)驗(yàn)嘗試，華南理工大學(xué)的研究人員針對(duì)夏季工況提出測(cè)量窗總熱阻值和遮陽(yáng)系數(shù)值的動(dòng)態(tài)防護(hù)熱箱方法，并用該方法實(shí)際測(cè)試了廣州地區(qū)某住宅西向外窗，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)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(guó)內(nèi)在窗太陽(yáng)得熱系數(shù)測(cè)量研究方面發(fā)表的文章很少，國(guó)內(nèi)也還沒(méi)有測(cè)量窗太陽(yáng)得熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備?？傮w來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)在這方面的研究還比較滯后。

太陽(yáng)得熱系數(shù)既包括直接透過(guò)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(guò)透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)而成為室內(nèi)得熱的太陽(yáng)輻射包括兩部分：一部分是太陽(yáng)光直接通過(guò)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(duì)流與輻射的熱傳遞而形成室內(nèi)的得熱。

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

式中，g——表示試樣的太陽(yáng)能總透射比，%；

τ_e——表示試樣的太陽(yáng)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(jì)規(guī)范》GB 50176中規(guī)定的太陽(yáng)得熱系數(shù)（SHGC）的計(jì)算公式如下：

g——透光部分的太陽(yáng)光總透射比；

A_g——透光部分面積（m²_）；

ρ——非透光部分的太陽(yáng)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(duì)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(hào)右邊分為兩個(gè)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(lái)確定通過(guò)玻璃窗的太陽(yáng)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(yáng)得熱系數(shù)是入射角的函數(shù)。一旦對(duì)特定入射角的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和SHGC已知，太陽(yáng)得熱可用下式計(jì)算：

q_b=SHGC*E_D

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

玻璃的光學(xué)性質(zhì)也會(huì)隨波長(zhǎng)而改變，穿透比和吸收比是光譜平均值。太陽(yáng)得熱系數(shù)值是基于氣團(tuán)比（實(shí)際觀測(cè)到的日光路徑與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下觀測(cè)者處于海平面且太陽(yáng)位于天頂時(shí)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(guó)國(guó)家門窗評(píng)價(jià)委員會(huì)為了使用規(guī)定的環(huán)境和入射輻射條件評(píng)價(jià)門窗的能量性能而推薦采用的。對(duì)于實(shí)際的太陽(yáng)得熱計(jì)算條件或者玻璃表現(xiàn)出光譜選擇性，采用的投射太陽(yáng)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(jì)算時(shí)刻。

標(biāo)準(zhǔn)光譜與在不同的大氣條件和太陽(yáng)入射角時(shí)投射到門窗的太陽(yáng)光譜分布是不相同的。這種差異對(duì)于沒(méi)有強(qiáng)烈光譜選擇性的玻璃來(lái)說(shuō)，影響是很小的。但是具有強(qiáng)烈光譜選擇性的玻璃會(huì)有跟標(biāo)準(zhǔn)光譜不同的太陽(yáng)得熱系數(shù)值。可見光穿透比對(duì)太陽(yáng)光譜變化并不敏感。然而，對(duì)于在可見光部分具有十分強(qiáng)烈光譜選擇性的玻璃來(lái)說(shuō)，可見光穿透比對(duì)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(yáng)高度角較低，直接照射到建筑的太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)得熱系數(shù)在設(shè)計(jì)要求或技術(shù)要求之下，需對(duì)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(yáng)光總透射比有關(guān)，而太陽(yáng)光總透射比由下式計(jì)算得到：

A_s——透光部分面積太陽(yáng)光直接吸收比；

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

h_out——透光部分外表面對(duì)流換熱系數(shù)[W/(m²*K)]。

由此可見，太陽(yáng)光總透射比由兩部分組成，一部分為太陽(yáng)光直接透射，另一部分為太陽(yáng)光直接吸收中向室內(nèi)傳熱的部分。因此，為限制太陽(yáng)光總透射比，須對(duì)太陽(yáng)光直接透射與直接吸收進(jìn)行限制。對(duì)于透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)而言，太陽(yáng)得應(yīng)盡量降低，但對(duì)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(yáng)光總透射比不能太低也不可太高。太陽(yáng)光總透射比太高，透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)光總透射比會(huì)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(shí)還可能因?yàn)闊o(wú)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(duì)玻璃的選擇應(yīng)較為慎重，下面通過(guò)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(wú)色透明玻璃對(duì)可見光與紅外光，透射相當(dāng)高（70%以下），對(duì)室內(nèi)采光而言，是沒(méi)有問(wèn)題的，但其太陽(yáng)得熱非常顯著；陽(yáng)光控制鍍膜玻璃透射較低，對(duì)室內(nèi)采光影響較大，且其對(duì)可見光與紅外光的吸收為三者中最髙，由此而產(chǎn)生的對(duì)室內(nèi)的二次傳熱較大，但其得熱較無(wú)色透明玻璃還是有所降低；低輻射鍍膜玻璃，其對(duì)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(shí)對(duì)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(yáng)輻射的吸收比與傳熱系數(shù)。鋁合金型材的太陽(yáng)輻射吸收比顯而易見對(duì)其得熱影響較大，應(yīng)最大限度地降低太陽(yáng)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(yáng)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(shí)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(cè)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(guó)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(shí)間通過(guò)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(guò)程的強(qiáng)弱

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

①體膨脹系數(shù)(αv):定壓下體積隨溫度的相對(duì)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(guò)程是在定壓條件下進(jìn)行的。對(duì)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(shí)，αv可當(dāng)作常數(shù)；對(duì)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(duì)變化率，即式中"－"號(hào)表示體積將因壓力增大而縮小。對(duì)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(duì)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(duì)變化率，即式中下角標(biāo)"s"表示絕熱。一般地,KS≯K；水在4℃時(shí)，KS=K。

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

各個(gè)熱系數(shù)間的關(guān)系是：