賈紀康，司鵬飛，戎向陽，石利軍，楊正武

(中國建筑西南設計研究院有限公司，四川 成都 610041)

被動太陽能建筑被認為是高原建筑最適宜的供暖方式[1].江億等[2]針對拉薩市的資源條件提出了在提升建筑圍護結(jié)構(gòu)性能的基礎上，被動太陽能技術(shù)優(yōu)先的技術(shù)路線；劉艷峰、楊婧等[3-4]針對我國氣候條件提出三級指標，分析了不同地區(qū)各類被動太陽能采暖技術(shù)適宜性；王登甲等[5]針對大量被動太陽能示范建筑實測得出在采暖期過渡時段室溫可達到12 ℃以上，與傳統(tǒng)建筑相比，被動太陽能示范建筑節(jié)能率可達到86%.

直接受益窗作為被動太陽能得熱最有效的構(gòu)件，可利用進入室內(nèi)太陽能的65%～70%[6].Levinson R，Oliveti G，Offiong等[7-9]分別研究了太陽能高度角、窗戶位置和玻璃吸收率等對直接受益窗集熱部件的影響.劉艷峰等[10]對直接受益式太陽能建筑測試發(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、太陽得熱系數(shù)SHGC)，無法解決白天太陽得熱要求的太陽總透射比大和夜間防止失熱希望的傳熱系數(shù)小的矛盾.基于此問題，馮雅、王登甲等[11-12]均提出了采用外窗加設內(nèi)置保溫板或保溫窗簾的方式；余莊等[13]針對亞熱帶地區(qū)夏季需要隔熱、冬季需要保暖的氣候特點提出了氣候適應性窗.

本研究團隊提出了一種具有階躍傳熱特性的透明圍護結(jié)構(gòu)[14]，該技術(shù)在“若爾蓋縣暖巢一號”項目中得到驗證，具有良好的實際應用效果[15].通過對該工程評估后發(fā)現(xiàn)，由于外側(cè)玻璃與墻體結(jié)合不嚴密，圍護結(jié)構(gòu)氣密性難以保障，由此導致透明圍護結(jié)構(gòu)耗熱量大，同時存在施工難度大，造價高等問題.介于上述問題，研究團隊開發(fā)了一種熱工參數(shù)可變的被動太陽能窗，其通過創(chuàng)新圍護結(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，并通過實測和模擬的方式對窗戶的性能進行優(yōu)化分析，對于工程應用具有一定的指導意義.

1 窗戶構(gòu)造與運行原理

1.1 窗戶構(gòu)造介紹

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

圖1 熱工參數(shù)可變的被動太陽能窗結(jié)構(gòu)

1.2 窗戶運行原理

冬季，白天太陽輻射較強時，開啟內(nèi)窗扇，大部分太陽輻射透過外側(cè)單層玻璃進入室內(nèi)，太陽得熱系數(shù)高；夜晚關閉內(nèi)窗扇，窗戶熱阻增大，與Low-E玻璃對中遠紅外輻射高反射特性同時作用，減少夜間通過窗戶的失熱量.夏季，炎熱地區(qū)室內(nèi)空調(diào)運行，關閉內(nèi)、外窗扇，增加窗戶熱阻，防止室內(nèi)冷量損失，同時可降低白天太陽得熱系數(shù)，減少空調(diào)負荷；室外氣候涼爽的地區(qū)同時開啟內(nèi)、外開窗扇，通過自然通風方式降低室內(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證

本文主要采用勞倫斯伯克利實驗室開發(fā)的WINDOW和THERM軟件對產(chǎn)品性能進行模擬研究.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軟件用于計算窗戶U值、SHGC、遮陽和采光等參數(shù)，THERM軟件采用二維有限元方法計算窗框等復雜建筑構(gòu)件傳熱模擬[16].同時，通過實驗測試對計算模型進行了驗證，實驗由具有工程檢測資質(zhì)的第三方檢測機構(gòu)進行.

圖2 窗戶計算模型求解流程

2.1 窗戶模型建立

WINDOW軟件計算整窗的傳熱系數(shù)Ut時，將窗戶分為窗框、玻璃中心和玻璃邊緣三部分，分別計算各自的傳熱系數(shù)U，再以面積加權(quán)的方法計算Ut值，Ut計算公式見式(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t表示窗戶整體；下角標f(i)表示第i部分窗框；下角標e(i，j)表示第i部分窗框與第j部分玻璃對應玻璃邊緣；下角標c(j)表示第j部分玻璃.

玻璃系統(tǒng)中心傳熱系數(shù)Uc計算由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)計算需要在THERM軟件中計算，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)過計算后導入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)《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》(JGJT151-2008)[17]選擇，并與實驗邊界條件保持一致，傳熱系數(shù)計算邊界條件如表3所示.

圖3 窗戶邊框節(jié)點截面

表2 不同窗框材質(zhì)熱物性參數(shù)

表3 傳熱系數(shù)計算邊界條件

2.2 模擬結(jié)果及模型驗證

經(jīng)過模擬計算玻璃中心Uc值為1.24 W/(m2·K)，不同節(jié)點處窗框傳熱系數(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.第三方檢測機構(gòu)對產(chǎn)品Ut值的實驗結(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)點等溫線

圖5 整窗溫度分布

圖6 窗戶傳熱性能第三方檢測

3 窗戶性能模擬優(yōu)化分析

利用上述經(jīng)過驗證的模型，對窗戶開閉狀態(tài)、玻璃系統(tǒng)組合、窗框材料、窗框比等影響因素進行了優(yōu)化分析.

3.1 開閉狀態(tài)下窗戶性能分析

窗戶分為內(nèi)窗扇和外窗扇的優(yōu)勢在于冬季白天太陽輻射較強時開啟內(nèi)窗，外側(cè)為6 mm透明玻璃，可使更多的太陽輻射進入室內(nèi)，夜間關閉內(nèi)窗，增加熱阻，減少室內(nèi)熱量流失.故有必要對內(nèi)窗開、關狀態(tài)下窗戶的性能進行模擬分析.

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

表4 SHGC計算邊界條件

模擬結(jié)果如表5所示，內(nèi)窗扇開啟時，SHGC增至0.69，進入室內(nèi)的太陽輻射得熱增加82%，同時，窗框比由0.31降低至0.16，降低了窗框?qū)μ栞椛涞恼趽踝饔?，最大程度提升了冬季太陽能利?可見光透射比Tvis由0.47增加至0.74，可減少部分室內(nèi)的照明能耗.內(nèi)窗扇關閉時，窗戶Ut降低至1.66，與Low-E玻璃對中遠紅外輻射高反射特性同時作用，夜晚及夏季白天關閉內(nèi)窗扇運行，可大幅降低室內(nèi)冷/熱量流失，同時Low-E玻璃對可見光的高透過性，使得Tvis保持在0.47，夏季白天即使關閉內(nèi)窗扇也能保證一定自然采光.

表5 窗戶不同運行工況下窗戶性能

3.2 玻璃系統(tǒng)形式對窗戶性能影響分析

由于窗戶是圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能薄弱部位，所以針對窗戶不斷有新的節(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)進行對比模擬分析，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)，保溫性能等級達到8級，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%.可見真空玻璃技術(shù)對窗戶傳熱系數(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)對比

外窗作為自然采光主要圍護結(jié)構(gòu)，保證其可見光透射比是基本要求，同時夏季外窗的太陽得熱系數(shù)對節(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，對可見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Low-E玻璃在保證采光的條件下可有效降低太陽得熱；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 窗戶太陽能得熱系數(shù)及采光性能對比

3.3 不同窗框材料對性能影響

通過以上分析可知，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.由于玻璃纖維增強聚氨酯(GRPU)材料導熱系數(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度，作為窗框型材具有很高適宜性.因此，本文通過對G3玻璃系統(tǒng)分別選擇多腔斷熱鋁合金窗框和GRPU窗框進行了對比模擬分析，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比

3.4 窗框比對窗戶性能影響分析

影響窗戶性能的另一個重要參數(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Ut值、SHGC、Tvis分別對比分析，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 窗框比對窗戶性能影響對比

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)可變的被動太陽能窗，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)，也適用于其他嚴寒、寒冷氣候區(qū)，白天能盡可能多的利用太陽輻射，夜晚防止熱量流失；同時也可應用于夏熱冬冷地區(qū)，夏季可隔絕大部分室外得熱，冬季可增加太陽輻射.該窗戶成本增加較少，相對普通三玻兩腔窗戶，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、供暖季負荷，過渡季通過通風調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，通過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)能設計標準以及建筑采光標準.

4 結(jié)論

開發(fā)了熱工參數(shù)可變的被動太陽能窗，通過對該太陽能窗進行模擬優(yōu)化與第三方檢測，得出如下結(jié)論：

(1)樣窗(G3玻璃系統(tǒng))內(nèi)窗扇開啟時，Ut值雖增加至5.30，但進入室內(nèi)的太陽輻射得熱增加82%，遠高于傳熱損失；內(nèi)窗扇關閉時，Ut值降低至1.66 W/(m2·K)，與Low-E玻璃對中遠紅外輻射高反射特性同時作用，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，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，當Uc降低至一定程度后，玻璃系統(tǒng)Uc值對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，窗框型材的傳熱性能對窗戶整體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系，當窗框Uf值與玻璃系統(tǒng)Uc值差別越大時窗框比對整窗Ut值影響越大，高窗框比時，降低窗框的Uf值對降低窗戶Ut值有顯著的效果.