窗框对遮阳系数的影响研究

2014-03-31王丽丽孙诗兵王洪涛万成龙

节能技术 2014年2期

王丽丽，孙诗兵，王洪涛，万成龙

(1.北京工业大学材料科学与工程学院，北京 100124;2.中国建筑科学研究院，北京 100013)

0 引言

窗户是建筑外围护结构的开口部位，是沟通室内和室外热环境的重要渠道，是建筑节能设计的重要研究对象。窗框面积虽然仅占窗户总面积的15% ～30%［1－3］，但是窗框作为窗户的重要组成部分，其热工性能对室内热环境的影响也是不容忽视的。

窗框可以选用不同的材料加工制作，窗根据材质的不同主要分为铝合金窗、塑料窗、木窗、玻璃钢窗和复合窗五大类［4］。同一型材中，根据框厚度的不同，窗又可以划分为不同的系列，如:铝合金窗有55系列、60系列、70系列、90系列等［5］。目前，我国节能窗产品窗的设计加工正朝着节能减排的方向发展。总体来说，窗产品节能技术的进步都是保证一定的光照条件下，围绕着控制窗户的得热和失热展开的。不同型材的窗框搭配不同种类的玻璃就会构成各自性能的窗产品，直接影响到室内的热环境和舒适度，从而影响到室内的空调能耗［6］。

遮阳系数是评价窗户热工性能和建筑节能设计的一个重要指标，由于玻璃和窗框材料本身的性质差异，太阳光辐照对玻璃的影响较大［7］，但是其对窗框的影响也不容忽视。由于目前国内外对窗框遮阳系数的研究还不够完善和成熟，因此研究窗框对遮阳系数的影响十分必要，本文主要从窗框的材料和厚度两个方面进行探索，研究了不同材质、不同系列的窗框对整樘窗遮阳系数的影响。

1 窗框的遮阳系数

《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》(JGJ/T 151－2008)中，规定了遮阳系数的相关计算方法及计算公式，可以计算出窗框的遮阳系数［8］。

窗户的遮阳系数SC定义:在给定条件下，太阳辐射透过外窗所形成的室内得热量与相同条件下相同面积的标准窗玻璃(3 mm厚透明玻璃)所形成的太阳辐射得热量之比。

整樘窗的遮阳系数SC应采用下式计算

式(1)中gt为整樘窗的太阳能总透射比，可由计算公式(2)得到

式中 gt——整樘窗的太阳能总透射比;

gg——窗玻璃(或其它镶嵌板)区域太阳能总透射比;

Ag——窗玻璃(或其它镶嵌板)面积/m2;

gf——窗框太阳能总透射比;

Af——窗框面积/m2;

At——整樘窗面积/m2。

太阳能总透射比由太阳光直接透射的热量和太阳热量被窗户系统吸收后向室内再次传递的热量两部分决定。窗框一般由非透明材料，如铝合金、木材、塑料、玻璃钢等加工而成，太阳光不能直接投射到室内，通过窗框进入室内的热量只包括二次传热部分。窗框的太阳光总透射比应按下式计算

式中 hout——室外表面换热系数;

αf——框表面太阳辐射吸收系数;

Uf——框的传热系数/W·m－2·℃－1;

Asurf——框的外表面面积/m2;

Af——框投影面积/m2。

根据窗框遮阳系数的定义，结合式(1)、式(2)可以得到窗框的遮阳系数

2 软件模拟计算分析

由于目前我国对遮阳系数测试装置的研发正处于研制过程中，也就无法通过实验准确获得窗太阳得热系数的实验检测数据，因此要得到某种窗的遮阳系数值只能是通过一些软件进行模拟计算得到［9－12］。

“幕墙门窗热工性能计算软件”(简称“粤建科®MQMC”)是由广东省建筑科学研究院独立自主开发，目前我国唯一符合《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》(JGJ/T 151－2008)要求的软件。该计算软件具有玻璃系统光学热工性能设计计算、框二维传热有限元分析计算、整窗和整幅幕墙热工性能计算等功能。该软件模拟计算结果精度高，可以达到国际先进水平，因此，本实验选择了这一软件对窗进行遮阳系数的模拟计算。

通过软件模拟计算，可以得到玻璃系统的遮阳系数，整樘窗的遮阳系数、传热系数、框窗面积比等参数，然后由计算式(4)就可以得到窗框的遮阳系数。

2.1 模拟计算窗系统

本实验选取了20种不同系列、不同型材、不同玻璃系统配置的内平开窗样品，窗系统如表1所示。

表1 窗系统

2.2 软件模拟计算条件

根据JGJ/T 151－2008，遮阳系数模拟计算选择夏季标准实验条件:

室内空气温度Tin=25℃

室外空气温度Tout=30℃

室内对流换热系数hc，in=2.5W/(m2·℃)

室外对流换热系数hc，out=16W/(m2·℃)

室内平均辐射温度Trm，in=Tin

室外平均辐射温度Trm=Tout

太阳辐射照度Is=500W/m2

2.3 模拟计算结果及分析

本实验对表1中20种不同窗型的铝合金窗、玻璃钢窗、木窗及复合窗进行了遮阳系数的模拟计算，可以得到整窗的传热系数值及遮阳系数值。经过简单计算后可以得到窗框的传热系数Kf及遮阳系数SCf，20种窗窗框的热工性能参数见表2。

表2 不同类型窗窗框的热工性能参数值

从表2中可以看出:窗框遮阳系数值随窗的系列、材料种类及开启方式变化而有所不同，并且呈现出一定的规律。整体看来，窗框遮阳系数值约占整框遮阳系数值的10%左右，最大比例可以达到25%。窗框遮阳系数值SCf随窗型变化情况如图1所示。

从图1中可以看出:

(1)随着窗系列数的不断增大，窗框遮阳系数值基本呈下降趋势;

(2)20种窗型中，78系列内平开下悬铝木复合窗的窗框遮阳系数最小，遮阳系数值可以达到0.02，70系列窗中，70系列内平开木塑铝复合窗框遮阳系数最小，遮阳系数值可以达到0.035，这说明窗框材料复合可以达到较好的遮阳效果;

图1 窗框遮阳系数(SCf)随窗型变化情况

(3)60系列窗中，60系列内平开下悬隔热铝合金窗框的遮阳系数小于60系列内平开隔热铝合金窗，二者计算模型图如图2所示，这说明模型一的遮阳效果优于模型二的遮阳效果。

由于通过窗框进入室内的热量只能通过二次传热实现，由公式(3)可知，影响其进入室内热量的因素有室外表面换热系数、框表面太阳辐射吸收系数、框传热系数、框的外表面面积及框投影面积，因此窗框的遮阳效果与其保温效果密切相关，为确定传热系数对遮阳系数的影响效果，选择了表2中7种不同系列的铝合金窗作为研究对象，分别绘制了窗框遮阳系数和传热系数随系列数变化的曲线图，如图3所示。

从图3中我们可以清楚地看到，窗框遮阳系数随系列数变化趋势与窗框传热系数随系列数变化趋势基本一致，由此可以得出同种材料不同系列窗窗框的遮阳系数主要取决于窗框的传热系数。

以上结果原因分析:

(1)由于窗系列越大，窗框厚度越大，框传热系数越大，当室内外温度一定时，窗系数越大，单位时间内通过窗框向室内传递的热量就越少，从而导致其遮阳系数越小，所以当其它条件一定时，随着窗系列数的不断增大，窗框遮阳系数值不断减小。

(2)铝型材本身导热系数较大，保温性能差，而复合型材采取一定的结构配合形式后可以兼顾材料各自的优势，满足装饰效果、保温性能、隔热性能等要求。木材、玻璃钢、铝合金、PVC四种材料中木材导热系数最小，玻璃钢、PVC次之，铝合金最大，相关研究发现［13］采用铝合金与木材或PVC复合设计后，复合门窗传热系数可以减小到 3.0 W/ (m2·℃)以下，而铝合金型材即使配上现在普遍使用的中空玻璃，传热系数也只能达到 4.0 W/ (m2·℃)左右，因此同系列中，复合型材窗框可以提高窗整体的保温性能，从而得到较好的遮阳效果。

(3)模型一与模型二相比具有较低的遮阳系数，经过计算得到模型一的铝合金窗整框的传热系数为2.87 W/(m2·℃)，模型二的传热系数为3.64 W/(m2·℃)，因此模型一的保温效果较好，遮阳系数较小。