[科普中国]-太阳能得热系数

简介

太阳得热系数既包括直接透过的部分，也包括吸收后放出的热量。由透光围护结构的传热机理可知，通过透光围护结构而成为室内得热的太阳辐射包括两部分：一部分是太阳光直接通过透光围护结构的得热；另一部分是被围护结构吸收的得热经导热、对流与辐射的热传递而形成室内的得热。1

太阳能总透射比表征的得热量包括两部分，一部分是直接透过玻璃进入室内的太阳辐射热，另一部分是玻璃及构件吸收太阳辐射热后，再向室内辐射的热量。这里，太阳辐射热的波长包括从300nm到2500nm的全波长范围。太阳能总透射比的计算公式：g=τe+qi

式中，g——表示试样的太阳能总透射比，%；

τe——表示试样的太阳光直接透射比，%；

qi——表示试样向室内侧的二次热传递系数，%2。

《民用建筑热工设计规范》GB 50176中规定的太阳得热系数（SHGC）的计算公式如下：

式中：

g——透光部分的太阳光总透射比；

Ag——透光部分面积（m2）；

ρ——非透光部分的太阳光吸收比；

K——非透光部分的传热系数[W/(m2*K)]；

αe——非透光部分外表面对流换热系数[W/(m*K)]；

Af——非透光部分面积（m2）；

Aw——透光与非透光的面积之和（m2）；

该公式等号右边分为两个部分，其中Σg*Ag/Aw为透光部分的得热，即为玻璃得热；Σρ*K/αe*Af/Aw为非透光部分的得热，一般是门窗或幕墙的型材、胶与五金件等的得热。1

SHGC用来确定通过玻璃窗的太阳辐射得热。某些特定光谱和入射角的SHGC应当连同传热系数和其它能量性质包括在内。由于光学性质穿透比和吸收比随入射角而变化，根据SHGC的定义式，太阳得热系数是入射角的函数。一旦对特定入射角的太阳辐射强度和SHGC已知，太阳得热可用下式计算：

qb=SHGC*ED

其中：qb是单位面积的太阳得热（W/m2），ED是太阳辐射强度（W/m2）。3

玻璃的光学性质也会随波长而改变，穿透比和吸收比是光谱平均值。太阳得热系数值是基于气团比（实际观测到的日光路径与标准大气压下观测者处于海平面且太阳位于天顶时的日光路径之比）为1.5的标准光谱分布。该光谱是美国国家门窗评价委员会为了使用规定的环境和入射辐射条件评价门窗的能量性能而推荐采用的。对于实际的太阳得热计算条件或者玻璃表现出光谱选择性，采用的投射太阳光谱应当根据标准光谱加以修正，这样就更符合当地的大气条件以及计算时刻。

标准光谱与在不同的大气条件和太阳入射角时投射到门窗的太阳光谱分布是不相同的。这种差异对于没有强烈光谱选择性的玻璃来说，影响是很小的。但是具有强烈光谱选择性的玻璃会有跟标准光谱不同的太阳得热系数值。可见光穿透比对太阳光谱变化并不敏感。然而，对于在可见光部分具有十分强烈光谱选择性的玻璃来说，可见光穿透比对入射光谱形态同样敏感。3

检测方法热箱法，就是在实验装置投入实际检测工作之前，找出通过热计量箱箱壁的热流与壁内外表面温差的函数关系式。进行热计量箱标定时，原本安装窗的地方安装一块标定板（标定板的材料与热计量箱壁板材料相同），可以在一定条件下同时测量箱壁面温差与箱壁热流，通过设定不同的工况，在坐标图上能够得到多个温差与热流的对应点，经过数学处理就能整理出通过箱壁的热流与箱壁内外表面温差的函数关系。热计量箱置于一个可以活动的实验室房间内，进行标定实验时房间关闭，便于提供恒定的标定工况，实际测量时推开房间，使热计量箱暴露于室外环境，能够进行窗太阳得热系数实验。热计量箱经过标定以后，就可以根据测量得到的箱壁温差值求出通过箱壁的热流。3

使用热箱法测量窗的SHGC时，主要部件可以概括为：

（1） 热计量箱、围护板及吸收板：围护板是用来将测试窗安装在热计量箱上，材料与热计量箱壁板相

同；吸收板用于防止阳光直接照射到热计量箱的内壁。

（2） 水循环及制冷系统：水循环及制冷系统主要包括水泵、膨胀水箱、风机盘管、冷凝机组、板式换热器、膨胀阀、流量计等。

（3） 控制系统。3

节能分析在严寒地区，由于纬度较高，正午太阳高度角较低，直接照射到建筑的太阳能较少，全年一般公考虑供暖，而不考虑供冷，所以在严寒地区，太阳得热系数不做限值要求；在其他地区，由于需要考虑夏季供冷，建筑透光围护结构（门窗或透光幕墙）的太阳得热系数必须要加以限制，以降低建筑通风与空调运行负荷，减少建筑能源消耗。1

透光围护结构的太阳得热系数由透光部分的得热与非透光部分的得热组成，为限制其太阳得热系数在设计要求或技术要求之下，需对透光部分与非透光部分的得热进行限制：

（1）透光部分，一般为玻璃，其得热主要与玻璃的太阳光总透射比有关，而太阳光总透射比由下式计算得到：

式中：τs——透光部分面积太阳光直接透射比；

As——透光部分面积太阳光直接吸收比；

hin——透光部分内表面对流换热系数[W/(m2*K)]；

hout——透光部分外表面对流换热系数[W/(m2*K)]。1

由此可见，太阳光总透射比由两部分组成，一部分为太阳光直接透射，另一部分为太阳光直接吸收中向室内传热的部分。因此，为限制太阳光总透射比，须对太阳光直接透射与直接吸收进行限制。对于透光围护结构而言，太阳得应尽量降低，但对于其中的透光部分，即玻璃，并不能一味降低其得得热，这部分的得热需控制在一定的范围，即太阳光总透射比不能太低也不可太高。太阳光总透射比太高，透光围护结构的太阳得热系数增大，加大了通风与空调系统运行负荷，使建筑能耗增加；而太低的太阳光总透射比，虽然使透光围护结构的冷负荷减少了，但是太低的太阳光总透射比会导致其可见光透射比降低，建筑室内不能有效采用，不仅影响生产生活，而且有时还可能因为无法有效采光导致在白天需要打开照明灯具而进行生产生活，反而更加重了通风与空调系统的运行负荷，所以为兼顾透光部分的得热与采光效果，对玻璃的选择应较为慎重，下面通过三种工程上常见的玻璃品种的光谱图进行节能分析。3

由三种不同玻璃品种的光谱图及表1可以看出，无色透明玻璃对可见光与红外光，透射相当高（70%以下），对室内采光而言，是没有问题的，但其太阳得热非常显著；阳光控制镀膜玻璃透射较低，对室内采光影响较大，且其对可见光与红外光的吸收为三者中最髙，由此而产生的对室内的二次传热较大，但其得热较无色透明玻璃还是有所降低；低辐射镀膜玻璃，其对可见光与红外光的反射为三者是最高，可有效降低其得热，同时对可见光的透射处于中等水平，又能够保证生产生活的瓶度。1

⑵非透光部分，一般是组成门窗或透光幕墙的铝合金型材、胶及相关的五金配件等，主要的影响其得热的部件是铝合金型材，其得热的影响因素为：太阳辐射的吸收比与传热系数。铝合金型材的太阳辐射吸收比显而易见对其得热影响较大，应最大限度地降低太阳辐射吸收比，即应最大限度得提髙铝合金型材的建筑外表面壁的太阳辐射反射比，可采用表面有经喷涂或漆膜的铝合金型材；因为铝合金型材导热系数较大，热阻较小，为降低其传热系数，建议选取铝合金隔热型材，以阻断室外向室内的传热，降低建筑房间通风与空调冷负荷。1

研究现状国外已经对窗的太阳得热情况和太阳得热系数的测定进行了一些研究工作，在测定条件、仪器设备、测定流程、计算步骤等方面形成了初步的理论体系，并且已经制定了暂行的标准。美国材料测试学会（American Society for Testing andMaterials，ASTM）发布的标准中，提出用保护热板法或热流计法测量通过试件的热流及材料的热物理性质、用热箱法测量窗的传热系数或建筑组件的热性能等一系列测量材料物理性能的方法。

ASHRAE标准中提出了温度测量的标准方法、确定太阳能收集器性能的测试方法。美国国家门窗评价委员会借鉴了美国材料测试学会和ASHRAE标准中的一些方法，并在这些方法的基础上提出了在阳光垂直投射时测量窗太阳得热系数的步骤、测定玻璃材料太阳光学性质的方法。但是美国国家门窗评价委员会采用的测量窗太阳得热系数的方法也还是暂行的，仍然有待于进一步的改进和完善，关于窗太阳得热系数测量的实际设备的相关资料也并未公开。国际标准化组织（ISO）制定的标准《ISO 9060 测量半球太阳辐射和直射太阳辐射仪器的规格和类别》中给出了测量太阳辐射的方法，《ISO 15099 窗、门和遮阳设施热性能的详细计算》中给出了适合计算机编程的热工计算的具体方法。这些标准的发布为采用实验的方法测量窗太阳得热系数奠定了良好的基础。目前，美国和加拿大已经建立了窗年度能耗等级评价体系（Window Annual Energy Rating System）。所谓窗能耗等级评价体系即对供暖季和制冷季，分别把窗的太阳得热系数、传热系数等综合成一个统一参数，由它来评价窗的热工性能。美国和加拿大的两个体系分别给出一个数字评价供暖季与制冷季各种窗户的能耗等级，并限制在低层住宅中使用。

国内高等院校对窗遮阳系数的测量进行过研究和实验尝试，华南理工大学的研究人员针对夏季工况提出测量窗总热阻值和遮阳系数值的动态防护热箱方法，并用该方法实际测试了广州地区某住宅西向外窗，对现场动态测定窗的节能参数进行了探索，并取得了初步的成果。但国内在窗太阳得热系数测量研究方面发表的文章很少，国内也还没有测量窗太阳得热系数的实验设备。总体来说，国内在这方面的研究还比较滞后。3