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我以为夏天窗边很热是因为室外很热,热量"渗透"进来。这不是唯一原因吧?
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问得好。通过窗户进入的热实际上有两种。一种是你说的,由室外气温和室温的差值通过玻璃传导进来的"贯流热"。另一种是太阳光本身通过窗户直接进入室内使其升温的"日射热取得"。而且夏季白天,大窗户通常后者远大于前者。窗户既是"墙上的洞",也是"直接进光的洞",因为有这个特性。
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日射通过窗户的量由什么决定?玻璃就是玻璃,有区别吗?
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这就牵出了"SHGC(日射热取得率)"这个概念。窗户接收的日射中最终转化为室内热量的比例,用0~1的数字表示。透明单层玻璃的SHGC约为0.86,意思是照射的日射86%进入室内。但双层Low-E玻璃可以降到0.40。试试点击左边的"玻璃类型"选项,在同样日射强度下,进入室内的日射热 Q_solar 会有显著下降。
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Low-E的巧妙之处就在这里。Low-E是"Low Emissivity(低放射率)"的缩写,玻璃表面涂有薄金属膜。这层膜能很好地透过人眼看得见的可见光,但反射传热的红外线。所以房间依然明亮,只是日射热被挡住了。这和热线吸收玻璃通过加深颜色来遮挡的原理不同。它完美满足"要降低冷房负荷但又想要明亮房间"的需求。
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不是不行,但"室外遮蔽"比"室内窗帘"效果好得多。室内窗帘是日射透过玻璃进入室内后才遮挡,吸收的热大部分最终还是留在房间里。而窗檐、外付百叶窗这样的室外遮蔽,在日射打到玻璃之前就把它挡住了。热根本进不了建筑物。本工具的 IAC 表示的是室内窗帘效果,但要真正有效地降低制冷负荷,室外遮蔽才是王道。
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完全同意,这正是SHGC设计的难点所在。冬天日射热取得就成了"免费暖气",很珍贵。所以在寒冷地区,南向大窗会特意选高SHGC值,利用冬季日射减少采暖负荷。相反炎热地区或有西晒的窗就选低SHGC。怎么既"夏天遮,冬天透"呢?答案就是有季节效应的窗檐。夏季太阳高,窗檐遮挡日射;冬季太阳低,日射能从窗檐下透进来。
什么是SHGC(日射热取得率)?
SHGC(Solar Heat Gain Coefficient,日射热取得率)是指窗户接收的日射中最终转化为室内热量的比例,用0~1的无量纲数表示。包括直接透过玻璃的部分和玻璃吸收后向室内侧重新辐射、对流进入的部分。SHGC=0.40表示接收的日射能量的40%转化为室内热量。单层透明玻璃约为0.86,双层Low-E约为0.40,三层Low-E约为0.28,因玻璃结构而异。
窗户热取得如何计算?
通过窗户的总热取得是"日射热取得"和"贯流热取得"的合计。日射热取得为 Q_solar = SHGC × IAC × A × I,其中A为窗户面积,I为日射强度,IAC为室内侧遮蔽(百叶窗等)的系数。贯流热取得由内外温差导致的传导产生 Q_cond = U × A × ΔT,U为热贯流率。总热取得 Q_total = Q_solar + Q_cond,本工具计算这些值并判断对制冷负荷的影响。
为了降低夏季制冷负荷应该改善窗户的哪些方面?
在大窗户上,日射热取得 Q_solar 远大于贯流热取得 Q_cond,成为夏季制冷负荷的最大因素。最有效的是降低SHGC,即改用Low-E玻璃。Low-E涂层可以保证可见光透过的同时大幅削减日射热。更有效的是外部遮蔽(窗檐、外付百叶窗、遮阳帘),在日射进入玻璃之前就遮挡,相比室内百叶窗降低制冷负荷的效果更高。
室内百叶窗和外部遮蔽哪个更有效?
在遮蔽率相同的情况下,外部遮蔽效果远优于室内百叶窗。室内百叶窗是在日射透过玻璃进入室内后才遮挡,吸收的大部分热量最终仍留在室内。而窗檐或外付百叶窗在日射到达玻璃前就反射、遮挡,热本身就不进入建筑。本工具的IAC(室内侧遮蔽系数)表示室内百叶窗的效果,低值(约0.3)相当于强遮蔽,但实际窗户设计建议配合外部遮蔽使用。
住宅省能设计: 独栋住宅和公寓的窗户既影响夏季制冷负荷,也影响冬季采暖负荷。日本的省能基准中,窗户性能(热贯流率U和日射热取得率η=SHGC)是重要指标。南向大玻璃门改用双层Low-E,夏季用窗檐遮挡日射——这样的设计能明显减少空调耗电。本工具可作为第一步,比较不同玻璃类型和窗户面积对制冷负荷的影响。
办公楼、全玻璃幕墙: 全玻璃外立面的建筑中,窗户日射热取得是空调能耗的主导因素。通常会按方位选用不同SHGC的玻璃,或在西向、东向安装外付遮阳板。在设计初期用"窗户面积×SHGC×日射强度"的量级估算,有助于提高空调容量选型和年能耗模拟的精度。
建筑环保模拟的前期检查: 在用EnergyPlus、TRNSYS等专业热负荷计算软件前,先用本工具这样的简化公式把"日射热和贯流热哪个起主导"搞清楚。若日射主导,就重点关注玻璃SHGC和遮蔽;若贯流主导,就关注断热(U值)。这样能明确设计的优先方向,详细模拟的结果若与粗算差别大,也能用来排查输入错误。
既有建筑改造评估: 旧楼或旧住宅的窗户改造——是加内窗?改Low-E双层?还是装外遮阳板?投资效益怎样?本工具可用来切分判断:若只提高U值(降低贯流热),夏天的暑热问题解决不了,因为日射热被挡不住;反之,只遮蔽不改玻璃,冬天又会很冷。根据实际问题是"夏热冬冷"还是"夏热偏轻"来决策,才能投资到位。
最常见的误解是"提高窗户隔热(U值)可以让夏天也凉快" 。U值只影响由温度差驱动的贯流热 Q_cond,对太阳光本身进入的日射热 Q_solar 几乎无关。看本工具的默认设置(双层Low-E),Q_solar 是 1680 W,Q_cond 才 168 W——相差10倍!夏天窗边热的根本原因是日射热,要解决必须降低SHGC和加遮蔽,不是靠提高U值。"高断热=万能"这个想法要纠正。
其次是认为"日射强度总是一样的" 。窗户接收的日射强度 I 随时刻、季节、方位、天气大幅变化。盛夏正午无云时,水平面直达日射逼近1000 W/m²,阴天只有100~200 W/m²。南向和西向窗峰值时刻和强度都不同。本工具输入的 I 是"某一瞬间该窗面受到的日射",要算年制冷负荷需要按时刻和方位分段的日射数据。别把一点的计算结果当成年均值。
第三个误区是"SHGC越低越好" 。在冷房为主的地区,低SHGC确实有利;但在采暖为主的寒冷地区,日射热是"免费暖气",降得太低反而冬季采暖耗能增加。南向窗的最优SHGC取决于当地气候(是冷房卓越还是采暖卓越)和窗口朝向。理想状态是"夏遮冬透",这靠有季节性效果的室外遮蔽(如窗檐)实现——夏天阳光高遮住它,冬天阳光低射进来。设计SHGC时要有这种全年视角。