玻璃幕墙保温效果好吗（带你了解门窗和幕墙的采光）

和太阳相关无非两大点：“光”和“热”，门窗的采光、隔热与保温节能性都与此相关，直接影响居住舒适度。在门窗中只有玻璃是透明的，是唯一具有采光功能的部件，所以今天从玻璃入手，从光学、热学出发，讲四个概念——“辐射”、“采光”、“隔热”、“保温”。（文字很多，精华看图3、4、5、6）

01

辐射

第一个概念，太阳能包括光能和热能。在物理学里面，光是波，只要是波就肯定有能量，波撞到物体上后一部分折射出去，被眼睛捕捉到了，那么我们就看到了光。还有一部分被物体吸收，如果不转换成机械能的话，就会以内能的形式留在物体体内，就是我们所说的“热”。

太阳辐射是指太阳以电磁波的形式向外传递能量，太阳辐射所传递的能量，就是太阳辐射能了。

太阳表面温度约6000K，标准定义的光谱范围为280~2500nm，包括紫外线、可见光和近红外线（如图1），这部分我们称之为太阳辐射光谱。

图1 太阳辐射光谱曲线

对于普通低温物体，仅在4000~25000nm的长波范围内有远红外辐射。温度越高的物体其所辐射出的能量越多（如图2）。

图2 远红外辐射光谱曲线

玻璃对于太阳辐射（紫外线、可见光和近红外线）是透明的，对于低温物体的热辐射（远红外线）是不透明的，远红外辐射只能被玻璃吸收或反射。玻璃吸收这部分能量后温度会升高，并通过与空气对流传导和辐射向两侧再发出热辐射而损失这部分能量，因此这部分能量最终还是透过了玻璃，只不过是以先吸收再发射的方式透过的，而透过玻璃的能量多少取决于玻璃内外侧的温差大小。（如图3）

图3

02

采光

玻璃窗最基本的功能“采光”，也就是玻璃对可见光的透过能力，以可见光透射比Tv来衡量（此概念上期也有提到）。行业标准JGJ/T 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》对可见光透射比定义为，采用人眼视见函数进行加权，标准光源透过玻璃、门窗或玻璃幕墙成为室内的可见光通量与投射到玻璃、门窗或玻璃幕墙上的可见光通量的比值。可见光定义的光谱范围为380~780nm，可见光透射比越大，室内采光效果越好。（如图4）

图4

03

隔热

我们最早接触的概念是“遮阳”，“隔热”是对遮阳更准确的描述。以往遮阳系数Sc是表征隔热性能的标准，现在美国已经废除了遮阳系数这个概念。

目前国内普遍采用太阳得热系数SHGC来进行建筑隔热分析, 国内2015版GB50189《公共建筑节能设计标准》中，外窗的Sc值也由SHGC值替换了。

SHGC可以直接计算或测量，遮阳系数Sc无法直接计算或测量，只可以从SHGC换算。遮阳系数Sc起初是作为一个单一数值来比较玻璃对太阳得热的控制能力，简单但不够精确。Sc只定义了窗户玻璃这部分的太阳得热能力（Scg），整窗遮阳系数Scw是以玻璃Scg乘以玻窗比来计算，也就是忽略了窗框的影响。Sc还可以用来表征一定范围太阳方位角下玻璃的太阳得热性能，但是当太阳入射角较大时，精度上就得不到满足。遮阳系数Sc与太阳得热系数SHGC两者关系如公式（1），0.87是3mm透明玻璃的SHGC。

公式（1）

在欧洲，SHGC又被称为太阳能总透射率（Total Solar Energy Transmittance）、太阳能因子（solar factor）或g值（g-value）。太阳得热系数SHGC值定义为：在280~2500nm波长范围内，通过玻璃门窗或玻璃幕墙成为室内得热量的太阳辐射部分，与投射到玻璃、门窗或玻璃幕墙构件上的太阳辐射照度的比值。

在自然条件下，太阳辐射包括直接辐射和漫射辐射，直接辐射相对于玻璃表面有一定角度，而且角度随时间变化。SHGC也是基于理想化的环境条件，在SHGC的定义中，仅考虑直接太阳辐射，并且太阳辐射方向和玻璃表面垂直。美国NFRC标准体系中SHGC标准用于门窗系统评级，玻璃的SHGC计算是标准的一部分，使用数值计算法求解每个节点的温度和热流量，使用计算公式（2）。

公式（2）

Q——太阳得热速率（W）；

I——太阳照度（单位面积上的太阳辐射量）（W/m²）；

A——投影面积（m² ）

根据图5，我们从太阳得热原理来分析，太阳得热Q应该包括直接透射得热和二次得热，如公式（3）

公式（3）

ISO 9050-2003《建筑玻璃.光透率、日光直射率、太阳能总透射率及紫外线透射率及有关光泽系数的测定》仅适用于玻璃SHGC评级，使用解析法，并未具体计算温度分布，不需要知道太阳照度，使用计算公式（4）。太阳能透射比τ和反射比ρ是光学性质，只有热辐射，没有对流和传导。内流分数N是一个热学性质，同时有辐射、对流和传导，而这部分正好影响的是玻璃的保温性能。

公式（4）

τ——太阳能透射比；

α——太阳能吸收系数；

N——吸收太阳能的内流分数

图5

玻璃的SHGC值增大时，意味着可以有更多的太阳直射热量进入室内；减小时，则将更多的太阳直射热量阻挡在室外。

04

保温

保温性能通常用传热系数U值来衡量，即在稳态（热传递时没有温度变化，无热量存储）传热条件下，两侧环境温度差为1K时，在单位时间内通过单位面积门窗或玻璃幕墙的热量。从定义可以看出U值取决于标准中定义的环境条件，在自然条件下不存在稳态传热条件，所以U值是为了产品评级而人为定义的量，不存在自然条件下的U值。美国NFRC标准体系适用于门窗系统计算，使用数值计算法，可以计算玻璃和窗框各自U值，使用计算公式（5）。

公式（5）

Q——热透过速率（W）；

——室内外温差（K）；

A——投影面积（m²）

从传热学原理来讲，传热有三种方式：传导、对流和辐射，传热总是从高温物体至低温物体，U值可以用热通量q来表达，如公式（6）：

公式（6）

q——热通量（单位面积上的热流量）（W/m²）

热通量q包括由于玻璃两侧温差产生的传热和因太阳辐射热产生的传热两部分，降低辐射传热既可以提高玻璃的隔热性能，也可以提高玻璃的保温性能，所以玻璃的保温性能与玻璃的隔热性能正相关。（如图6）

图6

不同的时间、季节、地域、场所，我们希望从太阳中得到的可见光和热量是不同的。比如公建白天使用多，重在防太阳热辐射；居住建筑夜晚使用多，重在保温；北方寒冷地区需要高的太阳得热和低的热损失；南部炎热地区需要低的太阳得热和低的热获得。所以，上述几种性能间不是各自独立的，我们需要根据不同需求来配置我们的玻璃

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