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太陽得熱系數與遮陽系數

來源:2020-2021分析報告  作者:劉忠偉  日期:2021-7-28
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    太陽的表面溫度大約6000℃,內部溫度更高。太陽光是地球上幾乎一起生命所需熱量的來源,因此一般認為太陽光“很熱”,F代科學認為,熱是組成物質分子的熱運動。根據斯蒂芬—波爾茲曼定律,任何物體,只要溫度在0K以上,由于分子的熱運動,每時每刻都在輻射電磁波,無需介質。

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  一、 光與熱

  太陽的表面溫度大約6000℃,內部溫度更高。太陽光是地球上幾乎一起生命所需熱量的來源,因此一般認為太陽光“很熱”,F代科學認為,熱是組成物質分子的熱運動。根據斯蒂芬—波爾茲曼定律,任何物體,只要溫度在0K以上,由于分子的熱運動,每時每刻都在輻射電磁波,無需介質。其輻射的能量密度為:

  太陽光中雖然沒有熱量,但是太陽光有熱效應,即太陽光照射在物質表面上,物質吸收太陽光子獲得能量,使得物質中分子的熱運動加劇,溫度升高,特別是太陽光中的近紅外線的熱效應更顯著。這也就是太陽光溫暖地球的機理。

圖一太陽光譜和熱輻射波譜

  按照斯蒂芬—波爾茲曼定律,只要高于0K,如何物質都在輻射熱輻射,人們所在的空間充滿了熱輻射。北方冬季,人們主要采用暖氣采暖,暖氣使得房間溫暖的主要途徑就是暖氣向其周圍不斷發射熱輻射。由于熱輻射位于遠紅外線,人們只是看不見而已,但是遠紅外線無時不刻環繞在人們周圍。

  二、 建筑玻璃(詞條“建筑玻璃”由行業大百科提供)傳熱機理及表征方法

  圖二是浮法玻璃的光譜圖。由圖二可見,浮法玻璃對于太陽光幾乎是完全透明的,而對于熱輻射則是完全不透明的,這也是玻璃能夠作為維護材料使用的根本原因。試想,如果玻璃對于熱輻射是透明的,那么對于熱量即沒有室內外之分,熱量在室內外之間傳遞沒有任何阻力,玻璃也就不能作為維護材料使用了。

圖二浮法玻璃光譜圖

  圖三表示了浮法玻璃對于太陽光的傳播特性。

圖三浮法玻璃太陽光傳播

  圖中顯示,85%的透射比稱為太陽光的一次透射比或直接透射比,這85%透過的是太陽光。2%的透射比稱為二次透射比或再次透射比,這2%透過的就不是太陽光了,雖然它源于太陽光,但它是玻璃吸收部分太陽光,使得自身溫度升高,向室內發射的熱輻射,即這2%透過的是遠紅外線。太陽光一次透射比加上二次透射比稱為太陽光總透射比。

  設太陽光的輻射照度為 ,玻璃的太陽光總透射比為G,則單位時間通過玻璃單位面積進入室內的太陽能為E:

  太陽光總透射比完美、準確地表征了玻璃對于太陽光的透過性能,即表征了太陽光對室內的熱效應。

  《建筑玻璃可見光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比、紫外線透射比及有關玻璃參數的測定》GB/T2680—94是參照ISO9050—1990標準制訂的。在該標準中,雖然給出了玻璃太陽能總透射比這一參量,但是僅僅將其作為過程量使用,表征玻璃太陽光透過性能采用的是遮陽系數(詞條“遮陽系數”由行業大百科提供)。玻璃遮陽系數的定義是:玻璃太陽光總透射比與3mm透明玻璃太陽光總透射比理論值0.889的比值。此后我國建筑玻璃行業玻璃幕墻行業全部采用遮陽系數表征玻璃、門窗和玻璃幕墻的太陽光透過特性,《公共建筑節能設計標準》GB50189—2005也采用遮陽系數表征玻璃幕墻和遮陽系統對太陽光的透過性能。

  如采用遮陽系數,設太陽光的輻射照度為 ,玻璃的遮陽系數為S,則單位時間通過玻璃單位面積進入室內的太陽能為E:

  G為玻璃的太陽光總透射比,公式(3)恢復的公式(2)。由此可見,遮陽系數的引進純屬多此一舉。

  《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》JGJ/T151—2008是參考ISO15099、ISO10077和ISO9050制訂的。在該標準中采用了遮陽系數,但與GB/T2680不同的是,該標準3mm透明玻璃太陽光總透射比的理論值采用0.87。玻璃太陽光總透射比是絕對值,一塊玻璃只有一個值。而遮陽系數是相對值,同一塊玻璃采用GB/T2680是一個值,采用JGJ/T151是另外一個值。

  《公共建筑節能設計標準》GB50189—2015版摒棄遮陽系數,采用太陽得熱系數 ,對于玻璃而言,太陽得熱系數即是玻璃太陽光總透射比。由于《公共建筑節能設計(詞條“建筑節能設計”由行業大百科提供)標準》GB50189—2015是建筑行業節能設計的綱領性標準,其他相關節能標準將會陸續采用太陽得熱系數替代遮陽系數。

  三、 透明幕墻的太陽得熱系數

  透明幕墻一定是玻璃幕墻,但透明幕墻除玻璃外,還有型材等非透明部分。設太陽輻射照度為 ,幕墻玻璃的太陽光總透射比即太陽得熱系數為G,幕墻玻璃面積為 ,幕墻型材太陽輻射吸收率為 ,型材的傳熱系數為 ,型材的面積為 ,幕墻外表面換熱系數為 。根據牛頓定律,由室外傳入室內的熱量為:

  對于玻璃,太陽得熱系數即是玻璃的太陽光總透射比。對于透明幕墻,太陽得熱系數也可理解成太陽光總透射比,只不過此時的非透明部分的太陽光直接透射比為零,透明部分和非透明部分按面積進行了計權平均。

  四、結束語

  名詞術語的定義非常重要,理解其物理內涵更重要,只有準確理解其物理內涵,應用時才會正確。

作者單位:北京中新方建筑科技研究中心

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專家介紹

 劉忠偉

鋁門窗幕墻委員會專家組

工作單位:北京中新方建筑科技研究中心

技術職稱:教授級高級工程師,工學博士

專業:1.建筑幕墻設計與計算。 2.建筑幕墻應用技術咨詢;《建筑玻璃應用技術規程》JGJ113主編。

專長:建筑玻璃應用科學與技術、建筑物理、建筑節能、建筑幕墻、門窗等專業的設計與研究。

原文地址:http://www.idcps.cn/info/2021-7-28/48272-1.htm
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