门窗幕墙能量流动的机制

门窗幕墙节能的核心是阻断热能的流动，所以清晰理解门窗幕墙能量流动的机制是首要且重要的。

本篇介绍：门窗幕墙能量流动的机制

一、门窗幕墙能量流动的机制

能量通过以下方式流经门窗幕墙：

1）由室内外空气温差引起的传导和对流热传递；

2）门窗幕墙与周围环境以及玻璃层之间的净长波（2500nm以上）辐射交换；

3）照射到门窗幕墙产品上的短波（2500nm以下）太阳辐射，无论是直接来自太阳还是从地面或相邻物体反射；

4）通过门窗幕墙的空气泄漏。简化计算基于以下观察：天空、地面和周围物体的温度（以及它们的辐射发射）与室外空气温度相关。晴朗的天空情况并非如此，尤其是在夜间，天空比环境空气冷得多。

然后通过假设所有辐射表面（包括天空）的温度与室外空气相同来近似辐射交换。基于此假设，通过窗户的稳态能量流Q的基本方程为：

(1)式中：

Q = 瞬时能量流, Btu/h

U = 总传热系数（U值），Btu/h·ft²·°F

A_pf= 门窗幕墙的总投影面积, ft²

t_in = 室内空气温度, °F

t_out = 室外空气温度, °F

SHGC = 总太阳得热系数，无量纲; 欧洲也称为g值

E_t = 入射总辐照度, Btu/h·ft²

C = 常数, 60 min/h

AL = 当前条件下的空气渗透, cfm/ft²

ρ = 空气密度, lb_m/ft³

C_p = 空气比热容, Btu/lb_m·°F

这里，方程（1）右侧的第一项表示由于开窗温差而产生的热传递，第二项表示由太阳辐射引起的热传递，最后一项表示由空气渗漏引起的热传递。U值、太阳得热系数和可见光透射率以及空气渗漏部分分别讨论了这些主题。方程（1）的主要依据是它的简单性，通过将所有相关的辐射、传导和对流能量传递过程收集到U和SHGC中来实现。但请注意，U值和SHGC的值会有所不同，因为1）对流热传递率随温差或自由流速度的分数幂而变化，2）天气或气候引起的温度变化在控制辐射热传递率的绝对温标（°R）上很小，3）门窗幕墙系统始终至少涉及两个串联的热阻，以及4）太阳得热系数取决于太阳入射角和光谱分布。使用从产品评级中获取的U和SHGC值会导致计算Q时出现一些误差。两者中，较大的误差是由于使用正入射SHGC造成的。

二、温度驱动的热传递

门窗幕墙产品因温度而损失或获得热量，是三种传热方式组合的结果：

1. 热传导：通过玻璃、间隔条和框架传递（热量通过固体材料传递，就像不断升温的煎锅壁）

2. 热对流：通过门窗幕墙产品的室外表面、室内表面和玻璃之间的空气层传递（通过气体或液体的运动传递热量，好比蜡烛火焰上方冒出的热气）

3. 热辐射：在玻璃之间，或者中空玻璃与室内或室外之间的辐射热传递（热能在空间中的移动，不依赖于空气的传导或对流，就像你隔着玻璃仍能感受到阳光的热量一样）。 

玻璃吸收太阳辐射后将更有助于温差传热，而透过玻璃的太阳辐射和温差传热是独立的。被吸收的太阳辐射的一部分将进入室内，并将被纳入SHGC，这三种传热方式如图1所示。热量从较热的物体流向较冷的物体，因此在冬季，热量会从室内流向室外；而在夏季，当室外温度高于室内时，热量会反向流动。

量化这三种传热方式传递的热量是用U值，单位为W/(m²·K)。热阻R值是U值的倒数。NFRC的评级体系可以量化并预测门窗幕墙产品的U值。

图1：门窗幕墙产品的热传递机制

2.1 热传导 

与保温性能良好的墙体相比，普通老式门窗幕墙产品的保温性能实在不敢恭维，单层玻璃门窗与一层金属板无异：事实上，玻璃室内外表面附近的空气对保温的贡献反而更大。这类产品可以被认为是墙体上的“热能漏洞”，其热损失率是保温墙体的10~20倍，保温性能差到可以让热量几乎不受阻碍地从室内流向室外。假设室内温度21°C（70°F），室外温度-18°C（0°F），那么单层玻璃的表面温度大约只有-8°C（17°F），冷到足以在玻璃室内侧结霜。 

2.2 热对流 

对流会影响组件中许多地方的热传递：内玻璃表面、外玻璃表面、框架腔内以及玻璃之间的任何空气间隙内。寒冷的玻璃室内侧表面会冷却其附近的空气。然后，这种密度更大的冷空气落到地板上，形成对流，这通常被认为是由漏风的窗户产品引起的“气流”。解决这种情况的一种方法是安装热损失率较低的产品，以提供更温暖的玻璃表面。

玻璃外表面的空气膜是门窗幕墙产品传热率的另一个组成部分。当风吹过产品（引起对流），空气膜的保温效果将降低，从而导致热量损失率更高。最后，当玻璃片之间有空气时，对流可以加快热量通过该空气层传递，从而导致热量损失率更高。门窗幕墙产品可以通过调整两片玻璃之间的间隙，以及选择一种比空气保温性能更好的惰性气体进行填充，用以最大限度地减少对流引起的热损失。

2.3 热辐射 

所有物体都发射不可见的热辐射，温度较高的物体比温度较低的物体发射更多的热辐射。把你的手放在烤箱前，你会感觉到烤箱玻璃表面散发出温暖的辐射能；同时，你的手也向烤箱玻璃辐射热量，但由于箱玻璃比你的手更温暖，辐射热将净流向你的手，并使你的手更加暖和。现在，想象一下在冬天把你的手靠近一扇玻璃窗，窗户表面比你的手冷得多，它的每个表面都散发着辐射能，但由于你的手相对更温暖，手向窗户散发的能量比吸收的多，因此你就会感觉到一种冷却效果。事实上，房间里冰冷的玻璃表面会使周围的一切都变冷。

注：如果有对门窗幕墙热工分析感兴趣的，可以参考我的《THERM & WINDOW 软件学习笔记》系列文章。