从上世纪八十年代国家推行“三步节能”以来，“节能”成为建筑行业最高频的词之一。据统计,各项建筑能源消耗占社会总能耗的三分之一左右，建筑部件中门窗相对墙体、屋面和地面其他三大围护结构来说绝热性能最差，门窗的能耗约占建筑围护结构总能耗的40%~50%，较高门窗能耗不利于我国能源走可持续发展道路，近年来国家标准、地方政策都提高了节能要求，门窗行业一直致力于节能门窗的设计研发工作。
自然界中热量的传递有三种形式：传导、对流和辐射。由于玻璃是透明材料，其涉及的传热形式最多，通过玻璃的传热除上述三种形式外还有太阳能（词条“太阳能”由行业大百科提供）量以光辐射形式的直接透过。衡量通过玻璃进行能量传播的主要指标有可见光透射比Tv，传热系数（词条“传热系数”由行业大百科提供）U值(或K值)，太阳能总透射比SHGC值，太阳红外热能总透射比gIR，如图1所示。
图1
可见光透射比Tv：是对于玻璃窗最基本的功能“采光”来说，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。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。可见光透射比越大，室内采光效果越好。
传热系数U值(或K值)：对于玻璃窗第二大功能“保温”来说，也就是阻隔温差传热的能力，以传热系数U值衡量。传热系数越小，保温性能越好。
太阳能总透射比SHGC：玻璃窗的第三大功能“隔热”，也就是玻璃阻挡太阳辐射热的能力。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)。太阳光总透射比（词条“太阳光总透射比”由行业大百科提供）SHGC值定义为：在300~2500nm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。成为室内得热量的太阳辐射部分包括：太阳辐射通过辐射透射的得热量，太阳辐射被构件吸收再传入室内的得热量(二次传热)。太阳能总透射比近乎完整地表征了玻璃的得热能力，太阳能总透射比越小，隔热性能越好。
太阳红外热能总透射比gIR：在780nm～2500nm 波长范围内的太阳能总透射比，不考虑可见光范围的透射及吸收情况，所以其表征玻璃的得热能力有一定局限性。gIR值越小，玻璃阻挡太阳辐射热的能力越强。目前降低gIR值的技术是采用隔热涂膜（词条“涂膜”由行业大百科提供）玻璃，隔热涂膜玻璃在可见光380~780nm波段范围内，具有较高的透射率及较低的反射率，在红外780~2500nm波段范围内，具有极低的透射率及较高的反射率，这样既可以保证较好的采光效果，又可以达到隔热保温的目的，但因其限制太阳辐射的局限性及本身技术不够成熟应用很少，所以在此不再详述。
在夏季或者热带气候地区，室外的热量通过门窗传导入室内主要通过以下两个途径：a.热传递(通过室内外温差实现);b.太阳得热(通过太阳辐射实现)。我们通过影响这两条途径来达到节能的目的，影响热传递是为了保温，影响太阳得热是为了隔热。保温效果通过U值来衡量，而隔热效果通过SHGC来衡量。
本文中笔者选取了三樘窗，分别是40系列普铝窗、65系列隔热断桥铝窗配24mm宽聚酰胺型材、91系列隔热断桥铝窗配54mm宽聚酰胺型材，用THERM及WINDOW软件来模拟对比三樘U值及SHGC值(计算边界条件和计算方法参考JGJ/T 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》)，由于篇幅限制只展示了典型的框扇组合部分窗框的节点（词条“节点”由行业大百科提供），立面图及节点图（词条“节点图”由行业大百科提供）如图2所示。
图2
1. U值
1.1、 U值概念
U值定义：热透过比[W/(㎡.K)]，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(1)。玻璃的U值计算是标准的一部分，可以用计算软件WINDOW进行相关计算;窗框的传热是二维问题，无法求解析解，需要用数值法求解每个节点的温度和热流量，可以用国际通用的THERM软件来计算。
1.2、 玻璃U值
ISO 10292-1994《建筑玻璃多层玻璃窗稳态u-值(传热系数)的计算》适用于玻璃U值计算，并未具体计算热流量和温度分布，使用计算公式(4)。
基尔霍夫定律(热辐射定律)：任意物体在热力学平衡状态下发射和吸收热辐射时，物体的吸收比等于它的发射比。对不透明物体：吸收比+反射比=1。对黑体：黑体吸收所有入射辐射，并发射所有辐射，吸收比=发射比= 1，反射比=0。
发射比也常称为发射率，是物体热辐射与黑体热辐射之比。普通物体的发射比低于理想黑体，在0和1之间。降低室内表面发射比ε最常见的方式就是在室内侧采用Low-e镀膜减少辐射传热，Low-e镀膜发射较少辐射，吸收较少辐射，反射更多辐射。
笔者用WINDOW软件模拟计算了几款玻璃的U值和SHGC值(如表1)，综合上文所述可得结论：a.降低单片玻璃U值：要增大玻璃系统热阻（词条“热阻”由行业大百科提供）R，需要通过增加玻璃厚度或者采用夹胶玻璃，但都影响都很小;有效措施是增大室内表面热阻 ，需要在室内侧镀硬Low-e膜(在线镀膜)。
b.降低中空玻璃U值：要增大玻璃系统热阻R，可以增加玻璃厚度(影响很小)、适当增加中空层厚度(降低传导，增大热阻)、在中空层填充惰性气体(降低对流和辐射传热)、在中空层内一侧玻璃表面镀软Low-e膜(离线镀膜，膜的位置几乎不影响U值);也可以在室内侧镀硬Low-e膜(在线镀膜)增大室内表面热阻 ，但一般不与离线镀软Low-e膜同时使用。
1.3、 窗框U值
大多数玻璃U值的概念也适用于窗框，理论上通过镀Low-e膜来降低室内表面发射比ε对于降低窗框U值同样有效，但工艺和耐久性（词条“耐久性”由行业大百科提供）是目前不能解决的难题，所以我们着意于增大窗框系统的热阻。可以从传热学原理采取相应措施：a.降低传导：采用断桥铝来代替普铝，增加隔热条长度;b.降低对流和辐射：在隔热腔增加尼龙隔板或者填充发泡、采用长尾胶条等。
图3 普铝40系列
图4 隔热断桥65-24系列
图5 隔热断桥91-54系列
1.4、 整窗U值
2. SHGC值
2.1、 SHGC值概念
GB50189-2015《公共建筑节能设计规范》、JGJ26-2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》、JGJ134-2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计（词条“建筑节能设计”由行业大百科提供）标准》、JGJ 75-2012《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》中，对于建筑立面（词条“建筑立面”由行业大百科提供），不同的窗墙比的玻璃材料，都有遮阳系数Sc或者太阳得热系数SHGC的具体参数限制。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（词条“精度”由行业大百科提供）上就得不到满足。美国已经废除了遮阳系数这个概念。目前国内普遍采用SHGC值来进行建筑能耗（词条“建筑能耗”由行业大百科提供）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，两者关系如公式(10)，0.87是3mm透明玻璃的SHGC。
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，太阳照度被定义为783 W/㎡，可用WINDOW软件直接计算玻璃的SHGC值，使用计算公式(11)。
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。SHGC值对节能效果的影响，是与建筑物所处的不同气候条件相联系的。在炎热气候条件下，应该减少太阳辐射热量对室内温度的影响，此时需要玻璃具有相对低的SHGC值。而在寒冷气候条件下，应充分利用太阳辐射热量来提高室内的温度，此时需要高SHGC值的玻璃。
图6
根据图6，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(12)
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(13)。太阳能透射比 和反射比 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。综上，SHGC的二次得热原理和U值的传热原理几乎一样。
2.2、 玻璃SHGC值
通过分析表1中SHGC值对比可以看出，增加玻璃层数、增大中空层厚度、Low-e镀膜可以有效降低SHGC值，使用Low-e膜是目前最有效的降低SHGC值的措施。Low-e膜通过两种机制影响SHGC值：a.改变玻璃在太阳光谱范围内的光学性质( 和 )，例如降低太阳能透射比 ;b.降低内流分数(N)，使较少热量传到室内。前者是主要作用，后者是次要作用。
如图7所示，对于双层中空玻璃Low-e膜位置不影响U值，但会影响SHGC，在表1中也已经验证过。Low-e膜不管位于#2表面还是#3表面，太阳能透射比 并没有改变。膜位于#2表面时，太阳能吸收比 较高，但是总体SHGC较低，因为内流分数较小，较多热量被吸收，但较少被传到室内，SHGC较低，适用于常年制冷地区。膜位于#3表面时，太阳能吸收比 较低，但是总体SHGC较高，因为内流分数较大，较少热量被吸收，但较多被传到室内，SHGC较高，适用于常年采暖地区。
图7
2.3、 窗框SHGC值
铝窗框对于太阳辐射是不透明的，但热量一定会从高温侧传递到低温侧，所以太阳热量可以通过窗框以二次得热的形式传递。窗框SHGC值可以被认为是一种没有直接太阳透射的特例，太阳能透射比 =0，只考虑二次传热，如图8所示。
图8
在JGJ/T 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》7.6中窗框SHGC值使用公式(14)：
由公式(14)得出两种降低太阳得热的方法：a.降低窗框的表面太阳能吸收系数 ，比如采用浅色外表面;b.提高窗框的保温性能降低U值，比如增加隔热条宽度、增加发泡。
笔者通过公式(14)计算了三个系列的框扇组合部分框的SHGC值，如表4所示。综上，降低窗框U值，也可以降低窗框的SHGC值，65系列隔热断桥铝窗与40系列普铝窗相比，窗框SHGC值降低了47.9%;91系列隔热断桥铝窗与40系列普铝窗相比，窗框SHGC值降低了80.0%。
2.4、 整窗SHGC值
JGJ/T 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》3.4.1中规定了整窗SHGC计算使用公式(15)：
笔者又分别模拟了三个系列框、中梃、梃扇部分SHGC值(具体计算步骤不再赘述和展示)，按照公式(15)搭配不同配置的玻璃来计算整窗的SHGC值，计算出三个系列整窗SHGC值(如表5)。对比表5中数值可以得出，不管是优化玻璃配置还是增加窗框的保温性能都有助于降低整窗的SHGC。采用相同配置玻璃时，65系列隔热断桥铝窗与40系列普铝窗相比，整窗SHGC值降低了9.3%;91系列隔热断桥铝窗与40系列普铝窗相比，整窗SHGC值降低了16.3%。
3. 总结
门窗的保温隔热性能主要通过U值和SHGC值来体现，保温性能由U值大小决定，隔热性能由SHGC值大小决定。整窗U值与玻璃U值、窗框U值、间隔条（词条“隔条”由行业大百科提供）选用以及玻窗比有关，整窗SHGC值与玻璃SHGC值、窗框SHGC值以及玻窗比有关。在常年取暖或者采暖能耗高于制冷能耗地区，节能型门窗具有相对低的U值和相对高的SHGC值;在常年制冷或者制冷能耗高于采暖能耗地区，节能型门窗具有相对低的U值和相对低的SHGC值。但是U值和SHGC值并不是两个完全没有关系的数值，对于玻璃来说，大部分降低U值的措施都是可以降低SHGC值的，但两者之间并没有绝对性关系，Low-e膜位置对SHGC值起着决定性作用;对于不透明的窗框来说，SHGC值与U值成正比关系。
参考文献
[1] JGJ/T 151-2008.建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程
[2] GB 50189-2015.公共建筑节能设计标准
[3] ISO 10292-1994.Glass in building-Calculation of steady-state Uvalues(thermal transmittance)of multiple glazing
[4] ISO 9050-2003. Glass in building-Determination of light transmittance,solar direct transmittance,total solar energy transmittance,ultraviolet transmittance and related glazing factors
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