Solvinst

Solvinst genom fönster inkluderar energi som överförs direkt genom glaset och energi som absorberas av glaset och ramen och sedan återutstrålas i utrymmet.

Solvinsten illustreras av snön på taket av det här huset: solljus har smält all snö, förutom området som skuggas av skorstenen till höger.

Solförstärkning (även känd som solvärmeförstärkning eller passiv solförstärkning ) är ökningen av termisk energi för ett utrymme, föremål eller struktur när den absorberar infallande solstrålning . Mängden solvinst ett utrymme upplever är en funktion av den totala infallande solinstrålningen och av förmågan hos något mellanliggande material att sända eller motstå strålningen.

Föremål som träffas av solljus absorberar dess synliga och kortvågiga infraröda komponenter, ökar i temperatur och återutstrålar sedan värmen vid längre infraröda våglängder . Även om genomskinliga byggmaterial som glas tillåter synligt ljus att passera nästan obehindrat, när det ljuset omvandlas till långvågig infraröd strålning av material inomhus, kan det inte fly tillbaka genom fönstret eftersom glaset är ogenomskinligt för dessa längre våglängder. Den fångade värmen orsakar alltså solvinst via ett fenomen som kallas växthuseffekten . I byggnader kan överdriven solvinst leda till överhettning i ett utrymme, men det kan också användas som en passiv uppvärmningsstrategi när värme önskas.

Fönster solar vinst egenskaper

Solvinst tas oftast upp i design och val av fönster och dörrar. På grund av detta används de vanligaste måtten för att kvantifiera solvinst som ett standardsätt för att rapportera de termiska egenskaperna hos fönsterenheter. I USA upprätthåller American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers ( ASHRAE ) och The National Fenestration Rating Council (NFRC) standarder för beräkning och mätning av dessa värden.

Skuggningskoefficient

Skuggningskoefficienten ) (SC) är ett mått på den radiativa termiska prestandan hos en glasenhet (panel eller fönster i en byggnad . Det definieras som förhållandet mellan solstrålning vid en given våglängd och infallsvinkel som passerar genom en glasenhet och den strålning som skulle passera genom ett referensfönster med ramlöst 3 millimeter (0,12 tum) Clear Float Glass. Eftersom de jämförda kvantiteterna är funktioner av både våglängd och infallsvinkel, rapporteras skuggningskoefficienten för en fönsterenhet typiskt för en enstaka våglängd som är typisk för solstrålning som går in vinkelrätt mot glasplanet. Denna kvantitet inkluderar både energi som överförs direkt genom glaset samt energi som absorberas av glaset och ramen och återutstrålas i utrymmet, och ges av följande ekvation:

$F(\lambda ,\theta )=T(\lambda ,\theta )+N*A(\lambda , \theta )$

Här är λ strålningens våglängd och θ är infallsvinkeln. "T" är glasets transmissivitet, "A" är dess absorptionsförmåga och "N" är den del av absorberad energi som återutsänds in i utrymmet. Den totala skuggningskoefficienten ges alltså av förhållandet:

$SC=F(\lambda ,\theta )_{1}/F(\lambda ,\theta )_{o}$

Skuggningskoefficienten beror på strålningsegenskaperna hos fönsterenheten. Dessa egenskaper är transmissiviteten "T" , absorptiviteten "A", emissiviteten (som är lika med absorptiviteten för en given våglängd) och reflektiviteten som alla är dimensionslösa storheter som tillsammans summerar till 1. Faktorer som färg , nyans och reflekterande beläggningar påverkar dessa egenskaper, vilket är vad som föranledde utvecklingen av skuggningskoefficienten som en korrektionsfaktor för att ta hänsyn till detta. ASHRAEs tabell över solvärmeförstärkningsfaktorer ger den förväntade solvärmevinsten för ⅛” klart floatglas vid olika breddgrader, orienteringar och tider, vilket kan multipliceras med skuggningskoefficienten för att korrigera för skillnader i strålningsegenskaper. Värdet på skuggningskoefficienten sträcker sig från 0 till 1. Ju lägre betyg, desto mindre solvärme överförs genom glaset, och desto större är dess skuggningsförmåga.

Förutom glasegenskaper ingår även skugganordningar integrerade i fönstermontaget i SC-beräkningen. Sådana anordningar kan minska skuggningskoefficienten genom att blockera delar av glaset med ogenomskinligt eller genomskinligt material, och på så sätt minska den totala transmissiviteten.

Fönsterdesignmetoder har rört sig bort från Shading Coefficient och mot Solar Heat Gain Coefficient (SHGC) , som definieras som den del av infallande solstrålning som faktiskt kommer in i en byggnad genom hela fönsterenheten som värmeförstärkning (inte bara glasdelen ). Standardmetoden för beräkning av SHGC använder också en mer realistisk våglängd-för-våglängdsmetod, snarare än att bara tillhandahålla en koefficient för en enda våglängd som skuggningskoefficienten gör. Även om skuggningskoefficienten fortfarande nämns i tillverkarens produktlitteratur och i vissa industridatorprogram, nämns den inte längre som ett alternativ i branschspecifika texter eller modellbyggkoder. Bortsett från dess inneboende felaktigheter, är en annan brist hos SC dess kontraintuitiva namn, vilket antyder att höga värden är lika med hög skuggning när det i verkligheten är det motsatta. Tekniska experter inom industrin insåg begränsningarna av SC och drev mot SHGC i USA (och det analoga g-värdet i Europa) före början av 1990-talet.

En konvertering från SC till SHGC är inte nödvändigtvis okomplicerad, eftersom de var och en tar hänsyn till olika värmeöverföringsmekanismer och vägar (fönstermontage kontra endast glas). För att utföra en ungefärlig konvertering från SC till SHGC, multiplicera SC-värdet med 0,87.

g-värde

G-värdet (ibland även kallat solfaktor eller total solenergitransmittans) är den koefficient som vanligtvis används i Europa för att mäta solenergitransmittansen för fönster. Trots att de har mindre skillnader i modelleringsstandarder jämfört med SHGC, är de två värdena i praktiken desamma. Ett g-värde på 1,0 representerar full transmittans av all solstrålning medan 0,0 representerar ett fönster utan solenergitransmittans. I praktiken kommer dock de flesta g-värden att variera mellan 0,2 och 0,7, med solskyddsglas med ett g-värde på mindre än 0,5.

Solvärmeförstärkningskoefficient (SHGC)

SHGC är efterföljaren till den skuggningskoefficient som används i USA och det är förhållandet mellan transmitterad solstrålning och infallande solstrålning för en hel fönsterenhet. Den sträcker sig från 0 till 1 och hänvisar till solenergitransmittansen för ett fönster eller en dörr som helhet, med hänsyn tagen till glas, rammaterial, fönsterbåge (om sådan finns), uppdelade små bommar (om sådana finns) och skärmar (om sådana finns). Transmittansen för varje komponent beräknas på ett liknande sätt som skuggkoefficienten. Men i motsats till skuggningskoefficienten beräknas den totala solvinsten på en våglängd för våglängdsbasis där den direkt överförda delen av solvärmeförstärkningskoefficienten ges av:

$T=\int \limits _{350\ nm}^{3500\ nm}T(\lambda )E(\lambda ) d\lambda$

Här är $T(\lambda )$ den spektrala transmittansen vid en given våglängd i nanometer och $E(\lambda )$ är den infallande solspektrala irradiansen. När den integreras över våglängderna för kortvågsstrålning från solen, ger den den totala andelen sänd solenergi över alla solvåglängder. Produkten $N*A(\lambda ,\theta )$ är alltså delen av absorberad och återutsänd energi över alla monteringskomponenter bortom bara glaset. Det är viktigt att notera att standard SHGC beräknas endast för en infallsvinkel vinkelrätt mot fönstret. Detta tenderar dock att ge en bra uppskattning över ett brett spektrum av vinklar, upp till 30 grader från normalt i de flesta fall.

SHGC kan antingen uppskattas genom simuleringsmodeller eller mätas genom att registrera det totala värmeflödet genom ett fönster med en kalorimeterkammare. I båda fallen beskriver NFRC-standarderna proceduren för testproceduren och beräkningen av SHGC. För dynamisk fenestrering eller funktionsduglig skuggning kan varje möjligt tillstånd beskrivas av olika SHGC.

Även om SHGC är mer realistisk än SC, är båda bara grova uppskattningar när de inkluderar komplexa element som skuggningsanordningar, som ger mer exakt kontroll över när fenestrationen skuggas från solenergi än glasbehandlingar.

Solvinst i ogenomskinliga byggnadskomponenter

Förutom fönster fungerar väggar och tak också som vägar för solenergi. I dessa komponenter beror värmeöverföringen helt på absorption, ledning och återstrålning eftersom all transmittans är blockerad i ogenomskinliga material. Det primära måttet i ogenomskinliga komponenter är Solar Reflectance Index som står för både solreflektans (albedo) och emittans av en yta. Material med hög SRI kommer att reflektera och avge en majoritet av värmeenergin, vilket håller dem svalare än andra exteriörer. Detta är ganska betydelsefullt i utformningen av tak eftersom mörka takmaterial ofta kan vara så mycket som 50 C° varmare än den omgivande lufttemperaturen, vilket leder till stora termiska påkänningar såväl som värmeöverföring till det inre utrymmet.

Solvinst och byggnadsdesign

Solvinst kan ha både positiva eller negativa effekter beroende på klimatet. I samband med konstruktion av passiv solenergibyggnad är syftet med konstruktören normalt att maximera solvinsten i byggnaden på vintern (för att minska på uppvärmning av rum ) och att kontrollera den på sommaren (för att minimera kylbehovet). Termisk massa kan användas för att jämna ut svängningarna under dagen, och i viss mån mellan dagar.

Styrning av solvinst

Okontrollerad solvinst är oönskad i varma klimat på grund av dess potential för överhettning av ett utrymme. För att minimera detta och minska kylbelastningen finns det flera tekniker för att minska solvinsten. SHGC påverkas av glasets färg eller nyans och dess grad av reflektivitet . Reflexionsförmågan kan modifieras genom applicering av reflekterande metalloxider på glasets yta. med låg emissivitet är ett annat mer nyligen utvecklat alternativ som erbjuder större specificitet i de våglängder som reflekteras och återutsänds. Detta tillåter glas att blockera huvudsakligen kortvågig infraröd strålning utan att kraftigt minska synlig transmittans .

I klimatkänslig design för kallt och blandat klimat är fönster vanligtvis dimensionerade och placerade för att ge solvärmevinster under uppvärmningssäsongen. För det ändamålet används ofta inglasning med en relativt hög solvärmekoefficient för att inte blockera solvärmevinster, särskilt i husets soliga sida. SHGC minskar också med antalet glasrutor som används i ett fönster. Till exempel, i treglasfönster tenderar SHGC att ligga i intervallet 0,33 - 0,47. För tvåglasfönster ligger SHGC oftare i intervallet 0,42 - 0,55.

Olika typer av glas kan användas för att öka eller minska solvärmeökningen genom fenestrering, men kan också finjusteras genom att fönstren är rätt orienterade och genom att lägga till skugganordningar som överhäng, jalusier , fenor , verandor och annat arkitektoniska skuggelement.

Passiv solvärme

Passiv solvärme är en designstrategi som försöker maximera mängden solenergi i en byggnad när ytterligare uppvärmning önskas. Det skiljer sig från aktiv solvärme som använder yttre vattentankar med pumpar för att absorbera solenergi eftersom passiva solsystem inte kräver energi för att pumpa och lagra värme direkt i strukturer och ytbehandlingar av upptaget utrymme.

I system med direkt solenergi kan sammansättningen och beläggningen av byggnadsglaset också manipuleras för att öka växthuseffekten genom att optimera deras strålningsegenskaper, medan deras storlek, position och skuggning kan användas för att optimera solvinsten. Solvinst kan också överföras till byggnaden med indirekta eller isolerade solenergisystem.

Passiva solenergidesigner använder vanligtvis stora fönster i söderläge med en hög SHGC och överhäng som blockerar solljus under sommarmånaderna och tillåter det att komma in i fönstret på vintern. När de placeras i vägen för insläppt solljus, lagrar funktioner med hög termisk massa som betongplattor eller trombväggar stora mängder solstrålning under dagen och släpper ut den långsamt i utrymmet under hela natten. När den designas på rätt sätt kan detta modulera temperaturfluktuationer. En del av den aktuella forskningen inom detta ämnesområde tar upp avvägningen mellan ogenomskinlig termisk massa för lagring och transparent glasering för insamling genom användning av transparenta fasförändringsmaterial som både släpper in ljus och lagrar energi utan att behöva överdriven vikt.

Se även