门窗保温与隔热的区别

什么是保温，什么是隔热？保的什么温，隔的什么热？本期聊聊这个话题。
不妥之处敬请指正！— 1 —保温vs隔热保温vs隔热是门窗幕墙行业耳熟能详的两个词：比如门窗保温性能，隔热铝合金窗等等。
那么什么是保温，什么是隔热呢？GB/T 8478-2020《铝合金门窗》中给出了门窗保温性能和隔热性能的定义。
门窗保温性能：门窗在冬季阻止热量从室内高温侧向室外低温侧传递的能力，用传热系数K表征。
门窗隔热性能：门窗在夏季阻隔太阳辐射得热的能力，用太阳得热系数SHGC(太阳能总透射比g)表征。
(注：门窗夏季隔热还包括阻止室外高温产生的温差得热部分，但因其温差得热远小于太阳辐射得热，故门窗隔热性能主要以太阳得热系数表征。
)常遇到保温、隔热概念分不清楚的情况，如把保温性能说成隔热性能、保温隔热性能等。
那么保温和隔热到底有什么区别，保的什么温，隔的什么热呢？— 2 —保的什么温，隔的什么热？说起保温和隔热的本质区别，就要从热辐射说起了。
大家知道，凡是高于绝对零度(-273℃)的物体都在以波的形式向外辐射热量，辐射波长与温度有关。
冬季，室内物体辐射主要由暖气、人体、家用电器等产生，温度相对较低，辐射热量波段范围较长，约为4.5-50um；除了辐射外，还有空气对流传递的热量。
夏季，室内得热量主要是太阳照射能量，由于太阳自身温度极高，辐射热量波段集中在300-2500nm范围的紫外线、可见光和近红外光波段上。
保温，是在冬季阻止热量从室内高温侧向室外低温侧传递，阻挡的是4.5-50um长波辐射热量和室内空气对流传热量。
隔热，是夏季阻隔太阳辐射得热的能力，主要阻挡的是太阳光300-2500nm波段的辐射。
这就是保温和隔热的本质区别。
— 3 —门窗如何保温？说起门窗保温，先要了解冬季门窗热传递过程。
室内热量通过对流和辐射传递给门窗内表面。
室内物体温度相对较低，辐射波长范围约为4.5-50um，玻璃对这个波段辐射完全阻挡，室内热量无法通过玻璃直接辐射到室外。
那么，室内热量是如何到室外的呢？室内热量需要先经过辐射和对流方式传递给门窗内表面，门窗框和玻璃一般为薄壁多腔构造，内表面热量以导热方式传递给空腔内侧表面，再通过对流和辐射方式传递给空腔外侧表面，然后以导热方式传递给门窗外表面，最后以对流和辐射方式传递给室外环境空间。
以目前最常用的Low-E玻璃为例，它是如何保温的呢？Low-E玻璃的E就是"辐射率"英文"Emissivity"的首字母，膜层表面辐射率可以低至0.15-0.25(在线)和0.02-0.15(离线)，而普通玻璃表面辐射率为0.84。
Low-E玻璃的辐射率直接决定了中空玻璃K值，这是因为辐射率反映的是4.5-50 um的传热特性。
在普通中空玻璃中，空腔传热为对流和辐射形式，其中辐射换热约占60%，如果将其中一片更换为Low-E玻璃(膜层朝向空腔)，假定辐射率为0.02，则辐射传热所占比例下降至5%以内，大大降低了辐射传热强度。
这就是Low-E玻璃的保温原理。
窗框保温原理类似，一般通过低导热系数材料、多腔体构造、断桥隔热等方式来阻挡室内热量传递。
— 4 —门窗如何隔热？说起门窗隔热，要区分下透光的玻璃和不透光的窗框。
玻璃是透光围护构件，太阳辐射可直接透过玻璃进入室内。
玻璃在太阳光波段的透过特性决定了其隔热性能。
普通玻璃、Low-E玻璃（单银、双银、三银）典型的太阳光谱透过特性见下图。
可以看出，Low-E玻璃在300-2500nm，尤其在780-2500nm波段透过率较低，其中三银Low-E玻璃效果最为明显，可大大降低中空玻璃太阳得热系数SHGC(或太阳能总透射比g)。
另外就是窗框。
窗框属于轻质薄壁构件，几乎无热惰性。
窗框太阳得热系数SHGC(太阳能总透射比gf)可由下式得到：式中：hout——室外表面换热系数，W/(m2·K)；αf——框表面太阳辐射吸收系数；Uf——框的传热系数，W/(m2·K)；Asurf——框的外表面面积，m2；Af——框投影面积，m2。
可见，窗框太阳得热系数SHGC(太阳能总透射比gf)与框传热系数Uf密切相关，保温性能好(Uf低时)时窗框隔热性能也好(SHGC/gf也低)。
窗框属于不透光构件，外表面吸收太阳辐射后温度升高，再向室内侧传递。
建筑热环境中用概念"室外综合温度"来反映室外气温和太阳辐射热作用所产生的当量温度，以tsa表示：式中：tsa——室外综合温度，℃；te——室外空气温度，℃；ρs——外表面太阳辐射吸收系数；I——太阳辐射照度，W/m2；αe——外表面换热系数，W/(m2·K)。
一般来讲，室外侧综合温度可达到60-70℃，下面夏季计算时假定外表面综合温度为70℃。
以相同尺寸和表面处理方式的断桥和非断桥铝合金型材为例，假定除框传热系数Uf外其他参数相同，有限元模拟见下图。
夏季时，室内侧表面温度模拟结果见下图。
取αf=0.7，Asurf/Af=1.1，hout=20，结果如下。
可见，与普通铝合金窗框相比，隔热铝合金窗框可有效降低太阳得热系数，减少进入室内热量，降低室内表面温度，既节能又可改善室内舒适度。
值得一提的是，"隔热铝合金窗"目前主要应用为冬季保温，而非夏季"隔热"，因此有专家提出其中"隔热"二字并不合理，"断桥"二字更为确切。
笔者对此深表赞同！— 5 —结论什么是保温？什么是隔热？保温是门窗在冬季阻止热量从室内高温侧向室外低温侧传递的能力，隔热是门窗在夏季阻隔太阳辐射得热的能力。
更确切地讲，保温阻挡的是4.5-50um长波辐射热量和室内空气对流传热量，隔热主要阻挡的是太阳光300-2500nm波段的辐射。
Low-E玻璃辐射率决定中空玻璃保温性能，太阳光谱范围即300-2500nm波段透过特性决定中空玻璃隔热性能。
窗框通过低导热系数材料、多腔体构造、断桥隔热等方式来阻挡室内热量传递。
窗框太阳得热系数SHGC与框传热系数Uf密切相关，保温性能好的窗框隔热性能也好。
以铝合金窗框为例，与普通铝合金窗框相比，隔热铝合金窗框可有效降低窗框太阳得热系数，在减少进入室内热量的同时降低室内表面温度，既节能又可改善室内舒适度。
作者 | 万成龙 刘雨薇审阅 | 刘 军(泰诺风集团亚太区总工)参考文献：[1]张喆民,苑静,黄达泉.建筑玻璃光学检测技术及应用[M].北京:中国建材工业出版社,2019[2]许武毅.Low-E节能玻璃应用技术问答[M].北京:中国建材工业出版社,2016[3]叶歆.建筑热环境[M].北京:清华大学出版社,1996[4]JGJ/T 151-2008.建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程[S][5]GB/T 8478-2020.铝合金门窗[S]