日射熱取得

遮蔽係数(SC)は、建物内のガラスユニット (パネルまたは窓)の放射熱性能の尺度です。これは、特定の波長と入射角でガラスユニットを通過する太陽放射と、フレームレスの3 ミリメートル (0.12インチ)の透明フロートガラスの基準窓を通過する放射との比として定義されます。^{[ 3 ]}比較される量は波長と入射角の両方の関数であるため、窓アセンブリの遮蔽係数は通常、ガラス面に垂直に入射する太陽放射の典型的な単一の波長について報告されます。この量には、ガラスを直接透過するエネルギーと、ガラスとフレームによって吸収され空間に再放射されるエネルギーの両方が含まれており、次の式で与えられます。^{[ 4 ]} 

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

ここで、λは放射の波長、θは入射角です。「T」はガラスの透過率、「A」は吸収率、「N」は吸収されたエネルギーのうち空間に再放出される割合です。したがって、全体の遮光係数は次の比率で表されます。

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

遮光係数は、窓アセンブリの放射特性に依存します。これらの特性は、透過率「T」、吸収率「A」、放射率（任意の波長における吸収率に等しい）、および反射率であり、これらはすべて無次元量で、合計すると 1 になります。^{[ 4 ]}色、色合い、反射コーティングなどの要因がこれらの特性に影響を与えるため、これを補正するための係数として遮光係数が開発されました。ASHRAE の太陽熱取得係数表^{[ 2 ]}は、さまざまな緯度、方位、および時間における1/8インチ(3.2 mm)の透明フロートガラスの予想される太陽熱取得量を示しており、これを遮光係数で乗算して放射特性の違いを補正できます。遮光係数の値は 0 から 1 の範囲です。評価が低いほど、ガラスを透過する太陽熱が少なくなり、遮光能力が高くなります。  

ガラスの特性に加えて、窓アセンブリに組み込まれた遮光装置もSC計算に含まれます。このような装置は、不透明または半透明の材料でガラスの一部を遮ることで遮光係数を低減し、全体的な透過率を低減することができます。^{[ 5 ]}

窓の設計方法は、遮光係数から日射熱取得係数（SHGC）へと移行しました。SHGCは、入射する太陽放射のうち、窓全体（ガラス部分だけでなく）を通して実際に建物内に熱として入る割合として定義されます。SHGCを計算する標準的な方法は、遮光係数のように単一の波長の係数を提供するのではなく、より現実的な波長ごとの方法を使用します。^{[ 4 ]}遮光係数は、メーカーの製品資料や一部の業界用コンピュータソフトウェアでは依然として言及されていますが、^{[ 6 ]業界固有のテキスト[ 2 ]}やモデル建築基準^{[ 7 ]}ではオプションとして言及されなくなりました。 遮光係数の固有の不正確さに加えて、もう1つの欠点は、その直感に反する名前です。高い値が遮光度が高いことを示唆していますが、実際にはその逆です。業界の技術専門家は、1990年代初頭より前に、米国では遮光係数の限界を認識し、SHGC（およびヨーロッパでは同様のg値）への移行を推進しました。^{[ 8 ]}

SCからSHGCへの変換は、それぞれ異なる熱伝達メカニズムと経路（窓アセンブリとガラスのみ）を考慮しているため、必ずしも単純ではありません。SCからSHGCへの近似変換を行うには、SC値に0.87を掛けます。^{[ 3 ]}

g値（太陽熱透過率または全太陽エネルギー透過率とも呼ばれる）は、ヨーロッパで窓の太陽エネルギー透過率を測定するために一般的に使用される係数です。SHGCと比較してモデリング基準に若干の違いはあるものの、この2つの値は実質的に同じです。g値が1.0の場合はすべての太陽放射が完全に透過することを表し、0.0の場合は太陽エネルギーを透過しない窓を表します。ただし、実際にはほとんどのg値は0.2から0.7の範囲にあり、太陽制御ガラスのg値は0.5未満です。^{[ 9 ]}

SHGCは、米国で使用されている遮光係数の後継であり、窓全体の入射太陽放射に対する透過太陽放射の比率です。0から1までの範囲で、ガラス、フレーム材料、サッシ（ある場合）、分割ライトバー（ある場合）、スクリーン（ある場合）を考慮した、窓またはドア全体の太陽エネルギー透過率を指します。^{[ 3 ]}各コンポーネントの透過率は、遮光係数と同様の方法で計算されます。ただし、遮光係数とは対照的に、総太陽熱取得量は波長ごとに計算され、太陽熱取得係数の直接透過部分は次のように与えられます。^{[ 4 ]}

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

ここ${\displaystyle T(\lambda )}$は、特定の波長（ナノメートル単位）におけるスペクトル透過率であり、${\displaystyle E(\lambda )}$は入射太陽スペクトル放射照度です。太陽短波放射の波長にわたって積分すると、すべての太陽波長にわたって透過する太陽エネルギーの総割合が得られます。${\displaystyle N*A(\lambda ,\theta )}$したがって、これはガラスだけでなく、アセンブリのすべてのコンポーネント全体で吸収および再放出されるエネルギーの割合です。標準の SHGC は、窓に垂直な入射角に対してのみ計算されます。ただし、ほとんどの場合、これは法線から 30 度までの広い角度範囲で良好な推定値を提供する傾向があります。^{[ 3 ]}

SHGCは、シミュレーションモデルで推定するか、カロリメーターチャンバーで窓を通る総熱流を記録することで測定できます。どちらの場合も、NFRC規格ではSHGCのテスト手順と計算手順が規定されています。^{[ 10 ]}動的な窓や可動式の遮光の場合、可能な各状態は異なるSHGCで表すことができます。

SHGCはSCよりも現実的ではあるものの、どちらも遮光装置などの複雑な要素を含めると大まかな近似値に過ぎず、遮光装置はガラス処理よりも窓を日射熱から遮るタイミングをより正確に制御できる。^{[ 5 ]}

制御されていない日射熱取得は、室内の過熱につながる可能性があるため、暑い気候では望ましくありません。これを最小限に抑え、冷房負荷を軽減するために、日射熱取得を低減するいくつかの技術が存在します。SHGCは、ガラスの色や色合い、および反射率によって影響を受けます。反射率は、ガラスの表面に反射性金属酸化物を塗布することによって変更できます。低放射率コーティングは、反射および再放射される波長の特異性を高める、より最近開発されたオプションです。これにより、可視光の透過率を大幅に低下させることなく、主に短波赤外線放射を遮断することができます。^{[ 3 ]}

寒冷地や混合気候向けの気候対応型設計では、暖房シーズン中に太陽熱を効率的に取り込めるよう、窓のサイズや位置が一般的に決められています。そのため、特に日当たりの良い側では、太陽熱の取得を妨げないよう、比較的高い太陽熱取得係数（SHGC）を持つガラスがよく用いられます。SHGCは、窓に使用されるガラスの枚数が増えるにつれて低下します。例えば、三重ガラス窓の場合、SHGCは0.33～0.47の範囲になる傾向があります。二重ガラス窓の場合、 SHGCは0.42～0.55の範囲になることが多いです。

窓を通して入る日射熱の量を増減させるために、さまざまな種類のガラスを使用することができますが、窓の適切な向きや、庇、ルーバー、フィン、ポーチなどの日よけ装置やその他の建築的な日よけ要素を追加することによって、より細かく調整することも可能です。

パッシブソーラー暖房は、追加の暖房が必要な場合に建物内の太陽熱取得量を最大化しようとする設計戦略です。これは、ポンプ付きの外部水タンクを使用して太陽エネルギーを吸収するアクティブソーラー暖房とは異なり、パッシブソーラーシステムはポンプにエネルギーを必要とせず、居住空間の構造や仕上げに直接熱を蓄えます。^{[ 12 ]}

直接太陽熱取得システムでは、建物のガラスの組成やコーティングを調整することで放射特性を最適化し、温室効果を高めることができます。また、ガラスのサイズ、位置、遮光状況を利用して太陽熱取得量を最適化することも可能です。太陽熱は、間接式または独立型の太陽熱取得システムによっても建物に伝達されます。

パッシブソーラー設計では、通常、SHGCの高い赤道に面した大きな窓と、夏季には日光を遮り冬季には窓から日光を取り込む庇が採用されます。入射する日光の経路に配置されたコンクリートスラブやトロンブ壁などの高熱容量構造は、日中に大量の太陽放射を蓄積し、夜間を通してゆっくりと空間に放出します。^{[ 13 ]}適切に設計すれば、これにより温度変動を調整できます。この分野の現在の研究の一部は、光を通し、過剰な重量を必要とせずにエネルギーを蓄積する透明な相変化材料を使用することで、蓄熱用の不透明な熱容量と収集用の透明なガラスとのトレードオフに取り組んでいます。^{[ 14 ]}