内置百叶遮阳中空玻璃制品热工性能研究

李峥嵘 胡玲周 赵 群 汪海生

1同济大学机械与能源工程学院

2同济大学建筑与城市规划学院

3同济大学建筑设计研究院

内置百叶遮阳中空玻璃制品热工性能研究

李峥嵘1胡玲周1赵 群2汪海生3

1同济大学机械与能源工程学院

2同济大学建筑与城市规划学院

3同济大学建筑设计研究院

采用门窗遮阳计算软件W INDOW及能耗模拟软件Energy-plus，分析影响内置百叶遮阳中空玻璃制品热工性能参数U与SHGC的关键结构参数；并以上海市办公建筑为例，用单位面积外窗形成的采暖空调及照明总能耗为控制指标，给出各关键结构参数的建议取值，为上海地区内置百叶遮阳制品的设计与运行调节提供依据。

内置百叶遮阳中空玻璃制品热工性能参数阈值

0 引言

内置百叶遮阳中空玻璃制品（Sealed insulating glassunitw ith blind inside，下文简称SIG）是在中空玻璃内安装遮阳百叶的制品，通过手动或电动装置调节内置百叶帘，可满足室内人员对光、热环境调节的需要。相对于外遮阳，该装置在高层建筑中具有明显优势。关于该制品的热工性能，国内外都有较多研究。M. Collins等人使用加热平板实验法，结合CFD软件，对其热工性能的计算模型进行了系列研究[1]，认为SIG的中间夹层宽度和百叶帘的叶片尺寸、倾斜角度等参数对其热工性能有显著影响；M ichelleFoster等人采用现场拍照及问卷调查法研究办公建筑室内人员对内置百叶帘的调节规律[2]，结果显示，人们往往不能根据气候条件合理地调节百叶帘；Sung-HWANCHO等人利用TRNSYS软件分析SIG的节能潜力及叶片倾角对建筑冷、热负荷的影响，指出SIG的应用可减少30%的冷负荷及5%的热负荷；2003年，欧盟发布欧标ISO15099-2003[3]，规范了SIG热工性能参数的测试及计算方法；LBLN根据这一标准编制了软件W INDOW，用于门窗遮阳系统的设计和热工性能参数的计算。我国的相关研究虽然比较晚[4]，但是相关标准已经发布[5～8]，并对SIG热工性能参数的计算与测试方法进行了规定。

但是，由于产品设计和应用中人为调节的需要，SIG的关键结构参数不同于相关标准规定的测试工况，这将对其热工性能产生影响，并由此直接影响建筑空调采暖及照明能耗。然而，由于设计阶段相关指导性规范的缺乏，使得国内遮阳市场中的内置遮阳产品良莠不齐；实际运行中人们的不合理调节则直接影响建筑得热与采光。因此，本文采用遮阳设计软件分析各关键影响因子对SIG热工性能的影响；并以上海市为例，利用能耗模拟软件，从减少建筑采暖空调及照明总能耗的角度出发，分析各关键影响因子对总能耗的影响，探讨常用遮阳调控模式下SIG的节能贡献，得出不同模式下各因子的建议取值，为其设计及运行调节提供依据。

1 热工性能参数关键影响因素分析

本文SIG的热工性能参数是指其整体传热系数U值及太阳辐射得热系数SHGC。采用WINDOW软件，针对SIG的结构特点，以M.Collins等人的研究为背景，研究U与SHGC的主要影响因素——夹层宽度δ和百叶倾角θ对二者的影响。

1.1 U值计算模型

U值指两侧环境温差为1K时，在单位时间内通过单位面积窗或玻璃幕墙的热量。软件W INDOW中U值的计算方法与ISO15099一致，是将可调百叶帘考虑为一层等效的玻璃，在仅考虑温差传热（无太阳辐射）情况下按式（1）～（8）进行计算。

式中：Rin、Rout、Rgl,i、Rgap,i以及Rtot分别为窗户室内侧、室外侧、各玻璃层、气体夹层以及窗户（图1）的总热阻，m2K/W，各热阻的详细计算公式参见式（3）～（8）。

图1 窗户示意图

式中：T为温度，K；h为空气对流换热系数，W/(m2K)；Tf,i和G分别为表面有效辐射及投射辐射，W/m2；δ为玻璃厚度，m；k为玻璃导热系数。下标i指第i层；下标f、b分别指表面室外侧和室内侧；下标in和out分别指室内和室外；下标amb指环境参数；下标c和cv分别指环境空气和SIG的空气夹层。

1.2 SHGC计算模型

SHGC指通过玻璃、门窗或幕墙成为室内得热量的太阳辐射部分与投射到其表面的太阳辐射的照度的比值。WINDOW中SHGC的计算方法规定如式（9）～（10）：

式中：τs为SIG系统的太阳辐射透过率；τin,i为第i层吸收太阳辐射后向室内的二次传热量；τs,i为第i层吸收系数；Rout,i为第i层室外侧各层的总热阻，m2·k/W。

1.3 敏感性分析

以标记为：SIG-JS-BY-SX-(6+δ+6)-1500×1500-JG/T255（简写SIG-BY-6+6）的内置百叶中空玻璃制品为例，采用W INDOW软件进行U、SHGC对δ与θ的敏感性分析。其构造参数和百叶光学性能详见表1、2。

表1 SIG-BY-6+6构造参数

表2 百叶光学性能参数

1.3.1 夹层宽度δ

在室内外温差和太阳辐射的综合作用下，SIG玻璃夹层之间的气体将产生密度差，从而形成热压，使气体流动加强，这将促进窗户两侧的传热；δ不同，流动强度将不同。以SIG-BY-6+6为例，分析两组标准测试工况（第一组：百叶帘全放下且叶片全闭合；第二组：百叶帘全拉起）δ对U、SHGC的影响，如图2所示。

图2 δ对U的影响

由图2，第一组工况：16mm<δ<32mm时，随着δ增加，U值递减，从2.04W/(m2K)降至1.745W/(m2K)；当δ>32mm，U值有增加趋势。结果分析：δ<32mm时，气体间层以导热为主要传热形式，自然对流作用不明显，因此夹层热阻随δ增加而递增，U值递减。δ>35mm，自然对流传热逐渐占主导，因此δ增加，自然对流作用加强，U值递增。第二组工况：U值随δ增加而递增，δ=16mm时U值最小，为2.654W/(m2K)，δ>24mm后趋于一致，为2.714W/(m2K)。对于两组工况而言，随着δ改变，SHGC的变化不显著，最大变化率仅为5‰。

1.3.2 百叶倾角θ

本文定义θ：叶片位于水平状态时为全开，θ=0°（即垂直于玻璃表面），逆时针偏转时θ为正，顺时针偏转θ为负，百叶处于竖直状态时为全闭，θ=±90°。随着θ的变化，SIG的U与SHGC的变化情况如图3～4。

图3 θ对U的影响

由图3，θ对U值有显著影响，当θ=0°时，水平百叶在玻璃层之间形成“等效热桥”效应[1]，促进窗户室内外侧的传热，此时U值最大；叶片逐渐倾斜，热桥效应减弱，U值递减，当θ=±90°时，夹层内形成两个封闭空腔，空气流动阻力大，热阻增加，因此U值达到最小值，且δ从16mm变化至50mm，θ对U的影响程度逐渐减弱。

图4 θ对SHGC的影响

由图4，SHGC随｜θ｜的增加呈递减趋势；叶片全开时，遮挡的太阳辐射最少，因此SHGC最大；而θ为±90°时形成全遮阳状态，SHGC达最小。

2 关键影响因子阈值优选

随着室外气候条件的变化，室内人员将根据主观需要对百叶帘进行调节，但这一主观调节常存在不合理性，如太阳辐射及采光不足时未及时开启百叶帘，辐射强烈时未放下百叶帘予以阻挡[3]。本文采用能耗模拟软件Energy-plus，以上海市典型办公建筑为例，综合考虑通过单位面积外窗形成的制冷、采暖及照明总能耗，研究δ和θ在常用遮阳控制模式下对建筑能耗的影响。

2.1 建筑模型

如图5，该办公楼为南北向，层高2.8m，南向外窗为SIG-BY-6+6，窗墙比0.3。其围护结构、室内热扰的设置参照《公共建筑节能设计标准》[9]，如表3～4。工作日8:00～18:00开启空调，采用VRF空气源热泵，COP为3.0，室内温度控制参数为夏季26℃，冬季18℃，换气次数1次/小时。

图5 建筑模型

表3 围护结构参数设置

表4 人员逐时在室率、照明设备逐时使用率

2.2 遮阳模式

本文针对目前常用的遮阳模式（表5）分析该办公建筑全年通过单位面积SIG-BY-6+6所形成的空调制冷、供热及照明综合能耗。表中手动遮阳模式是指人为调整叶片倾角使其固定为0°至±90°中某一角度；智能遮阳模式则是根据太阳高度角自动调整叶片倾角，在兼顾自然采光的情况下阻挡太阳直射辐射。

表5 遮阳模式

模式3与4中的遮阳时段是对《上海市典型年气象数据》进行分析，根据上海市全年太阳直射辐射、散射辐射以及室外空气温度的分布规律（如图6、7）所确定出的时间段。

图6 上海市全年太阳辐射分布图

图7 上海市全年日平均气温分布图

如图6～7，上海市太阳辐射及温度分布规律如下：太阳直射辐射在5～9月较强、1～3月较弱；散射辐射在4月及8月较强、1月较弱；总辐射在5～9月较强。5月至10月中旬为较为炎热季节，4月、10月下旬为过渡，11月至3月较冷。因此选择遮阳时段为5月1日至10月15日，每天的遮阳时段为8:00至18:00，该时段遮阳帘完全放下。

2.3 能耗分析

2.3.1 空调能耗

不同模式下通过单位面积外窗所形成的空调制冷及供热能耗如图8～10所示。

图8 模式1

由图8，全年均放下遮阳帘的模式：外窗δ的改变对该建筑通过单位面积外窗的制冷能耗影响不大，供热能耗则随着δ增加而略有减小；在θ全年设定为-30°时制冷能耗最大，±90°时最小，供热能耗则几乎不随着θ而变化。

图9 模式3

由图9，遮阳时段放下遮阳帘的模式：该建筑通过单位面积外窗的制冷、供热能耗变化规律与模式1一致，但该模式制冷能耗高于模式1，而供热能耗则较低。

图10 模式2、4、5

由图10，智能遮阳模式2、4、5的全年制冷及供热能耗变化规律与模式1一致，其中，模式2的制冷及供热能耗均最低，模式4最高。

综上，由于全年制冷能耗主要是由外窗透过和吸收太阳辐射热而产生，因此制冷能耗与SIG的U值相关性不如SHGC显著，使用不同δ的SIG对制冷能耗几乎没有影响；相反，全年θ的状态则显著影响着制冷能耗。供热能耗主要是由外窗温差传热产生，因此与U值存在相关性，随着δ增加，外窗U值减小，供热能耗降低，但幅度不显著。

2.3.2 照明能耗

由于遮阳将影响建筑采光，本文根据《ASHAREAHandbook》2009[10]，选取室内工作平面中心（距地0.8m）距窗2.25m处（1.5倍窗净高度）的点A为照明控制点，按照《建筑照明设计标准》（GB50034-2004）[11]的规定，设定点A照度值为300lx，当该点照度不足此值时，采用人工照明进行补充，并分析由此产生的照明能耗，如图11～12。

图11 照明能耗—模式1、3

图12 照明能耗—模式2、4、5

由图11～12，对于手动遮阳模式1与3：θ为0°时，百叶对自然采光的遮挡作用最小，因此由单位平米外窗引起的全年照明能耗最低，百叶逐渐倾斜，照明能耗增加，±90°时最高；模式3的照明能耗略低于模式1。对于智能遮阳模式2、4、5：模式2的照明能耗最高，模式4最低。

2.3.3 节能率分析

对于采用3mm标准白玻外窗的参照建筑而言，在相同的围护结构及内扰情况下，其全年单位面积外窗形成的制冷能耗为496.4kWh，供热能耗为208.5kWh，照明能耗为228.3kWh，因此空调与照明总能耗为933.3kWh。各模式下该建筑相对于参照建筑的总能耗节能率如图13、14所示。

图13 模式1与3的总节能率

图14 模式2、4与5的总节能率

θ的改变对建筑总能耗节能率的影响比δ显著，因此以δ=16mm情况为例分析手控遮阳模式1、3的节能率，由图13可见模式1节能率高于模式3：即全年均放下百叶帘并控制θ=45°时，总节能率最高，为31.9%；若仅遮阳时段放下遮阳帘，则应使θ=30°，节能率可达20.8%。由图14，智能模式2、4、5的节能率随着δ不同，其变化平稳。其中模式5的节能率较高：即按照室外太阳辐射总强度和空气温度来控制遮阳帘放下的时间，并采用智能模式调节百叶倾角的遮阳模式更有利于降低建筑能耗，总节能率最高可达27.0%。

3 结论

1）对于内置百叶遮阳外窗，空气夹层厚度δ以及百叶倾角θ是影响其U和SHGC的关键影响因素，且二者对U的影响具有交互性，δ越小，θ对U的影响越显著；在设计中，δ不能过大，当δ>32mm时，U值将增加。相比之下，U和SHGC对δ的敏感性不如θ。

2）在实际使用中，应选择合理的遮阳调控模式。对于上海市办公建筑而言，各种常用的遮阳模式下，δ的改变引起的空调和照明能耗变化均不大，θ的影响则较为显著。

3）采用手动控制模式时，若全年均放下百叶帘，则控制其百叶倾角θ=45°可使建筑总能耗节能率最高，为31.9%；若仅遮阳季节放下百叶帘，使θ=30°最利于节能，节能率27.0%。采用智能控制模式时，按照室外太阳辐射强度和空气温度选择遮阳时间的模式比全年均放下百叶帘及仅在遮阳季节放下百叶帘的模式更利于节能，节能率为27.0%。

[1]D Naylor,M Collins.Evaluation of an approximatemethod for predicting theU-valueof aw indow w ith abetween-panes louvered shade[J].NumericalHeatTransfer,2005,47(A):233-250

[2]Sung-Hwan.The effect of slat angleof windows w ith venetian blinds on heating and cooling loadsof buildings in South Korea [J].Energy,1995,20:1225-1236

[3]ISOStandard-15099:2003(E)[S].2003

[4]苏少雄.内置智能百叶帘中空玻璃[A].见:2007年中国玻璃行业年会暨技术研讨会[C].2007

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.内置遮阳中空玻璃制品(JG/T255-2009)[S].北京:中国标准出版社,2009

[6]国家质量监督检验检疫总局.建筑外门窗保温性能分级及检测方法(GB/T8484-2008)[S].北京:中国标准出版社,2008

[7]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑遮阳产品隔热性能试验方法(JGJ/T281-2010)[S].北京:中国标准出版社,2010[8]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程(JG/T151-2008)[S].北京:中国建筑工业出版社,2008

[9]中华人民共和国建设部.公共建筑节能设计标准(GB50189-2005)[S].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[10]ASHAREHandbook[M].Atlanta:ASHARE,2009

[11]中华人民共和国建设部.建筑照明设计标准(GB50034-2004) [S].北京:中国建筑工业出版社,2004

Ana lys is o f the The rm a l Pe rfo rm an c e o f Sea le d In su la ting G lass Un it w ith B lind ins ide in Shangha i A rea

LIZheng-rong1,HU Ling-zhou1,ZHAOQun2,WANGHai-sheng3
1SchoolofMechanical Engineering,TongjiUniversity;
2Collegeof Architectureand Urban Planning,TongjiUniversity;
3TongjiArchitecturalDesign(Group)Co.,Ltd.

The key factors thataffecting the U and SHGC valuesof sealed insulating glass unitw ith blind insidewere analyzed by the shading design software W INDOW and the building energy simulation software Energy-plus.The referencemodelof office building in shanghaiwasbuiltup,and the scope of threshold valuesof those factorsbased on annual air-conditioning system and lighting energy-saving rate were defined.It provides a basis for the design and application of this technique in Shanghaiarea.

sealed insulating,glassunitw ith blind inside,thermalperformance,threshold value

1003-0344（2014）02-010-6

2013-3-18

李峥嵘（1969～），女，博士，教授；上海市杨浦区四平路1239号同济大学济阳楼413室（200092）；E-mail:hulingzhou@163.com

“十二五”国家科技支撑计划（2011BAJ03B02-1）