內置百葉遮陽中空玻璃制品熱工性能研究

李崢嶸 胡玲周 趙 群 汪海生

1同濟大學機械與能源工程學院

2同濟大學建筑與城市規劃學院

3同濟大學建筑設計研究院

內置百葉遮陽中空玻璃制品熱工性能研究

李崢嶸1胡玲周1趙 群2汪海生3

1同濟大學機械與能源工程學院

2同濟大學建筑與城市規劃學院

3同濟大學建筑設計研究院

采用門窗遮陽計算軟件W INDOW及能耗模擬軟件Energy-plus，分析影響內置百葉遮陽中空玻璃制品熱工性能參數U與SHGC的關鍵結構參數；并以上海市辦公建筑為例，用單位面積外窗形成的采暖空調及照明總能耗為控制指標，給出各關鍵結構參數的建議取值，為上海地區內置百葉遮陽制品的設計與運行調節提供依據。

內置百葉遮陽中空玻璃制品熱工性能參數閾值

0 引言

內置百葉遮陽中空玻璃制品（Sealed insulating glassunitw ith blind inside，下文簡稱SIG）是在中空玻璃內安裝遮陽百葉的制品，通過手動或電動裝置調節內置百葉簾，可滿足室內人員對光、熱環境調節的需要。相對于外遮陽，該裝置在高層建筑中具有明顯優勢。關于該制品的熱工性能，國內外都有較多研究。M. Collins等人使用加熱平板實驗法，結合CFD軟件，對其熱工性能的計算模型進行了系列研究[1]，認為SIG的中間夾層寬度和百葉簾的葉片尺寸、傾斜角度等參數對其熱工性能有顯著影響；M ichelleFoster等人采用現場拍照及問卷調查法研究辦公建筑室內人員對內置百葉簾的調節規律[2]，結果顯示，人們往往不能根據氣候條件合理地調節百葉簾；Sung-HWANCHO等人利用TRNSYS軟件分析SIG的節能潛力及葉片傾角對建筑冷、熱負荷的影響，指出SIG的應用可減少30%的冷負荷及5%的熱負荷；2003年，歐盟發布歐標ISO15099-2003[3]，規范了SIG熱工性能參數的測試及計算方法；LBLN根據這一標準編制了軟件W INDOW，用于門窗遮陽系統的設計和熱工性能參數的計算。我國的相關研究雖然比較晚[4]，但是相關標準已經發布[5～8]，并對SIG熱工性能參數的計算與測試方法進行了規定。

但是，由于產品設計和應用中人為調節的需要，SIG的關鍵結構參數不同于相關標準規定的測試工況，這將對其熱工性能產生影響，并由此直接影響建筑空調采暖及照明能耗。然而，由于設計階段相關指導性規范的缺乏，使得國內遮陽市場中的內置遮陽產品良莠不齊；實際運行中人們的不合理調節則直接影響建筑得熱與采光。因此，本文采用遮陽設計軟件分析各關鍵影響因子對SIG熱工性能的影響；并以上海市為例，利用能耗模擬軟件，從減少建筑采暖空調及照明總能耗的角度出發，分析各關鍵影響因子對總能耗的影響，探討常用遮陽調控模式下SIG的節能貢獻，得出不同模式下各因子的建議取值，為其設計及運行調節提供依據。

1 熱工性能參數關鍵影響因素分析

本文SIG的熱工性能參數是指其整體傳熱系數U值及太陽輻射得熱系數SHGC。采用WINDOW軟件，針對SIG的結構特點，以M.Collins等人的研究為背景，研究U與SHGC的主要影響因素——夾層寬度δ和百葉傾角θ對二者的影響。

1.1 U值計算模型

U值指兩側環境溫差為1K時，在單位時間內通過單位面積窗或玻璃幕墻的熱量。軟件W INDOW中U值的計算方法與ISO15099一致，是將可調百葉簾考慮為一層等效的玻璃，在僅考慮溫差傳熱（無太陽輻射）情況下按式（1）～（8）進行計算。

式中：Rin、Rout、Rgl,i、Rgap,i以及Rtot分別為窗戶室內側、室外側、各玻璃層、氣體夾層以及窗戶（圖1）的總熱阻，m2K/W，各熱阻的詳細計算公式參見式（3）～（8）。

圖1 窗戶示意圖

式中：T為溫度，K；h為空氣對流換熱系數，W/(m2K)；Tf,i和G分別為表面有效輻射及投射輻射，W/m2；δ為玻璃厚度，m；k為玻璃導熱系數。下標i指第i層；下標f、b分別指表面室外側和室內側；下標in和out分別指室內和室外；下標amb指環境參數；下標c和cv分別指環境空氣和SIG的空氣夾層。

1.2 SHGC計算模型

SHGC指通過玻璃、門窗或幕墻成為室內得熱量的太陽輻射部分與投射到其表面的太陽輻射的照度的比值。WINDOW中SHGC的計算方法規定如式（9）～（10）：

式中：τs為SIG系統的太陽輻射透過率；τin,i為第i層吸收太陽輻射后向室內的二次傳熱量；τs,i為第i層吸收系數；Rout,i為第i層室外側各層的總熱阻，m2·k/W。

1.3 敏感性分析

以標記為：SIG-JS-BY-SX-(6+δ+6)-1500×1500-JG/T255（簡寫SIG-BY-6+6）的內置百葉中空玻璃制品為例，采用W INDOW軟件進行U、SHGC對δ與θ的敏感性分析。其構造參數和百葉光學性能詳見表1、2。

表1 SIG-BY-6+6構造參數

表2 百葉光學性能參數

1.3.1 夾層寬度δ

在室內外溫差和太陽輻射的綜合作用下，SIG玻璃夾層之間的氣體將產生密度差，從而形成熱壓，使氣體流動加強，這將促進窗戶兩側的傳熱；δ不同，流動強度將不同。以SIG-BY-6+6為例，分析兩組標準測試工況（第一組：百葉簾全放下且葉片全閉合；第二組：百葉簾全拉起）δ對U、SHGC的影響，如圖2所示。

圖2 δ對U的影響

由圖2，第一組工況：16mm<δ<32mm時，隨著δ增加，U值遞減，從2.04W/(m2K)降至1.745W/(m2K)；當δ>32mm，U值有增加趨勢。結果分析：δ<32mm時，氣體間層以導熱為主要傳熱形式，自然對流作用不明顯，因此夾層熱阻隨δ增加而遞增，U值遞減。δ>35mm，自然對流傳熱逐漸占主導，因此δ增加，自然對流作用加強，U值遞增。第二組工況：U值隨δ增加而遞增，δ=16mm時U值最小，為2.654W/(m2K)，δ>24mm后趨于一致，為2.714W/(m2K)。對于兩組工況而言，隨著δ改變，SHGC的變化不顯著，最大變化率僅為5‰。

1.3.2 百葉傾角θ

本文定義θ：葉片位于水平狀態時為全開，θ=0°（即垂直于玻璃表面），逆時針偏轉時θ為正，順時針偏轉θ為負，百葉處于豎直狀態時為全閉，θ=±90°。隨著θ的變化，SIG的U與SHGC的變化情況如圖3～4。

圖3 θ對U的影響

由圖3，θ對U值有顯著影響，當θ=0°時，水平百葉在玻璃層之間形成“等效熱橋”效應[1]，促進窗戶室內外側的傳熱，此時U值最大；葉片逐漸傾斜，熱橋效應減弱，U值遞減，當θ=±90°時，夾層內形成兩個封閉空腔，空氣流動阻力大，熱阻增加，因此U值達到最小值，且δ從16mm變化至50mm，θ對U的影響程度逐漸減弱。

圖4 θ對SHGC的影響

由圖4，SHGC隨｜θ｜的增加呈遞減趨勢；葉片全開時，遮擋的太陽輻射最少，因此SHGC最大；而θ為±90°時形成全遮陽狀態，SHGC達最小。

2 關鍵影響因子閾值優選

隨著室外氣候條件的變化，室內人員將根據主觀需要對百葉簾進行調節，但這一主觀調節常存在不合理性，如太陽輻射及采光不足時未及時開啟百葉簾，輻射強烈時未放下百葉簾予以阻擋[3]。本文采用能耗模擬軟件Energy-plus，以上海市典型辦公建筑為例，綜合考慮通過單位面積外窗形成的制冷、采暖及照明總能耗，研究δ和θ在常用遮陽控制模式下對建筑能耗的影響。

2.1 建筑模型

如圖5，該辦公樓為南北向，層高2.8m，南向外窗為SIG-BY-6+6，窗墻比0.3。其圍護結構、室內熱擾的設置參照《公共建筑節能設計標準》[9]，如表3～4。工作日8:00～18:00開啟空調，采用VRF空氣源熱泵，COP為3.0，室內溫度控制參數為夏季26℃，冬季18℃，換氣次數1次/小時。

圖5 建筑模型

表3 圍護結構參數設置

表4 人員逐時在室率、照明設備逐時使用率

2.2 遮陽模式

本文針對目前常用的遮陽模式（表5）分析該辦公建筑全年通過單位面積SIG-BY-6+6所形成的空調制冷、供熱及照明綜合能耗。表中手動遮陽模式是指人為調整葉片傾角使其固定為0°至±90°中某一角度；智能遮陽模式則是根據太陽高度角自動調整葉片傾角，在兼顧自然采光的情況下阻擋太陽直射輻射。

表5 遮陽模式

模式3與4中的遮陽時段是對《上海市典型年氣象數據》進行分析，根據上海市全年太陽直射輻射、散射輻射以及室外空氣溫度的分布規律（如圖6、7）所確定出的時間段。

圖6 上海市全年太陽輻射分布圖

圖7 上海市全年日平均氣溫分布圖

如圖6～7，上海市太陽輻射及溫度分布規律如下：太陽直射輻射在5～9月較強、1～3月較弱；散射輻射在4月及8月較強、1月較弱；總輻射在5～9月較強。5月至10月中旬為較為炎熱季節，4月、10月下旬為過渡，11月至3月較冷。因此選擇遮陽時段為5月1日至10月15日，每天的遮陽時段為8:00至18:00，該時段遮陽簾完全放下。

2.3 能耗分析

2.3.1 空調能耗

不同模式下通過單位面積外窗所形成的空調制冷及供熱能耗如圖8～10所示。

圖8 模式1

由圖8，全年均放下遮陽簾的模式：外窗δ的改變對該建筑通過單位面積外窗的制冷能耗影響不大，供熱能耗則隨著δ增加而略有減??；在θ全年設定為-30°時制冷能耗最大，±90°時最小，供熱能耗則幾乎不隨著θ而變化。

圖9 模式3

由圖9，遮陽時段放下遮陽簾的模式：該建筑通過單位面積外窗的制冷、供熱能耗變化規律與模式1一致，但該模式制冷能耗高于模式1，而供熱能耗則較低。

圖10 模式2、4、5

由圖10，智能遮陽模式2、4、5的全年制冷及供熱能耗變化規律與模式1一致，其中，模式2的制冷及供熱能耗均最低，模式4最高。

綜上，由于全年制冷能耗主要是由外窗透過和吸收太陽輻射熱而產生，因此制冷能耗與SIG的U值相關性不如SHGC顯著，使用不同δ的SIG對制冷能耗幾乎沒有影響；相反，全年θ的狀態則顯著影響著制冷能耗。供熱能耗主要是由外窗溫差傳熱產生，因此與U值存在相關性，隨著δ增加，外窗U值減小，供熱能耗降低，但幅度不顯著。

2.3.2 照明能耗

由于遮陽將影響建筑采光，本文根據《ASHAREAHandbook》2009[10]，選取室內工作平面中心（距地0.8m）距窗2.25m處（1.5倍窗凈高度）的點A為照明控制點，按照《建筑照明設計標準》（GB50034-2004）[11]的規定，設定點A照度值為300lx，當該點照度不足此值時，采用人工照明進行補充，并分析由此產生的照明能耗，如圖11～12。

圖11 照明能耗—模式1、3

圖12 照明能耗—模式2、4、5

由圖11～12，對于手動遮陽模式1與3：θ為0°時，百葉對自然采光的遮擋作用最小，因此由單位平米外窗引起的全年照明能耗最低，百葉逐漸傾斜，照明能耗增加，±90°時最高；模式3的照明能耗略低于模式1。對于智能遮陽模式2、4、5：模式2的照明能耗最高，模式4最低。

2.3.3 節能率分析

對于采用3mm標準白玻外窗的參照建筑而言，在相同的圍護結構及內擾情況下，其全年單位面積外窗形成的制冷能耗為496.4kWh，供熱能耗為208.5kWh，照明能耗為228.3kWh，因此空調與照明總能耗為933.3kWh。各模式下該建筑相對于參照建筑的總能耗節能率如圖13、14所示。

圖13 模式1與3的總節能率

圖14 模式2、4與5的總節能率

θ的改變對建筑總能耗節能率的影響比δ顯著，因此以δ=16mm情況為例分析手控遮陽模式1、3的節能率，由圖13可見模式1節能率高于模式3：即全年均放下百葉簾并控制θ=45°時，總節能率最高，為31.9%；若僅遮陽時段放下遮陽簾，則應使θ=30°，節能率可達20.8%。由圖14，智能模式2、4、5的節能率隨著δ不同，其變化平穩。其中模式5的節能率較高：即按照室外太陽輻射總強度和空氣溫度來控制遮陽簾放下的時間，并采用智能模式調節百葉傾角的遮陽模式更有利于降低建筑能耗，總節能率最高可達27.0%。

3 結論

1）對于內置百葉遮陽外窗，空氣夾層厚度δ以及百葉傾角θ是影響其U和SHGC的關鍵影響因素，且二者對U的影響具有交互性，δ越小，θ對U的影響越顯著；在設計中，δ不能過大，當δ>32mm時，U值將增加。相比之下，U和SHGC對δ的敏感性不如θ。

2）在實際使用中，應選擇合理的遮陽調控模式。對于上海市辦公建筑而言，各種常用的遮陽模式下，δ的改變引起的空調和照明能耗變化均不大，θ的影響則較為顯著。

3）采用手動控制模式時，若全年均放下百葉簾，則控制其百葉傾角θ=45°可使建筑總能耗節能率最高，為31.9%；若僅遮陽季節放下百葉簾，使θ=30°最利于節能，節能率27.0%。采用智能控制模式時，按照室外太陽輻射強度和空氣溫度選擇遮陽時間的模式比全年均放下百葉簾及僅在遮陽季節放下百葉簾的模式更利于節能，節能率為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]蘇少雄.內置智能百葉簾中空玻璃[A].見:2007年中國玻璃行業年會暨技術研討會[C].2007

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[6]國家質量監督檢驗檢疫總局.建筑外門窗保溫性能分級及檢測方法(GB/T8484-2008)[S].北京:中國標準出版社,2008

[7]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑遮陽產品隔熱性能試驗方法(JGJ/T281-2010)[S].北京:中國標準出版社,2010[8]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程(JG/T151-2008)[S].北京:中國建筑工業出版社,2008

[9]中華人民共和國建設部.公共建筑節能設計標準(GB50189-2005)[S].北京:中國建筑工業出版社,2005.

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

[11]中華人民共和國建設部.建筑照明設計標準(GB50034-2004) [S].北京:中國建筑工業出版社,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

李崢嶸（1969～），女，博士，教授；上海市楊浦區四平路1239號同濟大學濟陽樓413室（200092）；E-mail:hulingzhou@163.com

“十二五”國家科技支撐計劃（2011BAJ03B02-1）