李崢嶸 胡玲周 趙 群 汪海生

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

2同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

3同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院

內(nèi)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(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

2同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

3同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院

采用門窗遮陽計(jì)算軟件W INDOW及能耗模擬軟件Energy-plus，分析影響內(nèi)置百葉遮陽中空玻璃制品熱工性能參數(shù)U與SHGC的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)；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(diào)及照明總能耗為控制指標(biāo)，給出各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的建議取值，為上海地區(qū)內(nèi)置百葉遮陽制品的設(shè)計(jì)與運(yùn)行調(diào)節(jié)提供依據(jù)。

內(nèi)置百葉遮陽中空玻璃制品熱工性能參數(shù)閾值

0 引言

內(nèi)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(nèi)安裝遮陽百葉的制品，通過手動或電動裝置調(diào)節(jié)內(nèi)置百葉簾，可滿足室內(nèi)人員對光、熱環(huán)境調(diào)節(jié)的需要。相對于外遮陽，該裝置在高層建筑中具有明顯優(yōu)勢。關(guān)于該制品的熱工性能，國內(nèi)外都有較多研究。M. Collins等人使用加熱平板實(shí)驗(yàn)法，結(jié)合CFD軟件，對其熱工性能的計(jì)算模型進(jìn)行了系列研究[1]，認(rèn)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(shù)對其熱工性能有顯著影響；M ichelleFoster等人采用現(xiàn)場拍照及問卷調(diào)查法研究辦公建筑室內(nèi)人員對內(nèi)置百葉簾的調(diào)節(jié)規(guī)律[2]，結(jié)果顯示，人們往往不能根據(jù)氣候條件合理地調(diào)節(jié)百葉簾；Sung-HWANCHO等人利用TRNSYS軟件分析SIG的節(jié)能潛力及葉片傾角對建筑冷、熱負(fù)荷的影響，指出SIG的應(yīng)用可減少30%的冷負(fù)荷及5%的熱負(fù)荷；2003年，歐盟發(fā)布?xì)W標(biāo)ISO15099-2003[3]，規(guī)范了SIG熱工性能參數(shù)的測試及計(jì)算方法；LBLN根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)編制了軟件W INDOW，用于門窗遮陽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和熱工性能參數(shù)的計(jì)算。我國的相關(guān)研究雖然比較晚[4]，但是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布[5～8]，并對SIG熱工性能參數(shù)的計(jì)算與測試方法進(jìn)行了規(guī)定。

但是，由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用中人為調(diào)節(jié)的需要，SIG的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)不同于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試工況，這將對其熱工性能產(chǎn)生影響，并由此直接影響建筑空調(diào)采暖及照明能耗。然而，由于設(shè)計(jì)階段相關(guān)指導(dǎo)性規(guī)范的缺乏，使得國內(nèi)遮陽市場中的內(nèi)置遮陽產(chǎn)品良莠不齊；實(shí)際運(yùn)行中人們的不合理調(diào)節(jié)則直接影響建筑得熱與采光。因此，本文采用遮陽設(shè)計(jì)軟件分析各關(guān)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(diào)及照明總能耗的角度出發(fā)，分析各關(guān)鍵影響因子對總能耗的影響，探討常用遮陽調(diào)控模式下SIG的節(jié)能貢獻(xiàn)，得出不同模式下各因子的建議取值，為其設(shè)計(jì)及運(yùn)行調(diào)節(jié)提供依據(jù)。

1 熱工性能參數(shù)關(guān)鍵影響因素分析

本文SIG的熱工性能參數(shù)是指其整體傳熱系數(shù)U值及太陽輻射得熱系數(shù)SHGC。采用WINDOW軟件，針對SIG的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(jì)算模型

U值指兩側(cè)環(huán)境溫差為1K時，在單位時間內(nèi)通過單位面積窗或玻璃幕墻的熱量。軟件W INDOW中U值的計(jì)算方法與ISO15099一致，是將可調(diào)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(jìn)行計(jì)算。

式中：Rin、Rout、Rgl,i、Rgap,i以及Rtot分別為窗戶室內(nèi)側(cè)、室外側(cè)、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(xì)計(jì)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(shù)，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(dǎo)熱系數(shù)。下標(biāo)i指第i層；下標(biāo)f、b分別指表面室外側(cè)和室內(nèi)側(cè)；下標(biāo)in和out分別指室內(nèi)和室外；下標(biāo)amb指環(huán)境參數(shù)；下標(biāo)c和cv分別指環(huán)境空氣和SIG的空氣夾層。

1.2 SHGC計(jì)算模型

SHGC指通過玻璃、門窗或幕墻成為室內(nèi)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(jì)算方法規(guī)定如式（9）～（10）：

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

1.3 敏感性分析

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

表1 SIG-BY-6+6構(gòu)造參數(shù)

表2 百葉光學(xué)性能參數(shù)

1.3.1 夾層寬度δ

在室內(nèi)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(chǎn)生密度差，從而形成熱壓，使氣體流動加強(qiáng)，這將促進(jìn)窗戶兩側(cè)的傳熱；δ不同，流動強(qiáng)度將不同。以SIG-BY-6+6為例，分析兩組標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)δ>32mm，U值有增加趨勢。結(jié)果分析：δ<32mm時，氣體間層以導(dǎo)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(dǎo)，因此δ增加，自然對流作用加強(qiáng)，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(tài)時為全開，θ=0°（即垂直于玻璃表面），逆時針偏轉(zhuǎn)時θ為正，順時針偏轉(zhuǎn)θ為負(fù)，百葉處于豎直狀態(tài)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(dāng)θ=0°時，水平百葉在玻璃層之間形成“等效熱橋”效應(yīng)[1]，促進(jìn)窗戶室內(nèi)外側(cè)的傳熱，此時U值最大；葉片逐漸傾斜，熱橋效應(yīng)減弱，U值遞減，當(dāng)θ=±90°時，夾層內(nèi)形成兩個封閉空腔，空氣流動阻力大，熱阻增加，因此U值達(dá)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(tài)，SHGC達(dá)最小。

2 關(guān)鍵影響因子閾值優(yōu)選

隨著室外氣候條件的變化，室內(nèi)人員將根據(jù)主觀需要對百葉簾進(jìn)行調(diào)節(jié)，但這一主觀調(diào)節(jié)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(qiáng)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(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)熱擾的設(shè)置參照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[9]，如表3～4。工作日8:00～18:00開啟空調(diào)，采用VRF空氣源熱泵，COP為3.0，室內(nèi)溫度控制參數(shù)為夏季26℃，冬季18℃，換氣次數(shù)1次/小時。

圖5 建筑模型

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

表4 人員逐時在室率、照明設(shè)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(diào)制冷、供熱及照明綜合能耗。表中手動遮陽模式是指人為調(diào)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(jù)太陽高度角自動調(diào)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(shù)據(jù)》進(jìn)行分析，根據(jù)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(guī)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(guī)律如下：太陽直射輻射在5～9月較強(qiáng)、1～3月較弱；散射輻射在4月及8月較強(qiáng)、1月較弱；總輻射在5～9月較強(qiáng)。5月至10月中旬為較為炎熱季節(jié)，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(diào)能耗

不同模式下通過單位面積外窗所形成的空調(diào)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(shè)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(guī)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(guī)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(chǎn)生，因此制冷能耗與SIG的U值相關(guān)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(tài)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(chǎn)生，因此與U值存在相關(guān)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(jù)《ASHAREAHandbook》2009[10]，選取室內(nèi)工作平面中心（距地0.8m）距窗2.25m處（1.5倍窗凈高度）的點(diǎn)A為照明控制點(diǎn)，按照《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034-2004）[11]的規(guī)定，設(shè)定點(diǎn)A照度值為300lx，當(dāng)該點(diǎn)照度不足此值時，采用人工照明進(jìn)行補(bǔ)充，并分析由此產(chǎn)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(jié)能率分析

對于采用3mm標(biāo)準(zhǔn)白玻外窗的參照建筑而言，在相同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及內(nèi)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(diào)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(jié)能率如圖13、14所示。

圖13 模式1與3的總節(jié)能率

圖14 模式2、4與5的總節(jié)能率

θ的改變對建筑總能耗節(jié)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(jié)能率，由圖13可見模式1節(jié)能率高于模式3：即全年均放下百葉簾并控制θ=45°時，總節(jié)能率最高，為31.9%；若僅遮陽時段放下遮陽簾，則應(yīng)使θ=30°，節(jié)能率可達(dá)20.8%。由圖14，智能模式2、4、5的節(jié)能率隨著δ不同，其變化平穩(wěn)。其中模式5的節(jié)能率較高：即按照室外太陽輻射總強(qiáng)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(diào)節(jié)百葉傾角的遮陽模式更有利于降低建筑能耗，總節(jié)能率最高可達(dá)27.0%。

3 結(jié)論

1）對于內(nèi)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(guān)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(shè)計(jì)中，δ不能過大，當(dāng)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(shí)際使用中，應(yīng)選擇合理的遮陽調(diào)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(diào)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(jié)能率最高，為31.9%；若僅遮陽季節(jié)放下百葉簾，使θ=30°最利于節(jié)能，節(jié)能率27.0%。采用智能控制模式時，按照室外太陽輻射強(qiáng)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(jié)放下百葉簾的模式更利于節(jié)能，節(jié)能率為27.0%。

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[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

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[7]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑遮陽產(chǎn)品隔熱性能試驗(yàn)方法(JGJ/T281-2010)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010[8]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程(JG/T151-2008)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008

[9]中華人民共和國建設(shè)部.公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB50189-2005)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

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

[11]中華人民共和國建設(shè)部.建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB50034-2004) [S].北京:中國建筑工業(yè)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(qū)四平路1239號同濟(jì)大學(xué)濟(jì)陽樓413室（200092）；E-mail:hulingzhou@163.com

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃（2011BAJ03B02-1）