夏熱冬暖地區(qū)建筑玻璃的遮陽(yáng)和采光綜合性能研究

周荃，賴成輝，張廣銘（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州　510500）

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夏熱冬暖地區(qū)建筑玻璃的遮陽(yáng)和采光綜合性能研究

周荃，賴成輝，張廣銘
（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州510500）

摘要：依據(jù)夏熱冬暖地區(qū)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建筑玻璃的遮陽(yáng)和采光性能指標(biāo)及其要求進(jìn)行了分析。結(jié)合太陽(yáng)能光譜能量分布，對(duì)玻璃遮陽(yáng)系數(shù)與可見(jiàn)光透射比的相關(guān)性進(jìn)行了理論分析。測(cè)試了1012個(gè)常用建筑玻璃樣本（包括單片、中空和夾膠玻璃）的可見(jiàn)光透射比和遮陽(yáng)系數(shù)，給出了各類玻璃可見(jiàn)光透射比和遮陽(yáng)系數(shù)的范圍并分析了相關(guān)性。提出采用透光遮陽(yáng)比作為評(píng)價(jià)玻璃采光與遮陽(yáng)綜合性能的指標(biāo)，并評(píng)價(jià)了各類玻璃的綜合性能。針對(duì)不同類型建筑，基于綜合性能最優(yōu)的原則，給出了夏熱冬暖地區(qū)建筑玻璃的選用原則。

關(guān)鍵詞：建筑玻璃；遮陽(yáng)；采光；綜合性能；透光遮陽(yáng)比

0 引言

在我國(guó)的夏熱冬暖地區(qū)，由于氣候原因，通過(guò)建筑玻璃進(jìn)入建筑室內(nèi)的太陽(yáng)能得熱是影響建筑節(jié)能的關(guān)鍵。因此，夏熱冬暖地區(qū)的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)把建筑遮陽(yáng)作為一個(gè)節(jié)能的控制指標(biāo)。玻璃的遮陽(yáng)性能也因此受到了關(guān)注，具有遮陽(yáng)效果的著色玻璃、熱反射玻璃和Low-E玻璃被大量應(yīng)用于建筑上以滿足節(jié)能的需要。

然而，建筑對(duì)遮陽(yáng)和采光的需求在玻璃的性能上是存在矛盾的。為了減少夏熱冬暖地區(qū)的空調(diào)能耗，要求建筑玻璃擋住的太陽(yáng)能越多越好，卻可能降低玻璃的透光性能。一些實(shí)際工程中也出現(xiàn)了這類問(wèn)題，由于過(guò)大的窗墻面積比，為了滿足節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求的遮陽(yáng)系數(shù)，最后選用了遮陽(yáng)性能高而透光性很低的玻璃。這不僅降低了視覺(jué)的舒適性，也增加了照明的能耗。因此，在選用建筑玻璃時(shí)，應(yīng)綜合考慮其遮陽(yáng)性能和采光性能。目前，國(guó)內(nèi)外很少有此方面的研究，也沒(méi)有一個(gè)指標(biāo)可以評(píng)價(jià)綜合性能。因此，有必要研究建筑玻璃的遮陽(yáng)和采光的綜合性能及其指標(biāo)的相關(guān)性。

1 建筑玻璃的遮陽(yáng)和采光性能指標(biāo)及其要求

1.1 建筑玻璃遮陽(yáng)性能指標(biāo)及要求

建筑玻璃的遮陽(yáng)性能通常用遮陽(yáng)系數(shù)來(lái)衡量，它表征玻璃相對(duì)普通玻璃的太陽(yáng)能能量的透射能力。遮陽(yáng)系數(shù)越小遮陽(yáng)效果越好。

由于建筑節(jié)能的要求，不同地區(qū)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)限定了遮陽(yáng)系數(shù)的上限值。以夏熱冬暖地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)為例，經(jīng)過(guò)估算，建筑玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)限值如表1所示。

表1 夏熱冬暖地區(qū)建筑玻璃遮陽(yáng)系數(shù)限值估算

1.2 建筑玻璃采光性能指標(biāo)及要求

建筑玻璃的采光性能通常采用可見(jiàn)光透射比作為指標(biāo)衡量，它表征的是玻璃對(duì)可見(jiàn)光通量的透射能力?？梢?jiàn)光透射比越大透光能力越強(qiáng)。

影響建筑室內(nèi)采光的因素比較多，包括開(kāi)窗的面積、位置、室內(nèi)表面反光情況及建筑玻璃的透光性能等。其中，建筑玻璃的可見(jiàn)光透射比對(duì)室內(nèi)采光的影響成正比，但是由于其它影響因素較多，因此大部分的建筑標(biāo)準(zhǔn)對(duì)玻璃的可見(jiàn)光透射比沒(méi)有直接要求。僅在部分地方標(biāo)準(zhǔn)中有最低限值，如廣東地方公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中要求當(dāng)窗墻面積比小于0.4時(shí)，玻璃的可見(jiàn)光透射比應(yīng)不小于0.4［3］。

圖1 玻璃可見(jiàn)光透射比與建筑照明節(jié)能的關(guān)系

然而，從節(jié)能角度考慮，可見(jiàn)光透射比對(duì)建筑節(jié)能的影響也是明顯的［4］。如圖1所示，由于可見(jiàn)光透射比的差別造成的單位面積功率密度最大差值在晴天達(dá)7 W/m2，在陰天也可達(dá)4 W/m2。對(duì)于普通辦公室，差值約占允許功率密度現(xiàn)行值的36%～64%。因此，可見(jiàn)光透射比對(duì)建筑節(jié)能的潛在貢獻(xiàn)不容忽視。從建筑節(jié)能的角度，限定可見(jiàn)光透射比最小值、盡可能提高可見(jiàn)光透射比是很有必要的。

2 遮陽(yáng)系數(shù)與可見(jiàn)光透射比相關(guān)性的理論分析

遮陽(yáng)系數(shù)和可見(jiàn)光透射比都與太陽(yáng)光光譜的能量分布密切相關(guān)。太陽(yáng)光譜的能量分布可以根據(jù)GB/T 2680—1994《建筑玻璃可見(jiàn)光透射比、太陽(yáng)光直接透射比、太陽(yáng)能總透射比、紫外線透射比及有關(guān)窗玻璃參數(shù)的測(cè)定》分析得到，用于分析建筑玻璃的太陽(yáng)光光譜分布如圖2所示，經(jīng)過(guò)計(jì)算，可見(jiàn)光光區(qū)的能量占總能量的55.9%，近紅外區(qū)的能量占總能量的42.8%。因此，當(dāng)允許一定的可見(jiàn)光進(jìn)入室內(nèi)時(shí)必然帶進(jìn)大部分的太陽(yáng)熱量，同時(shí)，要限制足夠多的熱量進(jìn)入室內(nèi)，必然影響可見(jiàn)光的進(jìn)入?？梢?jiàn)，兩者從數(shù)值上是具有相關(guān)性的。

圖2 太陽(yáng)光譜能量分布

因此，當(dāng)可見(jiàn)光透射比一定時(shí)，必然對(duì)應(yīng)了一個(gè)透過(guò)的能量的最小值，也就對(duì)應(yīng)了遮陽(yáng)系數(shù)的最小值。對(duì)于夏熱冬暖地區(qū)來(lái)說(shuō)，建筑節(jié)能的關(guān)鍵問(wèn)題是建筑遮陽(yáng)，因此節(jié)能效果理想的玻璃是把近紅外部分和紫外區(qū)的能量大量反射出去，盡可能多的讓可見(jiàn)光透射進(jìn)來(lái)。這里假設(shè)一塊理想玻璃，它的可見(jiàn)光透過(guò)率為100%，對(duì)紫外線和近紅外的反射率為100%，經(jīng)過(guò)計(jì)算，它的遮陽(yáng)系數(shù)為0.63。因此，根據(jù)太陽(yáng)的光譜特性，可見(jiàn)光透射比為100%時(shí)，它的最小的遮陽(yáng)系數(shù)是0.63。這是基于遮陽(yáng)性和采光綜合性能最優(yōu)的理想值。

3 針對(duì)常見(jiàn)建筑玻璃的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 測(cè)試儀器與依據(jù)

主要實(shí)驗(yàn)儀器有：傅立葉變化紅外光譜儀，SPECTRUM BXⅡ型，量程2500～250 000 nm；紫外/可見(jiàn)/近紅外分光光度計(jì)，LAMBDA750型，量程250～2500 nm。

測(cè)試時(shí)，依據(jù)GB/T 2680—1994和JGJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》，對(duì)常見(jiàn)建筑玻璃的可見(jiàn)光透射比和遮陽(yáng)系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。本次測(cè)試采集了1012個(gè)樣品，其中，單片玻璃樣品584個(gè)（包括透明玻璃193個(gè)、灰色玻璃84個(gè)、綠色玻璃77個(gè)、藍(lán)色玻璃39個(gè)及單片鍍膜玻璃191個(gè)），中空玻璃樣品359個(gè)（包括透明中空55個(gè)、著色中空56個(gè)及Low-E中空248個(gè)），夾膠玻璃樣品45個(gè)（包括單層夾膠17個(gè)、中空著色夾膠4個(gè)及Low-E中空夾膠24個(gè)）。

通過(guò)測(cè)試常見(jiàn)建筑用玻璃的這2個(gè)指標(biāo)，分析研究不同類型玻璃二者的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上提出遮陽(yáng)和采光的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.2 測(cè)試結(jié)果與分析

3.2.1 單片玻璃

單片玻璃分為透明玻璃、著色玻璃和鍍膜玻璃。其中，著色玻璃包括灰色玻璃、綠色玻璃和藍(lán)色玻璃；鍍膜玻璃主要包括Low-E玻璃和熱反射鍍膜玻璃。單片玻璃樣品的可見(jiàn)光透射比和遮陽(yáng)系數(shù)的關(guān)系如圖3所示；Low-E玻璃和熱反射鍍膜玻璃可見(jiàn)光透射比和遮陽(yáng)系數(shù)的關(guān)系如圖4所示。

圖3 單片玻璃可見(jiàn)光透射比和遮陽(yáng)系數(shù)

圖4 單片Low-E玻璃和鍍膜玻璃可見(jiàn)光透射比和遮陽(yáng)系數(shù)的關(guān)系

從圖3、圖4可以看出：（1）透明玻璃的可見(jiàn)光透射比在80%～95%，遮陽(yáng)系數(shù)為0.85～1.00；（2）著色玻璃的可見(jiàn)光透射比為40%～80%，遮陽(yáng)系數(shù)為0.6～0.9；（3）鍍膜玻璃由于膜層的不同分布區(qū)域很大，可見(jiàn)光透射比為20%～90%，遮陽(yáng)系數(shù)為0.3～1.0；（4）同樣的遮陽(yáng)系數(shù)時(shí)，綠玻的透光性能優(yōu)于藍(lán)玻，藍(lán)玻優(yōu)于灰玻；（5）鍍膜玻璃遮陽(yáng)系數(shù)可以達(dá)到比較低，同樣的遮陽(yáng)系數(shù)時(shí)，不同的鍍膜透光性能差距很大，例如遮陽(yáng)系數(shù)為0.5時(shí)，不同的鍍膜的可見(jiàn)光透射比為20%～75%，遮陽(yáng)系數(shù)為0.4時(shí)，不同的鍍膜的可見(jiàn)光透射比為20%～55%；（6）各類玻璃可見(jiàn)光透射比和遮陽(yáng)系數(shù)分別近似呈線性關(guān)系，當(dāng)其中一個(gè)值確定，另一個(gè)就限定到一定范圍。

3.2.2 中空玻璃

中空玻璃的樣本主要包括：透明中空、著色中空和Low-E中空，測(cè)試樣品可見(jiàn)光透射比和遮陽(yáng)系數(shù)的關(guān)系如圖5所示。

圖5 中空玻璃可見(jiàn)光透射比和遮陽(yáng)系數(shù)的關(guān)系

從圖5可以看出：（1）透明中空玻璃的可見(jiàn)光透射比為75%～85%，遮陽(yáng)系數(shù)在0.75～0.90；（2）著色中空玻璃的可見(jiàn)光透射比在38%～72%，遮陽(yáng)系數(shù)為0.75～0.90，遮陽(yáng)系數(shù)并沒(méi)有隨著可見(jiàn)光透射比降低而降低，遮陽(yáng)系數(shù)與透明中空接近，而透光性能差于透明中空；（3）由于鍍膜類型不同，鍍膜中空玻璃的可見(jiàn)光透射比和遮陽(yáng)系數(shù)的變化范圍較大，其中從總體上看可見(jiàn)光透射比主要分布為30%～78%，而遮陽(yáng)系數(shù)主要分布為0.2～0.7，遮陽(yáng)系數(shù)隨著可見(jiàn)光透射比降低而降低，當(dāng)其中一個(gè)值確定，另一個(gè)就限定到一定范圍。

3.2.3 夾膠玻璃

單片夾膠玻璃、中空Low-E夾膠玻璃和中空著色夾膠玻璃可見(jiàn)光透射比和遮陽(yáng)系數(shù)的關(guān)系如圖6所示。

圖6 夾膠玻璃可見(jiàn)光透射比和遮陽(yáng)系數(shù)的關(guān)系

從圖6可以看出：（1）單片夾膠玻璃的可見(jiàn)光透射比主要為18%～90%，遮陽(yáng)系數(shù)為0.30～0.90；（2）中空夾膠玻璃的可見(jiàn)光透射比為35%～80%，遮陽(yáng)系數(shù)為0.25～0.80；（3）2個(gè)指標(biāo)基本都呈線性關(guān)系。

因此，常見(jiàn)建筑玻璃的采光與遮陽(yáng)參數(shù)范圍如表2所示

表2 常見(jiàn)建筑玻璃的采光與遮陽(yáng)系數(shù)范圍

4 綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

從上面理論分析和實(shí)際測(cè)試結(jié)果看，各類玻璃的可見(jiàn)光透射比與遮陽(yáng)系數(shù)按類別分別呈近似線性關(guān)系，相互約束在一定范圍內(nèi)。為綜合評(píng)價(jià)玻璃的采光與遮陽(yáng)性能，采用可見(jiàn)光透射比和遮陽(yáng)系數(shù)的比值（定義為透光遮陽(yáng)比）表征玻璃透射單位熱量時(shí)的透光能力。在測(cè)試結(jié)果基礎(chǔ)上計(jì)算單片玻璃、中空玻璃、夾膠玻璃的透光遮陽(yáng)比，結(jié)果分別如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 單片玻璃的透光遮陽(yáng)比

圖8 中空玻璃的透光遮陽(yáng)比

由圖7、圖8、圖9可以看出：（1）普通單片白玻的透光遮陽(yáng)比平均值約為0.92；（2）綠玻的透光遮陽(yáng)比為0.75～1.14，平均值約為0.99；（3）灰玻的透光遮陽(yáng)比為0.65～0.86，平均值約為0.80；（4）藍(lán)玻的透光遮陽(yáng)比為0.67～1.03，平均值約為0.89；（5）單片鍍膜玻璃的透光遮陽(yáng)比為0.36～1.50，平均值約為0.83；（6）透明中空玻璃的透光遮陽(yáng)比為0.80～0.98，平均值約為0.92；（7）著色中空玻璃的透光遮陽(yáng)比為0.72～1.22，平均值約為1.01；（8）Low-E中空玻璃透光遮陽(yáng)比為0.72～1.79，平均值約為1.29；（9）普通夾膠玻璃的透光遮陽(yáng)比為0.55～1.18，平均值約為0.95；（10）中空著色夾膠玻璃的透光遮陽(yáng)比為0.64～0.87，平均值約為0.70；（11）中空Low-E夾膠玻璃的透光遮陽(yáng)比為0.75～1.64，平均值約為1.28。

圖9 夾膠玻璃的透光遮陽(yáng)比

5 結(jié)論

（1）基于測(cè)試結(jié)果，常見(jiàn)建筑玻璃的采光與遮陽(yáng)系數(shù)分別分布在相對(duì)約束的范圍內(nèi)。

（2）采用透光遮陽(yáng)比作為評(píng)價(jià)建筑玻璃的遮陽(yáng)和采光綜合性能的指標(biāo)，以白玻為參照，當(dāng)透光遮陽(yáng)比高于0.92時(shí)，被認(rèn)為具有良好的綜合性能。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，部分綠玻、藍(lán)玻及單片夾膠高于0.92，單片Low-E、中空Low-E和夾膠中空Low-E幾乎全部高于0.92；熱反射玻璃和灰色玻璃的綜合性能較差。

（3）對(duì)照前面對(duì)遮陽(yáng)性能和采光性能要求的分析和常見(jiàn)玻璃的測(cè)試結(jié)果，夏熱冬暖地區(qū)綜合考慮遮陽(yáng)和采光性能優(yōu)先選用原則是：對(duì)于居住建筑，當(dāng)窗墻面積比小于0.5時(shí)，優(yōu)先選用單片白玻、綠玻、藍(lán)玻、中空白玻，可滿足節(jié)能要求，選用單片Low-E、中空Low-E進(jìn)一步提升節(jié)能水平；當(dāng)窗墻面積比大于0.5時(shí)，優(yōu)先選用單片Low-E、中空Low-E。對(duì)于公共建筑，小型乙級(jí)公共建筑優(yōu)先選用綠玻、藍(lán)玻、中空白玻、單片Low-E、單片熱反射，可滿足節(jié)能要求，選用中空Low-E可進(jìn)一步提升節(jié)能水平；大型玻璃幕墻公共建筑優(yōu)先選用中空Low-E、單片夾膠、中空Low-E夾膠玻璃可滿足節(jié)能要求。

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Research on comprehensive shading and day lighting performance of building glass in hot-summer and warm-winter zone

ZHOU Quan，LAI Chenghui，ZHANG Guangmin
（Guangdong Provincial Academy of Building Research，Guangzhou，510500）

Abstract：Shading and day lighting performance index of building glass and their limits were analyzed according to building standard of hot -summer and warm -winter zone. Based on spectral distribution of solar radiation，the correlation of shading coefficient and visible transmittance of building glass was analyzed theoretically. 1012 glass samples（including single sheet，hollow glass and laminated glass）were measured on their shading coefficient and visible transmittance. Based on the results，numerical distribution range of typical building glass was shown and the correlation was analyzed. Ratio of visible transmitting and shading was proposed as the index of comprehensive performance. Using the index，typical building glass was evaluated. In the end，for different types building，choice principle was given based on optimal comprehensive performance.

Key words：building glass，shading，day lighting，comprehensive performance，ratio of visible transmitting and shading

中圖分類號(hào)：TU113.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-702X（2016）03-0090-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家十二五科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAJ01B02）

收稿日期：2016-01-20

作者簡(jiǎn)介：周荃，女，1980年生，湖北黃岡人，高級(jí)工程師。