外窗遮阳系统太阳得热系数及其对空调负荷的影响
0 引言
随着人们对全球环境问题的关注和建筑节能工作的普及，建筑师对建筑能耗问题不再陌生 [1]。从全社会的能耗情况来看，建筑能耗约占社会总能耗的40.6% [2]。因此，在营造舒适室内热环境的同时，充分降低建筑能耗成为当前研究的热点。大量的研究与工程实践表明，通过合理的建筑热工设计，充分提升建筑物及其围护结构的热工性能是实现建筑节能的重要途径 [3]。在建筑物及其围护结构中，窗户是热工性能最为薄弱的构件。据统计，在供暖或空调条件下，冬季由于外窗热工性能差而损失的热量约占供暖负荷的30%～50%,为消除透过外窗进入室内的夏季太阳辐射热所需的冷量约占空调负荷的20%～30%,而透过玻璃窗的室内太阳辐射得热量占建筑物围护结构所形成冷负荷的一半以上 [4,5]。由此可见，在建筑节能中应充分关注窗户的节能措施，其节能技术关键在于合理应用遮阳装置，有效控制太阳辐射得热 [6]。
外窗通过遮阳装置来控制太阳辐射得热的效果可用太阳得热系数SHGC(solar heat gain coefficient)来量化。太阳得热系数的定义为“通过透光围护结构(门窗或透光幕墙)的太阳辐射室内得热量与投射到透光围护结构(门窗或透光幕墙)外表面上的太阳辐射量的比值” [7]。如图1所示，进入室内的太阳辐射得热量分为太阳辐射室内直接得热量和太阳辐射室内二次传热量。为了使各种外窗和遮阳产品之间的性能可进行对比，JGJ/T 151—2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》中给出了门窗或透光幕墙的太阳光总透射比计算方法和标准计算条件 [8]。
图1 通过外窗进入室内的太阳辐射得热 下载原图
在外窗遮阳系统的太阳辐射得热研究方面：杨仕超指出，一般外遮阳比内遮阳的效果好很多，因为内遮阳装置吸收的太阳辐射热仍然留在室内 [9]。丁勇等人建立太阳辐射模型，计算分析了不同玻璃在不同朝向下的室内太阳辐射得热量 [10]。金星等人利用实验与模拟方法，研究了SHGC与太阳入射角的关系，发现不同朝向玻璃窗的SHGC随着太阳入射角变化呈现有规律的变化，而当玻璃窗表面没有太阳直射辐射时，SHGC基本保持不变 [11]。Manz通过实验研究了采用中置遮阳的双层通风玻璃幕墙在夏季自然对流条件下，安装顺序和通风策略对SHGC的影响 [12]。Adeeba等人研究了加利福尼亚外窗遮阳系统在6个朝向的SHGC大小，并分析了遮阳装置对室内热环境的影响 [13]。Karlsson等人给出了玻璃系统SHGC计算的经验模型多项表达式 [14]。上述研究多通过实验或模拟的方法分析外窗遮阳系统太阳辐射得热和其SHGC变化情况，SHGC研究主要集中于遮阳形式、朝向、太阳位置对其数值大小的影响，且时间尺度为1天，对于更长时间尺度上的SHGC值变化情况则缺乏研究。
在外窗遮阳系统的负荷研究方面：McQuiston等人提出了日射冷负荷系数，对透过玻璃窗的日射冷负荷计算精度进行了改进 [15]。孙德宇等人根据理论计算结果，对太阳辐射在室内分配的比例进行了统一，解决了国内常用的负荷计算软件中外窗冷负荷差异较大的问题，同时大大提高了负荷计算软件的计算精度 [16]。杨爽等人建立了玻璃窗的室内蓄热平板模型，为解决太阳辐射透过玻璃窗形成的冷负荷计算提供了一个新思路 [17]。赵士怀等人分析了节能窗对室内得热和空调冷负荷的影响 [18]。上述研究主要集中于无遮阳外窗形成的冷负荷计算，对于采用不同遮阳形式外窗系统的日射得热冷负荷研究很少，同时由于太阳辐射和阴影的逐时变化，导致逐时计算通过外窗遮阳系统进入室内的太阳辐射得热量难度加大，进而使外窗遮阳系统的辐射负荷模拟实际情况的难度加大。
综上，目前外窗遮阳产品的太阳得热系数是在标准计算条件下得到的，是一个固定值，不能直接用于节能工程计算，相较于标准计算条件得到的太阳得热系数，更长时间尺度的太阳得热系数，如1个月或者冬季(夏季),更能宏观地反映外窗遮阳产品的热工性能。同时，随着各种外窗遮阳系统的出现，如何评价其对房间空调负荷的影响；如何选择合理的遮阳形式，平衡内外遮阳的作用，以最优方式解决隔热问题都有进一步的研究空间 [19]。基于上述问题，本文以夏热冬冷地区的南京市为例，对外窗(双玻中空玻璃)遮阳系统的太阳得热系数在全年逐月的变化规律、4种外窗遮阳系统在不同朝向方位角上的年太阳得热系数，以及不同外窗遮阳系统形成的房间负荷等进行了研究。本研究对评价外窗(双玻中空玻璃)遮阳系统的热工性能，选择以建筑节能为目的的外窗遮阳形式有一定参考意义。
1 外窗遮阳系统形成的负荷计算
对于空调房间，房间得热量由通过围护结构进入房间的热量及房间内部散发的各种热量组成，其中通过围护结构进入房间的热量很大一部分是从窗户得到的。通过窗户的得热量分为窗户传导得热量和太阳辐射得热量，影响两者的主要参数为窗户的传热系数K和太阳得热系数SHGC,将通过窗户的得热分解为对流得热和辐射得热，再对对流得热和辐射得热引起的冷负荷分别求和，便求得窗户形成的冷负荷。如果室内负荷为热负荷，则热流的方向相反，但原理相同。
外窗遮阳系统形成的冷负荷计算流程如图2所示。从图2可以看出，计算透过外窗的太阳辐射及其形成的冷负荷是一个比较复杂的过程。首先，窗口的太阳辐射强度随地点、朝向、时间的改变而改变；其次，不同外窗系统对太阳辐射的阻挡能力不同，造成通过窗户进入室内的太阳直射、散射辐射量不同；最后，要将太阳辐射得热分解成对流和辐射部分分别计算，才能最终得到冷负荷。其中各个时刻通过窗户的太阳辐射得热计算式 [20]如下：
Q(k)=AwdΙAC[SΗGC(θ(k))ED(k)+SΗGCDEdt(k)] (1)
式中 Q(k)为各个时刻通过外窗遮阳系统进入室内的太阳辐射得热量，W;k为计算时刻；Awd为窗户面积，m2;IAC为内遮阳衰减系数；SHGC(θ(k))为入射角为θ(k)时的太阳直接得热系数；ED(k)为k时刻的太阳直射辐射，W/m2;SHGCD为太阳散射得热系数，其值近似等于垂直入射的SHGC(0);Edt(k)为k时刻的散射辐射，W/m2。
图2 外窗遮阳系统形成的冷负荷计算流程 下载原图
外窗遮阳系统的太阳得热系数的计算时段可以是1天、1个月或者1年，计算时段内的太阳得热系数，反映了在某一时间段内外窗遮阳系统对太阳直射辐射和散射辐射的综合遮挡效果，其计算式如下：
SΗGCs=∑k=1nQ(k)Awd∑k=1nΙG(k) (2)
式中 SHGCs为外窗遮阳系统在计算时段内的太阳得热系数；n为总小时数；IG(k)为k时刻投射到窗口的太阳辐照度，W/m2。
2 研究方法
以一间典型的办公建筑房间为原型，使用Parasol软件建立外窗遮阳系统模型，研究外窗遮阳系统太阳得热系数的全年变化规律及其对房间负荷的影响。Parasol软件的计算内核为DEROH-LTH程序，该程序由美国德克萨斯大学建筑学院编写，瑞典隆德大学建筑科学系在其基础上进行修改和完善，并开发出该软件，该软件可以对不同外窗遮阳系统的太阳辐射得热和空调能耗进行模拟计算，其计算可靠性在文献[21]中得到了验证。研究模拟计算了无遮阳外窗(双玻中空玻璃)在全年逐月的月太阳得热系数与月平均太阳高度角、4种外窗遮阳系统在0°～330°朝向方位角的年太阳得热系数，最后分析了4种外窗遮阳系统形成的房间负荷。
2.1 模型建立
建筑房间的尺寸为5.0 m×4.0 m×3.0 m(长×宽×高),外窗尺寸为2.4 m(长)×2.0 m(宽),窗墙面积比为0.4,外窗玻璃为4 mm透明+12 mm空气+4 mm透明的双玻中空玻璃，窗户所在墙为房间的外墙，其余三面墙为房间内墙，内墙与室外无传热，外墙传热系数为0.15 W/(m2·K),地面反射比设定为20%。外窗的传热系数为2.88 W/(m2·K),外窗的太阳得热系数SHGC为0.768。外窗的传热系数采用冬季边界条件计算，太阳得热系数采用夏季边界条件计算 [22],计算边界条件具体如表1所示，房间模型示意图见图3。
表1 外窗热工性能计算的环境边界条件 导出到EXCEL
| 冬季边界 条件 |
夏季边界 条件 |
|
室内空气温度tin/℃ |
20 | 25 |
室外空气温度tout/℃ |
0 | 30 |
室内对流换热系数hc, in/(W/(m2·℃)) |
3.6 | 2.5 |
室外对流换热系数hc, out/(W/(m2·℃)) |
20 | 8 |
太阳辐照度Is/(W/m2) |
300 | 500 |
图3 房间模型示意图 下载原图
2.2 室内设计参数
本研究中，夏季室内设计温度26 ℃、相对湿度60%,冬季室内设计温度18 ℃、相对湿度40%,新风量根据“规定设定法” [23]计算为27 L/s, 空调送风温度为17 ℃,房间内热源存在时间为工作日的07:00—17:00,内热源参数设定见表2。室内设计参数和内热源设定参数均符合相关规范标准。
表2 内热源设定参数 导出到EXCEL
内热源 |
数量 | 散热密度/(W/m2) |
人 |
2 | 18 |
办公设备 |
2 | 18 |
照明 |
1 | 9 |
2.3 室外气象数据
典型年气象数据源于“十三五”国家重点研发计划“建筑节能设计基础参数研究”项目关于建筑能耗模拟气象年的研究成果。Parasol软件模拟计算所需的数据包括室外干球温度、天空有效温度、太阳法向直射辐射强度、水平面散射辐射强度，将该典型年数据中计算所需的几个参数提取出来，导入软件进行模拟，由于典型年数据中缺乏天空有效温度，天空有效温度根据文献[24]计算，本文不再赘述。在本研究中，选取我国夏热冬冷地区的南京市进行模拟，模拟时间为1月1日至12月31日。
2.4 遮阳系统类型
在本次研究中遮阳布置方式分别为外置遮阳、中置遮阳及内置遮阳。外置遮阳产品为水平百叶遮阳窗帘，中置遮阳产品为卷帘，内置遮阳产品为水平百叶遮阳窗帘。模拟计算外窗在3种遮阳方式下全年的太阳得热系数和空调能耗变化规律，并对模拟结果进行分析比较。表3为3种遮阳类型、示意图及其性能参数。对于中置卷帘和内置水平百叶遮阳，程序使用遮阳装置室内侧和室外侧对太阳短波、长波辐射的阻挡能力，来描述其遮阳性能。
表3 遮阳类型、示意图及其性能参数 导出到EXCEL
遮阳类型 |
示意图 | 性能参数 |
外置水平百叶遮阳 |
 |
发射率=0.30 反射比=0.80 间距/单元边长=100 mm/100 mm |
中置卷帘遮阳 |
 |
短波辐射 室内侧：吸收比(散射)=0.39,反射比(散射)=0.48,透射比=0.13 室外侧：吸收比(散射)=0.22,反射比(散射)=0.65,透射比=0.13 长波辐射 室内侧：发射率=0.90,反射比=0.10 室外侧：发射率=0.90,反射比=0.10 |
内置水平百叶遮阳 |
 |
短波辐射 室内侧：吸收比(散射)=0.33,反射比(散射)=0.67 室外侧：吸收比(散射)=0.33,反射比(散射)=0.67 长波辐射 室内侧：发射率=0.90,反射比=0.10 室外侧：发射率=0.90,反射比=0.10 |
3 研究结果及分析
3.1 太阳得热系数分析
对各朝向外窗遮阳系统的太阳得热系数进行模拟计算，模拟中仅所要研究的朝向有窗，其他朝向均无窗。外窗遮阳系统的太阳得热系数模拟计算结果如图4、5所示。图4为无遮阳双玻中空外窗的全年逐月太阳得热系数与月平均太阳高度角关系图。可以看出，对于东向、西向和南向外窗而言，在月太阳得热系数曲线的变化趋势上，东、西向外窗的月太阳得热系数曲线总体略微呈现先增大后减小的变化趋势，且2个朝向外窗的月太阳得热系数基本相等，南向外窗的月太阳得热系数曲线受月太阳高度角的影响最为显著，其总体明显呈现先减小后增大的变化趋势。南向外窗的月太阳得热系数最大值、最小值分别出现在12月和5月。对于南京地区的北向外窗，仅在夏季上午日出后一段时间和下午近傍晚时间受到太阳直射辐射，冬季不会受到太阳直射照射，即北窗全年大部分时间接收太阳散射辐射，其月太阳得热系数全年整体较为稳定。在全年逐月太阳得热系数的变化幅度上，南向外窗的月太阳得热系数曲线全年波动最大，其月太阳得热系数最大值和最小值相差达到0.10,而且其夏季(6、7、8、9月)平均太阳得热系数比冬季(1、2、11、12月)降低约13%。在4个朝向月太阳得热系数与月平均太阳高度角的关系上，南向外窗的月太阳得热系数与月平均太阳高度角的关系最为密切，其数值随月平均太阳高度角增大而明显减小。
图4 无遮阳双玻中空窗的月太阳得热系数及月平均太阳高度角 下载原图
图5 不同遮阳方式外窗遮阳系统的年太阳得热系数 下载原图
对南京地区无遮阳双玻中空外窗的月太阳得热系数分析可知，外窗的月太阳得热系数不仅存在不同朝向时的差异，而且表现出明显的时间分布特征。夏季太阳辐射量大，通过外窗进入室内的太阳辐射热量也较大，而东、西向外窗的太阳得热系数在夏季略微升高，南向外窗的太阳得热系数在夏季明显降低，表明东、西向外窗夏季阻挡太阳辐射的能力要弱于南向外窗。南向外窗的太阳得热系数在夏季达到低谷值，冬季达到峰值，主要原因是由于太阳位置的季节变化，其平均太阳高度角夏季比冬季高，从而导致外窗的平均太阳直射入射角在夏季大于冬季，太阳得热系数呈现随太阳入射角的增大而减小的一般规律 [13],所以模拟计算出的南向外窗夏季太阳得热系数小于冬季太阳得热系数。从月太阳得热系数的角度考虑，东、西向外窗的隔热节能潜力最大，其次是南向，北向由于全年受到太阳直射辐射的时间较短，接收的太阳辐射量也最少，因此隔热节能潜力最小。由此可见，对于建筑节能而言，要分别计算夏季空调期和冬季供暖期外窗的太阳得热系数，然后再进行全年的能耗计算，如果全年采用一个统一的数值来进行建筑能耗计算必然会产生较大的误差。
图5比较了采用外置水平百叶遮阳窗帘(百叶倾斜角=0°)、中置卷帘遮阳、内置水平百叶遮阳窗帘的3种外窗系统在不同朝向的年太阳得热系数，外窗朝向方位角从0°～330°,每隔30°模拟计算一次。可以看出，采用不同遮阳方式的外窗系统在阻挡太阳辐射能力方面，中置卷帘遮阳外窗>外置水平百叶遮阳外窗>内置水平百叶遮阳外窗>无遮阳外窗。采用中置卷帘遮阳的外窗系统，不同朝向上的年太阳得热系数基本趋于稳定；采用外置百叶遮阳窗帘和内置百叶遮阳窗帘的外窗系统，不同朝向上的年太阳得热系数波动较大。
以上分析了4个朝向无遮阳双玻中空外窗的月太阳得热系数在全年的变化规律及其与月平均太阳高度角的关系，比较了不同遮阳方式的外窗遮阳系统的年太阳得热系数。可以看出南向双玻中空外窗的月太阳得热系数曲线全年波动幅度最大，且太阳得热系数在夏季(6、7、8、9月)比冬季(1、2、11、12月)降低了约13%,而东、西向双玻中空外窗的太阳得热系数全年较为稳定，太阳得热系数在夏季略大于冬季；3种外窗遮阳系统中，中置卷帘遮阳外窗的年太阳得热系数最小。
3.2 负荷分析
由于不同外窗遮阳系统对太阳辐射得热的阻挡程度不同，进而会影响“设计日”负荷曲线峰值的衰减，这对于削弱空调设计负荷有重要意义。图6以南向外窗为例，比较了不同外窗遮阳系统模型房间的夏季“设计日”冷负荷，需要指出的是本文中的“设计日”与一般而言的空调设计日不同，该软件选取模拟期间冷热负荷的最大值所在日作为“设计日” [22],来比较不同外窗遮阳系统的热工性能。可以看出夏季“设计日”峰值冷负荷均出现在15:00,其中无遮阳外窗的模型房间峰值冷负荷为2 028 W,中置卷帘遮阳外窗的模型房间峰值冷负荷最小，为1 165 W;内置水平百叶遮阳外窗、外置水平百叶遮阳外窗、中置卷帘遮阳外窗，与无遮阳外窗相比，夏季“设计日”峰值冷负荷分别降低了4.8%、20.7%、42.4%,累计冷负荷分别降低了5.9%、17.9%、38.0%。可以看出，中置卷帘遮阳外窗对峰值冷负荷的降低能力远大于外置百叶遮阳外窗和内置百叶遮阳外窗，因此采用不同遮阳方式的外窗对房间夏季“设计日”峰值冷负荷和累计冷负荷影响很大，而进行空调系统设计时，根据峰值冷负荷来确定房间空调制冷量，峰值冷负荷越大，空调设备制冷量就相应越大，能耗也就越大，从这一角度考虑，选择合适的外窗遮阳系统，然后正确计算空调负荷，对空调系统设计容量的合理选取和最终降低建筑能耗都有重要意义。
图6 不同外窗遮阳系统模型房间“设计日”冷负荷(南向) 下载原图
采用不同外窗遮阳系统的模型房间在南向的全年各月累计负荷与月太阳得热系数的关系如图7所示。图7中横轴上A为外窗无遮阳，B为外窗内置水平百叶遮阳，C为外窗中置卷帘遮阳，D为外窗外置水平百叶遮阳。可以看出，在月累计热负荷占比较大的1、2、3和12月，月累计热负荷随着月太阳得热系数的减小而增大，在月累计冷负荷占比较大的月份，月累计冷负荷随着月太阳得热系数的减小而减小。
图7 不同外窗遮阳系统各月累计负荷与月太阳得热系数(南向) 下载原图
为进一步比较不同外窗遮阳系统对模型房间空调负荷的影响，图8对采用不同外窗遮阳系统的模型房间在4个朝向的全年累计负荷及累计负荷降低率进行了比较。从图8a可以看出，4个朝向的全年累计负荷均是外窗无遮阳最高，其次是外窗内置水平百叶遮阳、外窗外置水平百叶遮阳，最小的是外窗中置卷帘遮阳。同时，外窗遮阳系统的年太阳得热系数与全年累计负荷呈现正相关。在外窗朝向对全年累计负荷的影响方面，西向窗户全年累计负荷最高，主要原因是西向窗户受太阳的长时间低入射角照射，窗户的太阳得热系数很大，同时室外气温较高，“西晒”现象严重，导致累计冷负荷很大，所以西向外窗隔热节能潜力最大；类似地，东向窗户也受到低角度太阳的照射，但由于太阳辐射较弱、室内外温度不算太高，温差热流小，所以“东晒”房间热环境比“西晒”稍好；南向窗户受太阳照射的时间最长，但受到低角度太阳照射的时间比西向和东向短，其全年累计负荷小于西向开窗、大于东向开窗；北向窗户仅在部分时段能够收到太阳直接照射，更多的是天空散射和环境反射辐射得热，其全年累计负荷最低。
图8 4个朝向不同外窗遮阳系统房间的全年 累计负荷及负荷降低率 下载原图
图8b给出了房间外窗采用不同遮阳形式的全年累计负荷降低率。这里的累计负荷降低率是指外窗采用遮阳设施前后，全年累计负荷降低的百分比。可以看出：南向和西向外窗采用遮阳后，全年累计负荷降低率高于东向、北向；而采用本文中置卷帘遮阳产品的南向外窗，由于太阳得热系数最小，即模拟中使用的中置卷帘装置遮阳性能优于外置水平百叶的遮阳性能，综合来看其全年累计负荷降低率最大，达到36.7%。虽然通常西向外窗的隔热节能潜力最大，但是在全年累计负荷降低率上，南向外窗采用遮阳后要优于相同遮阳形式的西向外窗。
4 结论
1) 外窗的月太阳得热系数存在不同朝向的差异和明显的时间分布特征。4个朝向中，南向双玻中空外窗全年逐月太阳得热系数变化最为显著，其全年逐月的月太阳得热系数最大相差达到0.10,且夏季太阳得热系数比冬季太阳得热系数降低13%。
2) 太阳得热系数是动态变化的。随太阳位置的变化，不同朝向的太阳得热系数变化趋势不同，在建筑外窗节能设计中，应从朝向和太阳高度角的季节变化考虑太阳得热系数的计算，同时从更宏观的角度来分析外窗遮阳产品的太阳得热系数，不能简单地将太阳得热系数当作一个固定值。
3) 对外窗分别采用外置水平百叶遮阳、中置卷帘遮阳、内置水平百叶遮阳的房间进行空调负荷模拟，可以得出，由于采用中置卷帘遮阳的外窗系统SHGC更小，与无遮阳外窗相比，房间夏季“设计日”峰值冷负荷、累计冷负荷分别降低了42.4%和38.0%;外窗遮阳系统的年太阳得热系数与全年累计负荷存在正相关关系，即外窗遮阳系统的年太阳得热系数越大，房间的全年累计负荷也越大；采用中置卷帘和内置百叶遮阳的南向外窗，其全年累计负荷降低率大于采用相同遮阳形式的西向外窗。
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作者简介： 刘衍，男，1988年9月生，博士，教授; *杨柳，710055陕西省西安市碑林区西安建筑科技大学建筑学院E-mail:yangliu@xauat.edu.cn;
收稿日期：2020-05-25
基金： “十三五”国家重点研发计划项目(编号：2018YFC0704500); 国家自然科学基金重点项目(编号：51838011); 中国科协“青年人才托举工程”计划项目(编号：2018QNRC001);
Study on solar heat gain coefficient and air conditioning load of external window shading systems
Liu Yan Zhao Huan Zhang Xiangrong Zhang Chen Yang Liu
State Key Laboratory of Green Building in Western China
Abstract：
In order to study the variation of solar heat gain coefficient(SHGC)in the whole year and the influence of the window shading system on the air conditioning load, taking Nanjing as an example, studies the change rule of SHGC of the window in 12 months of the year, the annual SHGC of three kinds of external window shading systems in different orientation angles, and the influence of window shading systems on the room air conditioning load. The research results show that the difference of monthly SHGC of the south facing window is up to 0.10, and the SHGC in summer is 13% lower than that in winter. The air conditioning energy saving effect of the external window system with central roller shutter and external horizontal shutter is better. In addition, the annual SHGC of the window shading system has a positive correlation with the total energy consumption of air conditioning, and the annual cumulative load reduction rate of the air conditioning of the south facing window with central roller shutter and built-in blinds is higher than that of the west facing window with the same sunshade.
Keyword：
solar heat gain coefficient(SHGC); window shading system; air conditioning load; cumulative load reduction rate; numerical simulation;
Received： 2020-05-25
本文引用格式：刘衍，赵欢，张向荣，等.外窗遮阳系统太阳得热系数及其对空调负荷的影响[J].暖通空调，2021，51（3）：116-122,32