夏热冬暖地区建筑玻璃的遮阳和采光综合性能研究

周荃，赖成辉，张广铭（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东广州　510500）



夏热冬暖地区建筑玻璃的遮阳和采光综合性能研究

周荃，赖成辉，张广铭
（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东广州510500）

摘要：依据夏热冬暖地区的建筑节能设计技术标准对建筑玻璃的遮阳和采光性能指标及其要求进行了分析。结合太阳能光谱能量分布，对玻璃遮阳系数与可见光透射比的相关性进行了理论分析。测试了1012个常用建筑玻璃样本（包括单片、中空和夹胶玻璃）的可见光透射比和遮阳系数，给出了各类玻璃可见光透射比和遮阳系数的范围并分析了相关性。提出采用透光遮阳比作为评价玻璃采光与遮阳综合性能的指标，并评价了各类玻璃的综合性能。针对不同类型建筑，基于综合性能最优的原则，给出了夏热冬暖地区建筑玻璃的选用原则。

关键词：建筑玻璃；遮阳；采光；综合性能；透光遮阳比

0 引言

在我国的夏热冬暖地区，由于气候原因，通过建筑玻璃进入建筑室内的太阳能得热是影响建筑节能的关键。因此，夏热冬暖地区的建筑节能标准把建筑遮阳作为一个节能的控制指标。玻璃的遮阳性能也因此受到了关注，具有遮阳效果的着色玻璃、热反射玻璃和Low-E玻璃被大量应用于建筑上以满足节能的需要。

然而，建筑对遮阳和采光的需求在玻璃的性能上是存在矛盾的。为了减少夏热冬暖地区的空调能耗，要求建筑玻璃挡住的太阳能越多越好，却可能降低玻璃的透光性能。一些实际工程中也出现了这类问题，由于过大的窗墙面积比，为了满足节能标准要求的遮阳系数，最后选用了遮阳性能高而透光性很低的玻璃。这不仅降低了视觉的舒适性，也增加了照明的能耗。因此，在选用建筑玻璃时，应综合考虑其遮阳性能和采光性能。目前，国内外很少有此方面的研究，也没有一个指标可以评价综合性能。因此，有必要研究建筑玻璃的遮阳和采光的综合性能及其指标的相关性。

1 建筑玻璃的遮阳和采光性能指标及其要求

1.1 建筑玻璃遮阳性能指标及要求

建筑玻璃的遮阳性能通常用遮阳系数来衡量，它表征玻璃相对普通玻璃的太阳能能量的透射能力。遮阳系数越小遮阳效果越好。

由于建筑节能的要求，不同地区的建筑节能设计标准限定了遮阳系数的上限值。以夏热冬暖地区标准为例，经过估算，建筑玻璃的遮阳系数限值如表1所示。

表1 夏热冬暖地区建筑玻璃遮阳系数限值估算

1.2 建筑玻璃采光性能指标及要求

建筑玻璃的采光性能通常采用可见光透射比作为指标衡量，它表征的是玻璃对可见光通量的透射能力。可见光透射比越大透光能力越强。

影响建筑室内采光的因素比较多，包括开窗的面积、位置、室内表面反光情况及建筑玻璃的透光性能等。其中，建筑玻璃的可见光透射比对室内采光的影响成正比，但是由于其它影响因素较多，因此大部分的建筑标准对玻璃的可见光透射比没有直接要求。仅在部分地方标准中有最低限值，如广东地方公共建筑节能标准中要求当窗墙面积比小于0.4时，玻璃的可见光透射比应不小于0.4［3］。

图1 玻璃可见光透射比与建筑照明节能的关系

然而，从节能角度考虑，可见光透射比对建筑节能的影响也是明显的［4］。如图1所示，由于可见光透射比的差别造成的单位面积功率密度最大差值在晴天达7 W/m2，在阴天也可达4 W/m2。对于普通办公室，差值约占允许功率密度现行值的36%～64%。因此，可见光透射比对建筑节能的潜在贡献不容忽视。从建筑节能的角度，限定可见光透射比最小值、尽可能提高可见光透射比是很有必要的。

2 遮阳系数与可见光透射比相关性的理论分析

遮阳系数和可见光透射比都与太阳光光谱的能量分布密切相关。太阳光谱的能量分布可以根据GB/T 2680—1994《建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》分析得到，用于分析建筑玻璃的太阳光光谱分布如图2所示，经过计算，可见光光区的能量占总能量的55.9%，近红外区的能量占总能量的42.8%。因此，当允许一定的可见光进入室内时必然带进大部分的太阳热量，同时，要限制足够多的热量进入室内，必然影响可见光的进入。可见，两者从数值上是具有相关性的。

图2 太阳光谱能量分布

因此，当可见光透射比一定时，必然对应了一个透过的能量的最小值，也就对应了遮阳系数的最小值。对于夏热冬暖地区来说，建筑节能的关键问题是建筑遮阳，因此节能效果理想的玻璃是把近红外部分和紫外区的能量大量反射出去，尽可能多的让可见光透射进来。这里假设一块理想玻璃，它的可见光透过率为100%，对紫外线和近红外的反射率为100%，经过计算，它的遮阳系数为0.63。因此，根据太阳的光谱特性，可见光透射比为100%时，它的最小的遮阳系数是0.63。这是基于遮阳性和采光综合性能最优的理想值。

3 针对常见建筑玻璃的实验测试

3.1 测试仪器与依据

主要实验仪器有：傅立叶变化红外光谱仪，SPECTRUM BXⅡ型，量程2500～250 000 nm；紫外/可见/近红外分光光度计，LAMBDA750型，量程250～2500 nm。

测试时，依据GB/T 2680—1994和JGJ/T 151—2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》，对常见建筑玻璃的可见光透射比和遮阳系数进行了测试。本次测试采集了1012个样品，其中，单片玻璃样品584个（包括透明玻璃193个、灰色玻璃84个、绿色玻璃77个、蓝色玻璃39个及单片镀膜玻璃191个），中空玻璃样品359个（包括透明中空55个、着色中空56个及Low-E中空248个），夹胶玻璃样品45个（包括单层夹胶17个、中空着色夹胶4个及Low-E中空夹胶24个）。

通过测试常见建筑用玻璃的这2个指标，分析研究不同类型玻璃二者的关系，并在此基础上提出遮阳和采光的综合评价指标。

3.2 测试结果与分析

3.2.1 单片玻璃

单片玻璃分为透明玻璃、着色玻璃和镀膜玻璃。其中，着色玻璃包括灰色玻璃、绿色玻璃和蓝色玻璃；镀膜玻璃主要包括Low-E玻璃和热反射镀膜玻璃。单片玻璃样品的可见光透射比和遮阳系数的关系如图3所示；Low-E玻璃和热反射镀膜玻璃可见光透射比和遮阳系数的关系如图4所示。

图3 单片玻璃可见光透射比和遮阳系数

图4 单片Low-E玻璃和镀膜玻璃可见光透射比和遮阳系数的关系

从图3、图4可以看出：（1）透明玻璃的可见光透射比在80%～95%，遮阳系数为0.85～1.00；（2）着色玻璃的可见光透射比为40%～80%，遮阳系数为0.6～0.9；（3）镀膜玻璃由于膜层的不同分布区域很大，可见光透射比为20%～90%，遮阳系数为0.3～1.0；（4）同样的遮阳系数时，绿玻的透光性能优于蓝玻，蓝玻优于灰玻；（5）镀膜玻璃遮阳系数可以达到比较低，同样的遮阳系数时，不同的镀膜透光性能差距很大，例如遮阳系数为0.5时，不同的镀膜的可见光透射比为20%～75%，遮阳系数为0.4时，不同的镀膜的可见光透射比为20%～55%；（6）各类玻璃可见光透射比和遮阳系数分别近似呈线性关系，当其中一个值确定，另一个就限定到一定范围。

3.2.2 中空玻璃

中空玻璃的样本主要包括：透明中空、着色中空和Low-E中空，测试样品可见光透射比和遮阳系数的关系如图5所示。

图5 中空玻璃可见光透射比和遮阳系数的关系

从图5可以看出：（1）透明中空玻璃的可见光透射比为75%～85%，遮阳系数在0.75～0.90；（2）着色中空玻璃的可见光透射比在38%～72%，遮阳系数为0.75～0.90，遮阳系数并没有随着可见光透射比降低而降低，遮阳系数与透明中空接近，而透光性能差于透明中空；（3）由于镀膜类型不同，镀膜中空玻璃的可见光透射比和遮阳系数的变化范围较大，其中从总体上看可见光透射比主要分布为30%～78%，而遮阳系数主要分布为0.2～0.7，遮阳系数随着可见光透射比降低而降低，当其中一个值确定，另一个就限定到一定范围。

3.2.3 夹胶玻璃

单片夹胶玻璃、中空Low-E夹胶玻璃和中空着色夹胶玻璃可见光透射比和遮阳系数的关系如图6所示。

图6 夹胶玻璃可见光透射比和遮阳系数的关系

从图6可以看出：（1）单片夹胶玻璃的可见光透射比主要为18%～90%，遮阳系数为0.30～0.90；（2）中空夹胶玻璃的可见光透射比为35%～80%，遮阳系数为0.25～0.80；（3）2个指标基本都呈线性关系。

因此，常见建筑玻璃的采光与遮阳参数范围如表2所示

表2 常见建筑玻璃的采光与遮阳系数范围

4 综合性能评价指标

从上面理论分析和实际测试结果看，各类玻璃的可见光透射比与遮阳系数按类别分别呈近似线性关系，相互约束在一定范围内。为综合评价玻璃的采光与遮阳性能，采用可见光透射比和遮阳系数的比值（定义为透光遮阳比）表征玻璃透射单位热量时的透光能力。在测试结果基础上计算单片玻璃、中空玻璃、夹胶玻璃的透光遮阳比，结果分别如图7、图8、图9所示。

图7 单片玻璃的透光遮阳比

图8 中空玻璃的透光遮阳比

由图7、图8、图9可以看出：（1）普通单片白玻的透光遮阳比平均值约为0.92；（2）绿玻的透光遮阳比为0.75～1.14，平均值约为0.99；（3）灰玻的透光遮阳比为0.65～0.86，平均值约为0.80；（4）蓝玻的透光遮阳比为0.67～1.03，平均值约为0.89；（5）单片镀膜玻璃的透光遮阳比为0.36～1.50，平均值约为0.83；（6）透明中空玻璃的透光遮阳比为0.80～0.98，平均值约为0.92；（7）着色中空玻璃的透光遮阳比为0.72～1.22，平均值约为1.01；（8）Low-E中空玻璃透光遮阳比为0.72～1.79，平均值约为1.29；（9）普通夹胶玻璃的透光遮阳比为0.55～1.18，平均值约为0.95；（10）中空着色夹胶玻璃的透光遮阳比为0.64～0.87，平均值约为0.70；（11）中空Low-E夹胶玻璃的透光遮阳比为0.75～1.64，平均值约为1.28。

图9 夹胶玻璃的透光遮阳比

5 结论

（1）基于测试结果，常见建筑玻璃的采光与遮阳系数分别分布在相对约束的范围内。

（2）采用透光遮阳比作为评价建筑玻璃的遮阳和采光综合性能的指标，以白玻为参照，当透光遮阳比高于0.92时，被认为具有良好的综合性能。根据测试结果，部分绿玻、蓝玻及单片夹胶高于0.92，单片Low-E、中空Low-E和夹胶中空Low-E几乎全部高于0.92；热反射玻璃和灰色玻璃的综合性能较差。

（3）对照前面对遮阳性能和采光性能要求的分析和常见玻璃的测试结果，夏热冬暖地区综合考虑遮阳和采光性能优先选用原则是：对于居住建筑，当窗墙面积比小于0.5时，优先选用单片白玻、绿玻、蓝玻、中空白玻，可满足节能要求，选用单片Low-E、中空Low-E进一步提升节能水平；当窗墙面积比大于0.5时，优先选用单片Low-E、中空Low-E。对于公共建筑，小型乙级公共建筑优先选用绿玻、蓝玻、中空白玻、单片Low-E、单片热反射，可满足节能要求，选用中空Low-E可进一步提升节能水平；大型玻璃幕墙公共建筑优先选用中空Low-E、单片夹胶、中空Low-E夹胶玻璃可满足节能要求。

参考文献：

［1］JGJ 75—2012，夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准［S］.

［2］GB 50189—2015，公共建筑节能设计标准［S］.

［3］DBJ 15-51—2007，公共建筑节能设计标准广东省实施细则［S］.

［4］陈红兵，李德英，涂光备，等.天然采光影响因素分析与照明节能［J］.照明工程学报，2004，15（4）：1-5.

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

中图分类号：TU113.4

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）03-0090-04

基金项目：国家十二五科技支撑计划项目（2011BAJ01B02）

收稿日期：2016-01-20

作者简介：周荃，女，1980年生，湖北黄冈人，高级工程师。