内置百叶中空玻璃热工性能模拟分析

万成龙 ，金承哲 ，楚洪亮 ，刘会涛 ，王洪涛

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.常熟欧泰克建筑节能科技有限公司，江苏 常熟 215551）

0 引言

内置百叶中空玻璃是一种将百叶帘安装在中空玻璃内兼顾保温和遮阳的新型节能玻璃产品，采用磁力控制闭合装置和升降装置来操作中空玻璃内的百叶升降、翻转等[1]，可通过调节内置百叶帘的角度控制进入室内的光线和辐射热，满足隔热和室内采光的需求。与其它遮阳产品相比，内置百叶中空玻璃具有保温隔热、遮阳采光、隔声环保、安全可靠、防尘私密等多重优良性能[2]。夏季白天将百叶帘关闭可降低进入室内的太阳辐射热量，减轻室内空调负荷；冬季白天调整百叶角度或帘片收拢，可以充分采光和利用太阳辐射得热提高室内温度，晚上关闭百叶帘可以减少室内热量的散失，增加玻璃窗的保温性能[3]。

单一的保温性能好或遮阳性能好的玻璃无法满足我国不同地区不同季节不同朝向的保温和遮阳的双重要求，内置百叶中空玻璃以其优良的保温性能和可调的隔热采光性能成为适合我国不同气候区的新型节能玻璃。

内置百叶中空玻璃的研究多集中于本身的性能研究，目前还没有针对百叶帘在不同玻璃位置时的光热性能研究。潘亮[4]对内置百叶中空玻璃的传热系数进行了实验研究，使用Low-E玻璃，充入惰性气体能有效提升试样保温性能；百叶完全放下时开启角度由平行玻璃到垂直玻璃，传热系数能减少0.48 W/（m2·K），保温效果提升明显。李磊等[5]介绍了内置百叶中空玻璃制品的遮阳系数的节能意义，并且分析比较了实测法和计算法得出的玻璃制品的得热系数。李峥嵘等[6]采用门窗遮阳计算软件WINDOW及能耗模拟软件Energy-plus，分析影响内置百叶遮阳中空玻璃制品热工性能参数的关键结构参数，对于内置百叶遮阳外窗，空气夹层厚度δ以及百叶倾角θ是影响其热工性能的关键因素，且二者对热工性能的影响具有交互性。白胜芳[7]分析了百叶开启角度、百叶颜色及间层填充气体对内置百叶中空玻璃热工性能的影响，结果表明，百叶颜色对其热工性能影响不大，填充气体种类不同仅影响传热系数，百叶开启角度不同对传热系数和遮阳系数均有影响。李谟彬等[8]介绍了内置百叶中空玻璃窗在夏热冬冷地区的应用，强调了其节能、调光、隔声、安全等多种优良性能。

上述研究分析的对象均为双层中空玻璃，并未涉及三层中空玻璃及真空复合中空玻璃，且研究内容未涉及各层表面温度的研究。本研究涵盖了内置百叶双玻Low-E中空玻璃、内置百叶三玻Low-E中空玻璃和内置百叶Low-E真空中空玻璃等目前典型的中空玻璃类型，研究内容包含了传热系数、遮阳系数、可见光透过率等光学热工性能，并对内置百叶中空玻璃各层的表面温度进行了分析，旨在为内置百叶中空玻璃产品的设计、制造及使用提供更加全面的数据参考及建议。

1 计算说明

1.1 边界条件

计算边界[9]条件设置为：（1）冬季计算条件：室内空气温度Tin=20℃，室外空气温度Tout=-20℃，室内对流换热系数hc，in=3.6 W/（m2·K），室外对流换热系数hc，out=16 W/（m2·K），室内平均辐射温度 Trm，in=Tin，室外平均辐射温度 Trm，out=Tout，太阳辐射照度Is=300 W/m2；（2）夏季计算条件：室内空气温度Tin=25℃，室外空气温度Tout=30℃，室内对流换热系数hc，in=2.5W/（m2·K），室外对流换热系数hc，out=16 W/（m2·K），室内平均辐射温度Trm，in=Tin，室外平均辐射温度 Trm，out=Tout，太阳辐射照度 Is=500 W/m2；（3）传热系数计算采用冬季计算条件，遮阳系数、太阳光总透射比计算采用夏季计算条件。

1.2 软件说明

模拟主要采用WINDOW7.0、THERM7.0软件。WINDOW、THERM建筑门窗幕墙热工计算软件是美国劳伦斯伯克利实验室开发的系列软件，是目前重要的建筑玻璃光学热工计算软件之一，具备真空玻璃的计算功能。

2 玻璃构造

为研究内置百叶对不同中空玻璃热工性能的影响，共设计了5种类型的内置百叶中空玻璃：普通双玻中空玻璃、Low-E双玻中空玻璃、普通三玻中空玻璃、Low-E三玻中空玻璃、Low-E真空中空玻璃（见图1）。内置百叶空腔的空气层厚度统一取20 mm，真空层厚度取0.15 mm，其它空气层厚度取12 mm。百叶片选用白色金属材质，表面辐射率为0.9。

图1 5类典型内置百叶中空玻璃

由于上述5类玻璃内置百叶时仍有不同组合，以Low-E双玻中空玻璃为例，存在Low-E面在第2面和第3面的情况，因此对研究内容进行细化，见表1。

表1 5类典型内置百叶中空玻璃研究方案

3 结果与分析

3.1 普通双玻内置百叶中空玻璃光学热工性能模拟分析

普通双玻内置百叶中空玻璃光热性能模拟分析采用玻璃配置为：5+20A 百叶+5。百叶分 3种状态：0°、45°和 90°。0°时百叶片水平平行，即百叶片打开状态；45°时百叶片与水平面呈45°角，即百叶片处于半打开状态；90°时百叶片与水平面垂直，即百叶片处于关闭状态。3种状态下普通双玻内置百叶中空玻璃光学热工参数计算结果见表2，各层内外表面温度分布见表3，表3中的层1、层2、层3见图2。

表2 普通双玻内置百叶中空玻璃光学热工性能模拟结果

表3 普通双玻内置百叶中空玻璃各层表面温度模拟结果 ℃

由表2可知，随着百叶角度增加，普通双玻内置百叶中空玻璃的传热系数、遮阳系数、太阳得热系数和可见光透射比均减小。百叶由打开到闭合状态，将原本1个百叶空腔分割为2个空腔，因而传热系数会明显减小；遮阳系数和太阳得热系数与百叶片对太阳光直接辐射的反射和吸收后二次辐射相关，百叶片可反射部分太阳光同时吸收部分辐射，吸收后的辐射转换为长波热辐射，玻璃对长波热辐射不透过，因而只能通过百叶两侧的玻璃对流和导热将其带走，由于室外侧玻璃外表面换热系数较大，因而这部分热量大部分会传向室外，少量传向室内，遮阳系数和太阳得热系数随百叶逐渐闭合而逐渐减小；百叶片为不透明金属片，从打开到闭合，可见光透射比逐步降低至0。

图2 双玻温度分布层示意

由表3可知，百叶片对太阳辐射具有一定的吸收作用，会导致百叶片表面温度和空腔内空气温度明显升高，当百叶中空玻璃两侧为普通平板玻璃（未进行钢化或半钢化处理）时，应进行防热炸裂设计。

3.2 Low-E双玻内置百叶中空玻璃

Low-E双玻内置百叶中空玻璃光热性能模拟分析采用2种玻璃配置：配置（1）5Low-E+20A 百叶+5；配置（2）5+20A 百叶+5Low-E。其光学热工参数计算结果见表4，各层内、外表面温度分布见表5（层1、层2、层3见图2）。

表4 Low-E双玻内置百叶中空玻璃光学热工性能模拟结果

表5 Low-E双玻内置百叶中空玻璃各层表面温度模拟结果 ℃

由表4、表5可知，当Low-E膜层位置变化时，Low-E双玻内置百叶中空玻璃的光学热工性能变化不明显，各层表面温度变化也不明显。这是因为百叶一侧为普通单片玻璃，一侧为单片Low-E玻璃，两者的光学热工性能差异不明显。但是当Low-E玻璃位于室内侧时，Low-E双玻内置百叶中空玻璃的遮阳系数和太阳得热系数较低，各层表面温度也较低，这是因为百叶吸收的太阳辐射热需要通过对流和导热向两侧传递出去，Low-E玻璃位于室内侧而普通玻璃位于室外侧时有利于热量向室外侧传递。

3.3 普通三玻内置百叶中空玻璃

普通三玻内置百叶中空玻璃光热性能模拟分析采用2种玻璃配置为：配置（1）5+20A 百叶+5+12A+5；配置（2）5+12A+5+20A百叶+5。普通三玻内置百叶中空玻璃光学热工参数计算结果见表6，各层内、外表面温度分布见表7，表7中的层1、层 2、层 3、层 4 见图 3。

表6 普通三玻内置百叶中空玻璃光学热工性能模拟结果

表7 普通三玻内置百叶中空玻璃各层表面温度模拟结果 ℃

图3 三玻温度分布层示意

由表6、表7可知，当百叶位于普通三玻中空玻璃外侧空气腔时，其遮阳系数和太阳得热系数明显低于百叶位于内侧空气腔，传热系数和可见光透射比差异较小，室内侧表面温度低6℃左右。百叶位于普通三玻中空玻璃时，一侧为单片玻璃，一侧为中空玻璃，由于中空玻璃热阻约为单片玻璃的2倍，因此，当百叶位于外侧空气腔时，吸收的热量通过中空玻璃进入室内的量较少，因而其遮阳系数和太阳得热系数较小。

3.4 Low-E三玻内置百叶中空玻璃

Low-E三玻内置百叶中空玻璃光热性能模拟分析采用2种玻璃配置为：配置（1）5+20A百叶+5+12A+5Low-E；配置（2）5Low-E+12A+5+20A百叶+5。其光学热工参数计算结果见表8，各层内外表面温度分布见表9（层1、层2、层3、层4见图 3）。

表8 Low-E三玻内置百叶中空玻璃光学热工性能模拟结果

由表8、表9可知，Low-E三玻百叶中空玻璃相当于百叶的一侧为普通单片玻璃，一侧为Low-E双玻中空玻璃。由于Low-E双玻中空玻璃的热阻约为普通单片玻璃的3倍，因此，当Low-E中空玻璃位于室内侧时，遮阳系数和太阳得热系数明显低于其位于室外侧，玻璃室内侧表面温度也明显偏低。

表9 Low-E三玻内置百叶中空玻璃各层表面温度模拟结果 ℃

3.5 Low-E真空内置百叶中空玻璃

Low-E真空内置百叶中空玻璃光热性能模拟分析采用3种玻璃配置为：配置（1）5+20A百叶+5Low-E+0.15V+5；配置（2）5+0.15V+5Low-E+20A百叶+5；配置（3）5Low-E+20A百叶+5Low-E+0.15V+5。Low-E真空内置百叶中空玻璃光学热工参数计算结果见表10，各层内外表面温度分布见表11。表11中的层 1、层 2、层3、层 4见图 4。

由表10、表11可知，Low-E真空内置百叶中空玻璃相当于百叶的一侧为单片玻璃，一侧为Low-E真空玻璃。由于Low-E真空玻璃的热阻约为普通单片玻璃的10倍，因此，当Low-E真空玻璃位于室内侧时，遮阳系数和太阳得热系数明显低于其位于室外侧，玻璃室内侧表面温度也明显偏低。

表10 Low-E真空内置百叶中空玻璃光学热工性能模拟结果

表11 Low-E真空内置百叶中空玻璃各层表面温度模拟结果 ℃

图4 真空玻璃温度分布层示意

4 结论

（1）普通双玻内置百叶中空玻璃，随着百叶角度增大，传热系数、遮阳系数、太阳得热系数和可见光透射比均减小；当百叶中空玻璃两侧为普通平板玻璃（未进行钢化或半钢化处理）时应进行防热炸裂设计。

（2）Low-E双玻内置百叶中空玻璃，在膜层位于层2、层3位置时，光学热工性能差异不明显，各层表面温度差异也不明显；位于室内侧时Low-E双玻内置百叶中空玻璃的遮阳系数和太阳得热系数较低；位于室内侧而普通玻璃位于室外侧时有利于热量向室外侧传递。

（3）普通三玻中空玻璃，当百叶位于外侧空气腔时，遮阳系数和太阳得热系数明显低于百叶位于内侧空气腔，传热系数和可见光透射比差异较小，室内侧表面温度低6℃左右。

（4）Low-E三玻百叶中空玻璃，当Low-E中空玻璃位于室内侧时，遮阳系数和太阳得热系数明显低于其位于室外侧，玻璃室内侧表面温度明显偏低。

（5）Low-E真空内置百叶中空玻璃，当位于室内侧时，遮阳系数和太阳得热系数明显低于其位于室外侧，玻璃室内侧表面温度也明显偏低。

内置百叶中空玻璃热工性能，尤其是遮阳系数和太阳得热系数与百叶两侧玻璃的热工性能有关：当百叶两侧玻璃的热工性能差异较大时，室内侧应选用热阻较大的玻璃，可最大限度地提高其隔热效果。