內置百葉中空玻璃熱工性能模擬分析

萬成龍 ，金承哲 ，楚洪亮 ，劉會濤 ，王洪濤

（1.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；2.常熟歐泰克建筑節(jié)能科技有限公司，江蘇 常熟 215551）

0 引言

內置百葉中空玻璃是一種將百葉簾安裝在中空玻璃內兼顧保溫和遮陽的新型節(jié)能玻璃產品，采用磁力控制閉合裝置和升降裝置來操作中空玻璃內的百葉升降、翻轉等[1]，可通過調節(jié)內置百葉簾的角度控制進入室內的光線和輻射熱，滿足隔熱和室內采光的需求。與其它遮陽產品相比，內置百葉中空玻璃具有保溫隔熱、遮陽采光、隔聲環(huán)保、安全可靠、防塵私密等多重優(yōu)良性能[2]。夏季白天將百葉簾關閉可降低進入室內的太陽輻射熱量，減輕室內空調負荷；冬季白天調整百葉角度或簾片收攏，可以充分采光和利用太陽輻射得熱提高室內溫度，晚上關閉百葉簾可以減少室內熱量的散失，增加玻璃窗的保溫性能[3]。

單一的保溫性能好或遮陽性能好的玻璃無法滿足我國不同地區(qū)不同季節(jié)不同朝向的保溫和遮陽的雙重要求，內置百葉中空玻璃以其優(yōu)良的保溫性能和可調的隔熱采光性能成為適合我國不同氣候區(qū)的新型節(jié)能玻璃。

內置百葉中空玻璃的研究多集中于本身的性能研究，目前還沒有針對百葉簾在不同玻璃位置時的光熱性能研究。潘亮[4]對內置百葉中空玻璃的傳熱系數進行了實驗研究，使用Low-E玻璃，充入惰性氣體能有效提升試樣保溫性能；百葉完全放下時開啟角度由平行玻璃到垂直玻璃，傳熱系數能減少0.48 W/（m2·K），保溫效果提升明顯。李磊等[5]介紹了內置百葉中空玻璃制品的遮陽系數的節(jié)能意義，并且分析比較了實測法和計算法得出的玻璃制品的得熱系數。李崢嶸等[6]采用門窗遮陽計算軟件WINDOW及能耗模擬軟件Energy-plus，分析影響內置百葉遮陽中空玻璃制品熱工性能參數的關鍵結構參數，對于內置百葉遮陽外窗，空氣夾層厚度δ以及百葉傾角θ是影響其熱工性能的關鍵因素，且二者對熱工性能的影響具有交互性。白勝芳[7]分析了百葉開啟角度、百葉顏色及間層填充氣體對內置百葉中空玻璃熱工性能的影響，結果表明，百葉顏色對其熱工性能影響不大，填充氣體種類不同僅影響傳熱系數，百葉開啟角度不同對傳熱系數和遮陽系數均有影響。李謨彬等[8]介紹了內置百葉中空玻璃窗在夏熱冬冷地區(qū)的應用，強調了其節(jié)能、調光、隔聲、安全等多種優(yōu)良性能。

上述研究分析的對象均為雙層中空玻璃，并未涉及三層中空玻璃及真空復合中空玻璃，且研究內容未涉及各層表面溫度的研究。本研究涵蓋了內置百葉雙玻Low-E中空玻璃、內置百葉三玻Low-E中空玻璃和內置百葉Low-E真空中空玻璃等目前典型的中空玻璃類型，研究內容包含了傳熱系數、遮陽系數、可見光透過率等光學熱工性能，并對內置百葉中空玻璃各層的表面溫度進行了分析，旨在為內置百葉中空玻璃產品的設計、制造及使用提供更加全面的數據參考及建議。

1 計算說明

1.1 邊界條件

計算邊界[9]條件設置為：（1）冬季計算條件：室內空氣溫度Tin=20℃，室外空氣溫度Tout=-20℃，室內對流換熱系數hc，in=3.6 W/（m2·K），室外對流換熱系數hc，out=16 W/（m2·K），室內平均輻射溫度 Trm，in=Tin，室外平均輻射溫度 Trm，out=Tout，太陽輻射照度Is=300 W/m2；（2）夏季計算條件：室內空氣溫度Tin=25℃，室外空氣溫度Tout=30℃，室內對流換熱系數hc，in=2.5W/（m2·K），室外對流換熱系數hc，out=16 W/（m2·K），室內平均輻射溫度Trm，in=Tin，室外平均輻射溫度 Trm，out=Tout，太陽輻射照度 Is=500 W/m2；（3）傳熱系數計算采用冬季計算條件，遮陽系數、太陽光總透射比計算采用夏季計算條件。

1.2 軟件說明

模擬主要采用WINDOW7.0、THERM7.0軟件。WINDOW、THERM建筑門窗幕墻熱工計算軟件是美國勞倫斯伯克利實驗室開發(fā)的系列軟件，是目前重要的建筑玻璃光學熱工計算軟件之一，具備真空玻璃的計算功能。

2 玻璃構造

為研究內置百葉對不同中空玻璃熱工性能的影響，共設計了5種類型的內置百葉中空玻璃：普通雙玻中空玻璃、Low-E雙玻中空玻璃、普通三玻中空玻璃、Low-E三玻中空玻璃、Low-E真空中空玻璃（見圖1）。內置百葉空腔的空氣層厚度統一取20 mm，真空層厚度取0.15 mm，其它空氣層厚度取12 mm。百葉片選用白色金屬材質，表面輻射率為0.9。

圖1 5類典型內置百葉中空玻璃

由于上述5類玻璃內置百葉時仍有不同組合，以Low-E雙玻中空玻璃為例，存在Low-E面在第2面和第3面的情況，因此對研究內容進行細化，見表1。

表1 5類典型內置百葉中空玻璃研究方案

3 結果與分析

3.1 普通雙玻內置百葉中空玻璃光學熱工性能模擬分析

普通雙玻內置百葉中空玻璃光熱性能模擬分析采用玻璃配置為：5+20A 百葉+5。百葉分 3種狀態(tài)：0°、45°和 90°。0°時百葉片水平平行，即百葉片打開狀態(tài)；45°時百葉片與水平面呈45°角，即百葉片處于半打開狀態(tài)；90°時百葉片與水平面垂直，即百葉片處于關閉狀態(tài)。3種狀態(tài)下普通雙玻內置百葉中空玻璃光學熱工參數計算結果見表2，各層內外表面溫度分布見表3，表3中的層1、層2、層3見圖2。

表2 普通雙玻內置百葉中空玻璃光學熱工性能模擬結果

表3 普通雙玻內置百葉中空玻璃各層表面溫度模擬結果 ℃

由表2可知，隨著百葉角度增加，普通雙玻內置百葉中空玻璃的傳熱系數、遮陽系數、太陽得熱系數和可見光透射比均減小。百葉由打開到閉合狀態(tài)，將原本1個百葉空腔分割為2個空腔，因而傳熱系數會明顯減小；遮陽系數和太陽得熱系數與百葉片對太陽光直接輻射的反射和吸收后二次輻射相關，百葉片可反射部分太陽光同時吸收部分輻射，吸收后的輻射轉換為長波熱輻射，玻璃對長波熱輻射不透過，因而只能通過百葉兩側的玻璃對流和導熱將其帶走，由于室外側玻璃外表面換熱系數較大，因而這部分熱量大部分會傳向室外，少量傳向室內，遮陽系數和太陽得熱系數隨百葉逐漸閉合而逐漸減??；百葉片為不透明金屬片，從打開到閉合，可見光透射比逐步降低至0。

圖2 雙玻溫度分布層示意

由表3可知，百葉片對太陽輻射具有一定的吸收作用，會導致百葉片表面溫度和空腔內空氣溫度明顯升高，當百葉中空玻璃兩側為普通平板玻璃（未進行鋼化或半鋼化處理）時，應進行防熱炸裂設計。

3.2 Low-E雙玻內置百葉中空玻璃

Low-E雙玻內置百葉中空玻璃光熱性能模擬分析采用2種玻璃配置：配置（1）5Low-E+20A 百葉+5；配置（2）5+20A 百葉+5Low-E。其光學熱工參數計算結果見表4，各層內、外表面溫度分布見表5（層1、層2、層3見圖2）。

表4 Low-E雙玻內置百葉中空玻璃光學熱工性能模擬結果

表5 Low-E雙玻內置百葉中空玻璃各層表面溫度模擬結果 ℃

由表4、表5可知，當Low-E膜層位置變化時，Low-E雙玻內置百葉中空玻璃的光學熱工性能變化不明顯，各層表面溫度變化也不明顯。這是因為百葉一側為普通單片玻璃，一側為單片Low-E玻璃，兩者的光學熱工性能差異不明顯。但是當Low-E玻璃位于室內側時，Low-E雙玻內置百葉中空玻璃的遮陽系數和太陽得熱系數較低，各層表面溫度也較低，這是因為百葉吸收的太陽輻射熱需要通過對流和導熱向兩側傳遞出去，Low-E玻璃位于室內側而普通玻璃位于室外側時有利于熱量向室外側傳遞。

3.3 普通三玻內置百葉中空玻璃

普通三玻內置百葉中空玻璃光熱性能模擬分析采用2種玻璃配置為：配置（1）5+20A 百葉+5+12A+5；配置（2）5+12A+5+20A百葉+5。普通三玻內置百葉中空玻璃光學熱工參數計算結果見表6，各層內、外表面溫度分布見表7，表7中的層1、層 2、層 3、層 4 見圖 3。

表6 普通三玻內置百葉中空玻璃光學熱工性能模擬結果

表7 普通三玻內置百葉中空玻璃各層表面溫度模擬結果 ℃

圖3 三玻溫度分布層示意

由表6、表7可知，當百葉位于普通三玻中空玻璃外側空氣腔時，其遮陽系數和太陽得熱系數明顯低于百葉位于內側空氣腔，傳熱系數和可見光透射比差異較小，室內側表面溫度低6℃左右。百葉位于普通三玻中空玻璃時，一側為單片玻璃，一側為中空玻璃，由于中空玻璃熱阻約為單片玻璃的2倍，因此，當百葉位于外側空氣腔時，吸收的熱量通過中空玻璃進入室內的量較少，因而其遮陽系數和太陽得熱系數較小。

3.4 Low-E三玻內置百葉中空玻璃

Low-E三玻內置百葉中空玻璃光熱性能模擬分析采用2種玻璃配置為：配置（1）5+20A百葉+5+12A+5Low-E；配置（2）5Low-E+12A+5+20A百葉+5。其光學熱工參數計算結果見表8，各層內外表面溫度分布見表9（層1、層2、層3、層4見圖 3）。

表8 Low-E三玻內置百葉中空玻璃光學熱工性能模擬結果

由表8、表9可知，Low-E三玻百葉中空玻璃相當于百葉的一側為普通單片玻璃，一側為Low-E雙玻中空玻璃。由于Low-E雙玻中空玻璃的熱阻約為普通單片玻璃的3倍，因此，當Low-E中空玻璃位于室內側時，遮陽系數和太陽得熱系數明顯低于其位于室外側，玻璃室內側表面溫度也明顯偏低。

表9 Low-E三玻內置百葉中空玻璃各層表面溫度模擬結果 ℃

3.5 Low-E真空內置百葉中空玻璃

Low-E真空內置百葉中空玻璃光熱性能模擬分析采用3種玻璃配置為：配置（1）5+20A百葉+5Low-E+0.15V+5；配置（2）5+0.15V+5Low-E+20A百葉+5；配置（3）5Low-E+20A百葉+5Low-E+0.15V+5。Low-E真空內置百葉中空玻璃光學熱工參數計算結果見表10，各層內外表面溫度分布見表11。表11中的層 1、層 2、層3、層 4見圖 4。

由表10、表11可知，Low-E真空內置百葉中空玻璃相當于百葉的一側為單片玻璃，一側為Low-E真空玻璃。由于Low-E真空玻璃的熱阻約為普通單片玻璃的10倍，因此，當Low-E真空玻璃位于室內側時，遮陽系數和太陽得熱系數明顯低于其位于室外側，玻璃室內側表面溫度也明顯偏低。

表10 Low-E真空內置百葉中空玻璃光學熱工性能模擬結果

表11 Low-E真空內置百葉中空玻璃各層表面溫度模擬結果 ℃

圖4 真空玻璃溫度分布層示意

4 結論

（1）普通雙玻內置百葉中空玻璃，隨著百葉角度增大，傳熱系數、遮陽系數、太陽得熱系數和可見光透射比均減?。划敯偃~中空玻璃兩側為普通平板玻璃（未進行鋼化或半鋼化處理）時應進行防熱炸裂設計。

（2）Low-E雙玻內置百葉中空玻璃，在膜層位于層2、層3位置時，光學熱工性能差異不明顯，各層表面溫度差異也不明顯；位于室內側時Low-E雙玻內置百葉中空玻璃的遮陽系數和太陽得熱系數較低；位于室內側而普通玻璃位于室外側時有利于熱量向室外側傳遞。

（3）普通三玻中空玻璃，當百葉位于外側空氣腔時，遮陽系數和太陽得熱系數明顯低于百葉位于內側空氣腔，傳熱系數和可見光透射比差異較小，室內側表面溫度低6℃左右。

（4）Low-E三玻百葉中空玻璃，當Low-E中空玻璃位于室內側時，遮陽系數和太陽得熱系數明顯低于其位于室外側，玻璃室內側表面溫度明顯偏低。

（5）Low-E真空內置百葉中空玻璃，當位于室內側時，遮陽系數和太陽得熱系數明顯低于其位于室外側，玻璃室內側表面溫度也明顯偏低。

內置百葉中空玻璃熱工性能，尤其是遮陽系數和太陽得熱系數與百葉兩側玻璃的熱工性能有關：當百葉兩側玻璃的熱工性能差異較大時，室內側應選用熱阻較大的玻璃，可最大限度地提高其隔熱效果。