建筑外窗遮阳系数的确定

1 引言
　　在夏季，通过窗户进入室内的空调负荷主要来自太阳辐射，主要能耗也来自太阳辐射。降低外窗的负荷和能耗必须采取有效的遮阳措施，采用减少空气渗透或者降低传热系数等手段的作用很有限。所以，在空调建筑的负荷和建筑节能计算中，遮阳的计算是很重要的。

　　建筑遮阳比较复杂，包括了建筑外遮阳、窗遮阳设施、玻璃遮阳、建筑内遮阳等。这些遮阳措施都可以有很好的效果，均可以满足遮阳的需要。

　　建筑的外遮阳是非常有效的遮阳措施。它可以是永久性的建筑遮阳构造，如遮阳板、遮阳挡板、屋檐等；也可以是可拆卸的，如百叶、活动挡板、花格等。这些遮阳构造在传统建筑中使用是很普遍的。

　　降低玻璃的遮蔽系数也是非常有效的措施。随着玻璃镀膜技术的发展，玻璃已经可以对入射的太阳光进行选择，将可见光引入室内，而将增加负荷和能耗的红外线反射出去。玻璃系统遮阳已经成为现代建筑遮阳最主要的手段之一。

　　内遮阳和窗户遮阳设施也被广泛采用，有时在建筑造型的限制下，内遮阳和遮阳设施的设置还是必须采取的唯一选择措施。

　　以上这些遮阳设施的应用无疑会降低太阳辐射的得热量，但减少多少，怎样评价这些遮阳措施的效果却还没有明确的标准。

　　在《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中规定外窗（包括阳台门透明部分）面积不应过大，外窗宜设置活动外遮阳；《旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准》规定主体建筑标准层窗墙面积比不宜大于0.45，非严寒地区外窗玻璃遮阳系数应小于0.60，或采取外遮阳措施；《民用建筑热工设计规范》规定空调建筑的向阳面，特别是东、西向窗户，应采取热反射玻璃、反射阳光涂膜、各种固定式和活动式遮阳等有效的遮阳措施；《采暖通风与空气调节设计规范》规定空调房间应尽量减少外窗的面积，并应采取遮阳措施。但以上标准均未提出遮阳系数的相关定义和计算方法。

　　所以，如何确定遮阳系数，尤其是许多措施的综合遮阳系数，的确是一个值得研究的问题，也是一个必须尽快解决的问题。

　　2 遮阳系数的定义
　　2.1 与负荷有关的遮阳系数
　　空调负荷计算和空调节能计算不同：负荷计算时是计算太阳得热的峰值，而节能计算时是计算整个夏季的太阳得热能耗。
　　在进行负荷计算时，根据《采暖通风与空气调节设计规范》给出的计算条件计算，由太阳高度角、方位角及直射、散射强度计算可以计算出遮阳系数。
　　节能计算时则要采用标准气象年进行全年的计算，与节能有关的遮阳系数只是一个等效值。
　　在空调负荷计算时，透过窗的热流计算可以用下式表示：
　　式中：Se --窗玻璃的遮蔽系数；
　　Sf --窗框的遮阳系数；
　　Cw --窗的外遮阳系数；
　　Cn --窗的内遮阳系数；
　　DF --日射得热因素。
　　这样，在空调负荷计算时，遮阳系数的定义建议如下：
　　式中：SZ.F--窗与负荷有关的总（综合）遮阳系数。

　　2.2 与节能有关的遮阳系数
空调的节能计算与采暖不同，由于它是采用动态方法，因而只能通过动态的计算软件　　进行分析计算。遮阳系数是随着太阳位置的改变而改变的，每个时刻都是不同的，没有一个固定值。所谓与节能有关的遮阳系数是一个等效值（或当量值），不是在某一时刻所存在的数值。与节能有关的遮阳系数只能根据节能计算来反算出一个固定的"当量值"。
　　在节能计算时，窗的综合遮阳系数的定义建议如下：
　　式中：SZ.E--窗的综合遮阳系数；
　　Se--窗玻璃的遮蔽系数；
　　Sf--窗框的遮阳系数；
　　Mw--窗的外遮阳系数；
　　Mn--窗的内遮阳系数。
　　一般按惯例，不将内遮阳作为参与节能计算的措施，主要是因为政府在审批时不易控制。

　　3 玻璃的遮蔽系数

　　3.1 单片玻璃的遮蔽系数计算
　　根据测得的直接透射比光谱曲线，可计算出玻璃的太阳光直接透射比：
　　其中：τe--为试样的太阳光直接透射比，%；
　　　　　τ(λ)--试样的光谱透射比，%；
　　　　　Sλ--太阳光辐射相对光谱分布；
　　　　　Δλ--波长间隔，此处为10nm。
　　根据测得的直接反射比光谱曲线，可计算出玻璃的太阳光直接反射比：
　　其中：ρe--试样的太阳光直接反射比，%；
　　　　　ρ(λ)--试样的光谱反射比，%；
　　　　　Sλ--太阳光辐射相对光谱分布；
　　　　　Δλ--波长间隔，此处为10nm。
　　玻璃的太阳光直接吸收比根据玻璃的太阳光直接反射比和太阳光直接透射比按下式计算：
　　ρe +τe +αe = 1
　　太阳能总透射比用下式计算：
　　g=τe +qi
　　式中：τe--试样的太阳能总透射比，%；
　　　　　qi --试样向室内侧二次热传递系数，%；
　　对于单片玻璃，τe为试样的太阳光直接透射比，其qi用下式计算：
　　式中：εe--半球辐射率，普通透明玻璃取0.083；
　　　　　hi--试样内侧表面的传热系数；
　　　　　he--试样外侧表面的传热系数，23W/m2.K。
　　玻璃对太阳辐射热的遮蔽系数（遮阳系数）用下式计算：
　　式中：Se--试样的遮蔽系数；
　　　　　τs--3mm厚的普通透明玻璃的太阳能总透射比，理论值为88.9%。［page] 　　3.2 中空玻璃系统的遮蔽系数
　　采用单片吸热玻璃或热反射玻璃、Low-E玻璃（在线）、遮阳型Low-E玻璃（在线）的遮阳节能效果是有限的。这主要是由于单纯的反射阳光会使得可见光的反射率太高，而且会降低可见光透射比；而吸收太阳光也会降低可见光透射比，而且遮阳的效果也很有限。

　　采用这些玻璃组成的中空玻璃则比较好。中空玻璃外片玻璃采用吸热、热反射、遮阳Low-E玻璃，内片采用透明、Low-E玻璃等。外片玻璃反射和吸收绝大部分的太阳辐射热，空气层将外片玻璃吸收的热阻挡在外面而不对室内产生传热。原理见右图。
在南方，中空玻璃的采用不仅可以减少太阳辐射，也能有效阻止温差传热。但首先是为了减少太阳辐射。

　　但在北方寒冷地区，中空玻璃一般是尽量减少对太阳短波辐射的阻挡，而使得大量的太阳辐射进入室内。中空玻璃传热系数小，可有效阻止温差传热。

　　中空玻璃的遮蔽系数的计算可以采用标准国家标准GB/T 2680-94《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》提供的详细的计算方法。但由于很多玻璃并没有提供光谱数据库，在这种情况下也可以采用文献[1]提供的简化计算方法来计算。

　　采用文献[1]的方法，计算的几种中空玻璃系统的遮阳系数见下表。
　　几种中空玻璃的遮阳系数和传热系数
　　玻璃品种 可见光 太阳辐射 遮阳系数 传热系数
　　透射率 反射率 直接透射 直接反射
　　6透明+9空气
　　+6透明 0.78 0.14 0.63 0.11 0.78 3.18
　　6灰色吸热
　　+9空气+6透明 0.38 0.07 0.35 0.07 0.51 3.18
　　6绿色吸热
　　+9空气+6透明 0.66 0.12 0.38 0.07 0.54 3.18
　　6 SB55022C
　　+9空气+6透明 0.22 0.36 0.17 0.36 0.26 2.86
　　6 SB55013C
　　+9空气+6透明 0.12 0.49 0.09 0.49 0.17 2.78
　　6透明Low-E
　　+9空气+6透明 0.74 0.11 0.47 0.20 0.63 1.83
　　6遮阳Low-E
　　+9空气+6透明 0.44 0.06 0.28 0.10 0.41 1.83

　　从上表可见，透明的中空玻璃对遮阳不起什么作用；吸热的中空玻璃有较好的遮阳作用；热反射玻璃遮阳作用最好，但可见光透过率低；一般的透明Low-E中空玻璃遮阳作用有限；遮阳型Low-E中空玻璃遮阳效果较好；阳光控制型的Low-E中空玻璃有很好的遮阳效果，又有很好的可见光透过率。

　　4 窗的遮阳系数
　　4.1 窗自身遮阳系数的定义在空调负荷计算时，遮阳系数的定义建议如下：
　　式中：SW--窗的综合遮阳系数；
　　Se--窗玻璃的遮蔽系数；
　　Sf--窗框（包括内百叶等）的遮阳系数。
　　窗框（包括窗内百叶等）的遮阳系数。窗框的遮阳系数可以用下式表示：
　　考虑到窗框一般不透明，透过窗框的太阳辐射热不多，而且窗框所占面积小，令Se.f为零：

　　这一遮阳系数会随着太阳的位置变化而变化。对负荷计算而言，太阳的位置可以由计算得到；但对于节能而言，太阳的位置是不定的，因而窗框的遮阳系数只能近似计算。当进行节能计算时，为了简化，可以近似地直接将正面入射时的透光面积比作为窗框的遮阳系数，显然这样存在误差，但偏于保守，是行之有效的办法。

　　其它窗内遮阳设施的遮阳系数可以分为透光部分和不透光部分。对于透光部分的遮阳系数为玻璃的遮阳系数；不透光部分应先计算太阳辐射的吸收比，再采用热平衡方程计算吸收后热量向室内的二次传递。窗的自身遮阳较为复杂，计算方法应视情况采用相应的模型计算。

　　5 外遮阳系数
　　5.1 百叶、花格、挡扳的遮阳系数
　　对于百叶、花格、挡扳这类的遮阳设施，遮阳系数是与太阳入射角（高度角和方位角）有关的。
　　当窗仅有外百叶、花格或档板时，考虑到百叶、花格不一定透明，其遮阳系数可以写为：
　　式中：η--遮阳装置的轮廓透光比；
　　η*--遮阳装置构造透光比。
　　遮阳装置的轮廓透光比为窗面积扣除遮阳装置轮廓在窗面上阴影面积所得到的剩余面积与窗面积的比值。遮阳装置各朝向的η值，应按该朝向上的典型太阳光线入射角分别计算或实验测定。
　　遮阳装置构造透光比为阴影部分在给定的典型太阳入射角时的透射太阳能的比例。
　　对于混凝土类非透明材料，透光η*=0.00；
　　金属类材料可取η*=0.10；
　　厚帆布、玻璃钢类材料可取η*=0.50；
　　有色玻璃、有色卡布隆、有色有机玻璃类材料可取η*=0.70；
　　透明玻璃、透明卡布隆、透明有机玻璃类材料可取η*=0.85。
　　5.2 遮阳板的遮阳系数
　　遮阳板的遮阳系数可以用下式表示
　　这一系数还应用DOE-2之类的能耗计算软件进行节能计算进行计算拟合得到：
　　遮阳板外挑系数
　　PF = A/B
　　计算公式在夏热冬暖地区的有关系数
　　装置 系数 东 南 西 北
　　水平遮阳扳　as 0.35 0.35 0.20 0.20
　　　　　　　　bs -0.65 -0.65 -0.40 -0.40
　　水平遮阳扳　ac 0.25 0.40 0.30 0.30
　　　　　　　　bc -0.60 -0.75 -0.60 -0.60

　　6 结论
　　与负荷有关的遮阳系数和节能有关的遮阳系数是不同的。
　　窗的最终总遮阳系数是玻璃遮蔽系数与窗内遮阳系数以及外遮阳系数的乘积。
　　玻璃的遮蔽系数可以根据GB/T 2680-94《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》计算。
　　窗内的遮阳系数是窗框和百叶、内卷帘、内窗帘的综合效果，这一系数比较复杂、而且变数多。外遮阳系数是遮阳档板、外百叶、外卷帘等的综合效果。
　　建立统一的遮阳系数计算方法非常重要，这有利于遮阳装置的应用，有利于节能产品的开发。将遮阳系数的计算纳入节能设计标准，可以鼓励炎热地区的建筑使用遮阳设施。
　　遮阳设施的大量应用，可以改变建筑的"千村一貌"的局面，使得南方的建筑更加有地方特色。