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1、第26卷第2期2005年4月太阳能学报ACTA ENERGIAE SOIARIS SINICAV0126No2A pr，2005文章编号：0254J呻96(25)舵-02船舶遮阳型节能玻璃的全年节能评价杨 昭，郁文红，张甫仁(天津大学热能研究所，天津300072)摘要：提出遮阳型节能玻璃的全年节能评价新方法，即太阳辐射综合节能效率sEc计算公式，将夏季遮阳节能与冬季透光节能同时考虑，不仅包含太阳辐射、建筑体形等常规建筑热工问题，而且还加入供暖空调系统设备的能效问题，该评价方法可用于全国不同地区的建筑玻璃系统选型，对建筑物冬季太阳能的合理利用具有积极意义。关键词：建筑节能；节能玻璃；遮阳系数中图
2、分类号：Tl(511+2 文献标识码：C0 引 言我国节能玻璃的用量仅占建筑玻璃的30左右，而且以控制夏季阳光透射的单层吸热玻璃和热反射玻璃为主，中空玻璃用量也比较少，与西方发达国家相比有较大差距。我国华北地区冬季寒冷、夏季炎热，建筑节能客观上要求透过玻璃窗的太阳辐射热量在夏季减少而在冬季增加，但遮阳型节能玻璃使得夏季遮阳节能与冬季透光节能相互制约无法同时实现。科学合理地选用节能玻璃对建筑节能以及冬季太阳能的合理利用具有重要意义。1 现行节能玻璃选型中存在的问题常规意义上节能玻璃主要是指夏季遮阳型节能玻璃，即吸热玻璃、热反射玻璃、低辐射玻璃。吸热玻璃主要是通过吸收将太阳辐射能量先转化为热能(玻
3、璃自身温升)然后再以对流、辐射的形式向室内外散发，减少直接透过玻璃的太阳辐射。热反射玻璃属镀膜玻璃，通过膜层对太阳光能的反射作用以阻挡太阳辐射进入室内。低辐射玻璃同样也是镀膜玻璃，而且由于其膜层表面辐射率低使得玻璃的传热系数减小，因此低辐射玻璃节能性能主要体现在其冬季保温方面，但其同样具有夏季遮阳节能的功能。我国通常采用遮阳系数sC来对透过遮阳型节能玻璃的太阳辐射得热进行简化计算，其定义为通收稿日期：2003旬7一14过玻璃本体和内外遮阳组合的玻璃系统与无遮阳的标准3mm透明玻璃系统所得到的太阳辐射热之比。遮阳系数sc越小，则表示进入室内的太阳辐射能量就越少，夏季遮阳节能效果就越好。我国的旅游
4、旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准GB50189。93中规定严寒地区(东北地区)宾馆建筑玻璃的遮阳系数SC大于08，非严寒地区sc小于o6。按照建筑气候区划GB5017893的规定华北地区属寒冷地区，因此在华北地区只要JsC小于O6即可。由于没有遮阳系数下限的规定，容易导致建筑玻璃系统遮阳系数过小，使得冬季供暖空调能耗增加，该设计规范存在不完善之处。建筑外窗空气渗透性能分级及其检测方法GB710786和建筑外窗保温性能分级及其检测方法GB848487对窗户的传热量和空气渗透量进行了规定，但未涉及玻璃系统的遮阳节能选型问题，其它现行设计规范也未述及。目前我国的建筑玻璃系统选型只重视夏季遮阳而忽视
5、了冬季(同时吸热玻璃、热反射玻璃和低辐射玻璃还具有很好建筑装饰效果)。工程应用中通常按公式(1)进行简单分析比较。式(1)中玻璃系统夏季总得热量Q由透过玻璃系统的太阳辐射得热和玻璃系统自身的温差传热两部分热量所构成，u为玻璃的传热系数(亦即K值)，sc为遮阳系数，630为太阳辐射强度，为一常数。根据玻璃的u、Isc值以及室内外温度条件，即可计算出Q，万方数据万方数据2期 杨昭等：遮阳型节能玻璃的全年节能评价Q值越小就认为所选玻璃的节能效果越好。Q=630SC+(正。一瓦。) (1)公式(1)的节能玻璃评价方法存在明显的不足之处：1)该方法只考虑了夏季遮阳节能，虽然遮阳型节能玻璃在夏季能够显著降
6、低进入室内的日射得热，但从寒冷地区冬季透光节能的角度看遮阳型节能玻璃并不节能，透光性能良好的普通白玻在冬季反而应视为是理想的节能玻璃，仅考虑夏季遮阳并不全面。2)该方法的太阳辐射强度为一定值，实际上随太阳辐射能随地域、季节和昼夜不断变化，取630wm2不符合当地实际日照条件。3)该方法未从整个供暖期和空调期的太阳辐射总量角度分析计算。在我国东北供暖地区供暖期可能长达半年之久，冬季透光节能的重要性和总量远大于夏季遮阳节能，而上述公式无法对遮阳型节能玻璃在北方地区是否适用做出判断。4)增强玻璃的遮阳性能可使夏季能耗降低而冬季增加，但建筑物实际能耗还与其冷热源设备的能效密切相关，遮阳型节能玻璃的节能
7、收益应该在建筑物冷热源设备的一次能源节约总量的基础上分析比较。文献1介绍了美国和加拿大的窗户能耗等级评价体系。美国和加拿大的窗户能耗等级评价体系中窗户的能量平衡方程包括以下三个方面的计算内容：太阳得热量(国外习惯按照某种玻璃的太阳得热系数跹把c求解)、窗户传热负荷和空气渗透负荷。太阳得热系数阳GC、窗户的传热系数u和空气渗透系数是加拿大和美国进行窗户能耗评价的三大要素。加拿大和美国的窗户能耗等级评价体系未将冬夏两季合并进行统一考虑，且未涉及建筑物冷热源设备的能效问题。建筑玻璃系统的节能途径主要有3种：1)采取遮阳措施：冬季加强透光和夏季加强遮阳；2)降低传热系数；3)减少空气渗透。由于降低传热
8、系数和减少空气渗透对冬夏两季都有利，唯有遮阳措施在冬夏两季的节能效果截然相反，选型不当容易造成“节能玻璃不节能”。有必要对遮阳型节能玻璃能否实现全年节能进行评判。2建筑玻璃系统的全年节能分析本文提出了遮阳型节能玻璃的全年节能评价新方法，即太阳辐射综合节能效率舾c计算公式，可用于全国不同地区的建筑玻璃选型。该方法将夏季遮阳节能和冬季透光节能折合成系统设备的一次能源节约收益后再确定合理的遮阳系数，不仅包括太阳辐射得热、建筑体形和窗户面积等常规建筑学技术问题，还结合了供暖空调系统设备的能效，这种分析评价方法较目前的国内外遮阳型节能玻璃的选型评价方法更为完善。太阳辐射综合节能效率阳c计算公式，见公式(
9、2)(4)。 ”雩警Q。：堡竺!塑兰!田B(3)s一盟表1名义工况下的制冷性能系数cDPTable 1 CDP of re衔gemting chiUer压缩机类型 往复活塞式 螺杆式 离心式机组制冷量kw50116116116 11623023011631163水冷式 35 36 365 375 385 45 47风冷和蒸发冷却式 248 257 246 255 264 一 一公式(2)中，南GsF和zs分别为夏季7月21日建筑物东、南、西、北各朝向的标准透明玻璃窗(外窗面积为2)的日太阳辐射得热总量和夏季空调天数(此部分数据如果采用当地气象部门的夏季空调期逐日实测值进行累计则更好)，叼盯为一
10、次能源转化为电能的效率(本文取O304)，CDP为不同类型制冷机的制冷系数(参见表1)。若空调冷源为直燃型吸收式制冷机则公式(2)的分母可直接取095(相当于表1的CDP=3125)。Qs为整个夏季建筑物采用标准透明玻璃系统所消耗的由太阳辐射所引起的空调冷量折合成一次能源的总消耗量，同时Qs亦可视为夏季全遮阳(sc=O)时理论最大太阳辐射节能量。夏季的日射得热经过房间的衰减和延迟后才会形成房间的空调负荷，考虑到冬季的日射得热也存在衰减和延迟，因此夏季和冬季的日射得热均未进行衰减计算。公式(3)中，册wF和zw分别为冬季12月21日建筑物东、南、西各朝向的标准透明玻璃窗(面积为F平方米)的日太阳
11、辐射得热总量(冬季不计太阳的散射辐射照度，此部分数据如果采用当万方数据万方数据290 太 阳 能 学 报 26卷地气象部门的冬季供暖期逐日实测值进行累计则更好)和冬季供暖空调天数，7。为城市集中供热系统的燃煤锅炉及供热全过程的转化总效率(本文取60)。Q。为整个冬季建筑物采用标准透明玻璃系统所获得的太阳辐射总热量折合成一次能源的总量，Q。同样可视为冬季全透光(JsC=1)时理论最大太阳辐射节能量。公式(4)为太阳辐射综合节能效率sEc的定义式，即为某一建筑玻璃系统的夏冬两季的太阳辐射节能总量与标准透明玻璃系统冬季全透光和夏季全遮阳的最大理论太阳辐射节能总量的比值。当sc=o5时恒有舾c=o5，
12、表明该点为一临界平衡点，即此时建筑玻璃系统处于全年节能收益最低平衡点，即当sC=05时可实现节能50。如果sEc计算值低于05，则表明该玻璃系统无法达到全年节能50的理论最低值，即一季(夏或冬)的节能收益将导致另一季更大的一次能源消耗，玻璃系统选型不合理。驰c越接近于1，该玻璃系统全年节能效果越好。显然采用组合遮阳方式(夏季采用遮阳板和窗帘)会使冬夏两季具有不同的遮阳系数sG，全年节能效益能够显著提高。实际上冬季的遮阳系数SC较夏季偏小(文献2中夏冬季的册Gc也略有差别)，但冬季的遮阳系数相关文献中未给出，故本文未予修正。表2和图14是北京地区建筑玻璃系统的太阳辐射综合节能效率阳c计算结果，北
13、京地区冬季供暖期和夏季空调期分别按120d和100d计算。从表2可知，在北京地区南北窗面积与东西窗面积为1：1、4：1、1：4时(代表正方形建筑、南北向长方形建筑、东西向长方形建筑)标准透明玻璃系统的夏季空调期太阳辐射总得热与冬季供暖期太阳辐射总得热之比为242：l、15l：l、401：l，以东西向长方形建筑为最大、南北向长方形建筑为最小。用供暖和空调系统设备的能效进行折算后，其夏季全遮阳(SC=0)理论最大太阳辐射节能量与冬季全透光(sC=1)理论最大太阳辐射节能量的比值迅速下降，尤其是南北向长方形建筑，当CDP=45、35时夏季全遮阳节能量与冬季全透光节能量已降为066：l、085：1，表
14、明此时该幢建筑的冬季透光节能收益已大于夏季遮阳节能收益，玻璃的遮阳系数越小越不利于全年节能。由于南北向长方形建筑占城市建筑中的绝大大多数，且一般大型公共建筑的中央空调制冷主机COP均较高，故表2中Qs：Qw(cD尸=45)=066：1的数据具有典型意义，提示我们夏季遮阳节能和冬季透光节能折合成一次能耗节约收益后很可能会出现夏季遮阳节能收益小于冬季透光节能收益的情况，遮阳系数过小的玻璃系统不能够实现全年节能。表2北京地区标准玻璃系统夏季全遮阳与冬季全透光节能收益比较T枷e2 Standard building gk璩s systems energysaving IesIllt in summer
15、 f醅shading heat锄din winter for penetrating heat in Beijing比较项目 窗：，东酶，南|匕窗：F东酶，南|匕窗：，东醐l：l 4：l 1：4图1为北京正方形建筑的太阳辐射综合节能效率阳c计算结果。图l中当制冷机组CDP=45、35、25时册C随遮阳系数sc的升高而降低，表明建筑物冬季透光节能收益小于夏季遮阳节能收益，采用遮阳系数小(SCO3)的玻璃系统既有利于夏季遮阳节能又有利于全年节能。O8酆较O5器o4妇O3骠O2一 F南北窗：F东西窗=l：l湛由一杖O 02 O4 06 08 10遮阳系数犯一P=45*一P=35卜一CDFk25图l正
16、方型建筑的舾c计算值Fi昏l -11le阳C result of square building图2为北京南北向长方型建筑的太阳辐射综合节能效率髓c计算结果。由于南北窗面积增大、东西窗面积减小，当制冷机组c0P=45、35时建筑物冬季透光节能收益已大于夏季遮阳节能收益，舾C随着遮阳系数sC的增加而增加。如果采用遮阳系数5c05的玻璃系统太阳辐射综合节能效率阳C05，将会出现“节能玻璃不节能”万方数据万方数据2期 杨昭等：遮阳型节能玻璃的全年节能评价的情况。选择透光性能好遮阳系数大的玻璃系统虽然有利于全年节能，但玻璃系统的遮阳系数不断增大也会导致夏季空调负荷增加，不利于控制夏季空调系统设备投资和
17、节省电力，综合比较选择sC内5较为合理。图2中当CDP=25时JsEC随遮阳系数SC增加而降低，此时采用遮阳系数越小的玻璃系统则越有利于建筑物全年节能。U蹿褂较罐已司蝾F南北窗：，东西窗=4：1： 。，一：；一 。 。图3为北京东西向长方型建筑的综合节能效率舾C计算结果。由于东西窗面积增大、南北窗面积减小，阳c随遮阳系数SC的增大而显著降低，表明建筑物夏季遮阳节能收益远大于冬季透光节能收益，此时如果追求冬季的透光节能将在夏季付出更大的能耗代价，应选择遮阳系数小的玻璃系统(sc03)，这样既有利于夏季空调节能又有利于全年节能。尤其是制冷机组CDP小、制冷性能差的建筑物更应强化建筑玻璃系统的遮阳。
18、U跨褥较箍：昭互始 0 O2 O4 06 O8 1O遮阳系数SCp=45*一P=35+一P=25图3东西向长方型建筑的明C计算值Fig3 The SFC result of rectande building facing east如果阳c计算值不随遮阳系数变化基本成直线时(阳C=05)，表明玻璃系统的节能收益已与玻璃的遮阳系数无关，夏季遮阳节能总量与冬季透光节能总量持平，此时夏季遮阳节能与冬季透光节能是等效的，意味着玻璃系统选择任意的遮阳系数全年节能收益都是一样的，但从控制夏季空调系统设备投资和节省电力的角度看选用遮阳系数小的玻璃系统(sCO3)更为合理。玻璃系统固定不变的遮阳系数显然不利于
19、我国华北地区在夏热冬寒的气候条件下实现全年节能。采取外遮阳和内遮阳等组合遮阳方式却可以显著提高太阳辐射综合节能效率舾c，即全年节能效果为最佳。例如普通白布窗帘的遮阳系数为05，采用这种内遮阳与玻璃系统遮阳并用的方式就可以显著提高太阳辐射综合节能效率阳c。图4为冬夏两季遮阳系数不同的玻璃系统晒C计算结果。从图4可知标准透明玻璃系统采用组合遮阳方式(|sCw=l，JsC。=05)较原系统(JsCw=sC。=1)阳C可提高25；sc=o5的节能玻璃采用组合遮阳方式(SCw=05，SC。=025)较原系统(SCw=JsCs=05)阳c可提高13。图4表明在华北地区当节能玻璃、外遮阳、内遮阳等多种遮阳方
20、式综合运用时全年太阳辐射节能效率阳c为最高，玻璃系统的全年节能收益为最大。图4冬夏季遮阳系数不同的阳c计算值Fig4Ihe舾C result with difkrent shading coemcient表3为本文的遮阳型节能玻璃选型分析结果汇总。当夏季遮阳节能收益大于或等于冬季透光节能收益时应选择遮阳系数小(SC03)的玻璃系统，此时阳C在05和10之间，有利于夏季空调节能和全年节能。当冬季透光节能收益大于夏季遮阳节能收益时，选择遮阳系数大的玻璃系统虽然有利于冬季供暖节能和全年节能，但不利于控制夏季空调系统规模和降低运行成本。由于冬季的能耗多为煤耗，初投资和运行成本相对偏低，此时玻璃系统的遮
21、阳系数也不是越接近SC=1越好，从降低空调成本的角度看选择5C=05(距c为临界值05)较为妥当。如果选择sc03的玻璃系统将会使冬万方数据万方数据292 太 阳 能 学 报 26卷QsdQw夏季遮阳节能收益大于Qs=口w夏季遮阳节能收益等于QsQw夏季遮阳节能收益小于冬季透光节能收益 冬季透光节能收益 冬季透光节能收益我国北方城市冬季以集中供热为主，许多大型公共建筑的空调热源亦来自市政热力管网，因此本文在上述计算中只计算了城市集中供热系统的热效率取60的一种情形。随着生产发展和技术进步，我国北方冬季供暖热源正逐步趋于多样化，北方供暖地区建筑物冬季透光节能的重要性日益提高，特别是冬季利用电热膜
22、、电暖气、电锅炉供暖的情形(最大热效率仅为发电效率o304)，由于热效率低使得供暖系统的能耗最终折合成一次能源后能耗放大倍数多，盲目选择遮阳型节能玻璃将更加不合理。3本节能评价方法的不足之处本文的创新之处在于首次将冷热源设备的能效问题引入建筑玻璃系统的选型分析，从而对遮阳型玻璃是否能够实现全年节能做出判断。冷热源设备的一次能耗才是建筑物的最终能耗，只有将玻璃的夏季遮阳节能效益与冬季透光节能效益折算为系统设备的一次能耗进行比较才最接近于实际能耗状况。本文中冬季透光节能收益计算结果虽然较大，但并未被高估：(1)本文中空调机组cDP=45，实际大型中央空调制冷机组的COP至少在50以上。(2)根据北
23、京市观象台历史气象信息可知，北京市日照百分率最高是1、2月份的65，最低是7月份的47，如果再加入这一修正，冬季透光节能收益将更加大于夏季遮阳节能收益。上述两点表明本文的冬季透光节能收益还应更高，在华北地区建筑物冬季太阳能利用的重要性应该引起重视。本文的不足之处在于：1)未能结合当地气象部门详细气象数据，如全年太阳辐射照度数据、全年云层数据、全年大气质量和透明度数据等。2)未能结合建筑物全年能耗分析软件进行逐时计算。3)未能考虑集中供热系统热源设备的变工况运行效率(包括锅炉本体、烟气净化、水力输送系统等等)和中央空调系统的制冷主机、冷却塔和输送介质(水、空气)变工况运行效率以及中央空调系统末端
24、设备的变工况运行效率。万方数据万方数据2期 杨昭等：遮阳型节能玻璃的全年节能评价4 小 结本文通过对遮阳型节能玻璃的全年节能分析得出以下结论：1)本文提出了遮阳型节能玻璃的全年节能评价新方法，即太阳辐射综合节能效率舾c计算公式。这种新的评价方法比目前的国内外遮阳型节能玻璃的选型评价方法更为完善，有利于建筑玻璃系统真正实现全年节能和建筑物冬季太阳能的合理利用。2)根据本文的评价方法：当夏季遮阳节能收益远大于冬季透光节能收益时，遮阳系数(sC03)越小越既有利于夏季空调节能也有利于全年节能；当冬季透光节能收益远大于夏季遮阳节能收益时，选择遮阳系数小的建筑玻璃系统将不利于全年节能，会造成“节能玻璃不
25、节能”。3)采取外遮阳和内遮阳等组合遮阳方式可以显著提高太阳辐射综合节能效率阳c，节能玻璃、外遮阳、内遮阳等多种遮阳方式综合运用比单一玻璃遮阳节能效果更好。在夏季空调和冬季供暖能耗都比较大的华北地区组合遮阳方式是建筑玻璃系统的最佳节能方式。参考文献1 王苏颖，狄洪发美国、加拿大窗户能耗等级评价22334455体系综述J太阳能学报2002，23(4)：431436Wang Suying，Di Hongh Introduction of window annualenergy rating systems of canada and usAJActa Energiae solaris Sinica
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27、r heating and cooling systems aboutthe energy e佑ciency and economic benefit J ActaEnergiae Solaris Sinica，2001，22(2)：171一175彦启森，赵庆珠编建筑热过程M中国建筑工业出版社，1986Yan Qisheng， zhao Qingzhu，Heat process of buildingM，building industry press of china，1986陆耀庆，主编实用供热空调设计手册M中国建筑工业出版社，1993Lu Yaoqin昏Practical design h
28、andbook of heatingairconditioning M Building industry Press ofChina1993ENERGY SAVING EVALUATIONoF THE BUILDING GLASS SYSTEMS SHADING COEFFICIENTYang Zhao， Yu Wenhong， Zhang Puren(7nMf eMrg)，n娩immu把旷彬niM3渺，拖喇n 300072，傩iM)Abstract： Aiming at North of China s climate tmit，the tle珊al chamcteristics and
29、reasonable type choice ofglass system of buildings were analyzedThe energ)r emciency in summer for shading solar radiation and in winterfor penetrating solar mdiation both were calculated for glass system choice and its shading coemcient optimization a。nalysis Based on consideration of architecture
30、techn0109y and the energy efficiency of airconditioning equipment，the fo珊ula of synthesis e蚯ciency coemcient(SEC)was established in this paper，it will help to eneIjgy saVing ofbuilding and solar energy utilization in winterKeywords：low energy consumption 91ass； energy emciency in buildings； shading coemcient万方数据万方数据