建筑外窗综合遮阳系数的确定

建筑外窗综合遮阳系数的确定

文/杨仕超 石民祥

1 引言

在夏季，室内空调的负荷主要来自太阳辐射，建筑的主要能耗也来自太阳辐 射。降低外窗引起的空调负荷和建筑能耗必须采取有效的遮阳措施，而采用减少 空气渗透或者降低传热系数等手段的作用是很有限的。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，用得好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的使用很普遍。

降低玻璃的遮阳系数（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 负荷和能耗的近红外线反射出去。 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而引起的室内得热量， 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；《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，尤其是采取许多措施 后外窗的综合遮阳系数，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。

《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》提出了综合遮阳系数的概念，并给 出了建筑外遮阳系数的简化计算方法。 本文旨在该标准的基础上进一步理清建筑 遮阳系数的有关概念，并对遮阳系数计算的有关问题做更深入的分析，以方便于 今后在遮阳设施计算上有关问题的解决。

2 遮阳系数的定义

2.1 与负荷有关的遮阳系数

空调负荷计算和建筑节能计算不同：空调负荷计算时是计算太阳得热的峰 值，而建筑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，每时每刻与建筑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简单采用下式表示：

q F = S e × S f × SD c . out × SD c . in × D F

式中：S e  ——窗玻璃的遮阳系数； S ——窗框对遮阳系数的影响系数； f

SD c,out ——窗的外遮阳系数； SD  c,in ——窗的内遮阳系数； D ——日射得热因素。 F

这样，在空调负荷计算时，遮阳系数的定义建议如下：

S  Total × F = S e × S f × SD c , out  × SD c , in

式中：SC  ——窗与负荷有关的总（综合）遮阳系数。 Total.F

2.2 与节能有关的遮阳系数

建筑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只是一个等效值（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“当量值”。

在节能计算时，窗的综合遮阳系数的定义建议如下：

SC  Total × E = S e × S f × SD E , out × SD E , in

式中：SC ——窗的综合遮阳系数； Total.E

S e  ——窗玻璃的遮蔽系数； S ——窗框对遮阳系数的影响系数； f

SD E,out ——窗的外遮阳系数； SD E,in ——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 玻璃的遮阳系数

3.1 单片玻璃的遮阳系数计算

根据测得的玻璃的透射比光谱曲线，可计算出玻璃的太阳光直接透射 比：

2500

t e

ò =

2500

300

S l · t (l ) · d l

S l · d l

ò

2500

300

» 300 2500

å S l · D l

300

å S l · t ( l ) · D l

其中：τe ——为试样的太阳辐射直接透射比；

τ(λ) ——试样的光谱透射比；

S λ——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：

2500

r e =ò

2500

300

S (l ) · d l l · r

2500

ò

300

S l · d l

» 300 2500

å S l · D l

300

å S l · r ( l ) · D l

其中：ρe ——试样的太阳光直接反射比；

ρ(λ) ——试样的光谱反射比；

S λ——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 +q i

式中：τe ——试样的太阳能总透射比，%；

q i ——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：

h i

q =a i e

h i + h e 4 . 4 e i

h i  = 3 . 6 +

0 . 083

式中：εe ——半球辐射率，普通透明玻璃取 0.083；

h i ——试样内侧表面的传热系数；

2

h e ——试样外侧表面的传热系数，23W/m .K 。

玻璃对太阳辐射热的遮阳系数（遮蔽系数）用下式计算：

g S e =

t S 式中：S e ——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 0.87。 其实，玻璃的测试一般是在近似垂直的角度测试得到的。可以肯定地说

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。这主要是由于单纯地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；而吸收太阳光也会同时降低可见光透 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。中空玻璃的外片玻璃采用吸热、热 反射、遮阳Low-E 玻璃，内片采用透明、高透型Low-E 玻璃等。外片玻璃反射或 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。

中空玻璃的遮阳系数的计算可以采用国家标准GB/T 2680­94 《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。

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；热反射的中空玻璃遮阳作用最好，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：

SC W = S e × S f

式中：SC  ——窗的综合遮阳系数； W S  ——窗玻璃的遮蔽系数； e S  ——窗框对遮阳系数的影响系数。 f

整窗的遮阳系数可以用下式表示：

S e × A g + S e × f × A f

S e × S f =

A g + A f

式中：S  ——窗框的遮阳系数。 e,f

对于一般的铝合金窗框或钢窗框，窗框的遮阳系数在0.05～0.15之间。但对

于其它的不透明窗框（隔热铝合金、塑料、木框等），透过窗框的太阳辐射热不 多，而且窗框所占面积小，可以令S  为零，即： e.f

A g

S f =

A g + A f

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。

其它窗自身遮阳设施的遮阳系数可以分为透光部分和不透光部分。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。此计算可以参考ISO/FDIS 15099。

5 窗的外遮阳系数

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：

SD = 1 - ( 1 - h ) × ( 1 - h * ) 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。

形状简单的挡板，这一参数是比较容易计算的。对于由复杂的几何图案构成 的花格遮阳构件，用计算的方法困难时，可以采用投光实验的方法，依据本标准 给出的几个典型的太阳位置角度确定其透光比。

对于太阳位置固定时， 直射太阳辐射下遮阳装置的轮廓透光比是可以直接计 算的。但散射辐射下的轮廓透光比计算仍然是比较麻烦的事情。

由于百叶、花格、挡扳这类的遮阳设施，遮阳系数与太阳入射角（高度角和 方位角）有关，因而，为了简单地进行计算，引入典型的太阳入射角这一概念是 非常重要的。

前面已经强调过，与节能有关的遮阳系数是一个当量值（或等效值），因而 为了简化计算， 可以找几个有代表性的角度， 计算结果能基本等效于整个夏季 （或 冬季）的综合计算。

在 《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》 中采用了以下确定典型入射角度： 1） 该地区 6、7、8 三个月份，东、西向阳光的高度角较小，方位角在 90 左右迂回变化，故取西（东）偏南 15°（即太阳方位角为 75°）是考虑到夏季 的开始和结束时太阳主要偏向南面。

2） 南北朝向有很大的不同。在夏季初或末，南面在中午有太阳直射光，而 在夏至附近，南面无阳光直射；在冬季，南面一直均会有阳光。北面在夏至附近 是早晚有太阳直射，冬季则没有太阳直射。总体上讲，南北在多数情况下会以散 射辐射为主，这样对百叶遮阳就会比较复杂。

这样，遮阳装置各朝向的η值，可按该朝向上的下列典型太阳光线入射角分 别计算。

表5.1－1 典型的太阳光线入射角（°）

按上述方法计算或实验确定格子式遮阳的外遮阳系数是取几个典型的太阳 位置计算的透光比的平均值。原因在于，采用透光面积比代替能量透过比，因未 考虑能量的散射透过量，会在小比例范围发生透光比小于能量投射比的情况，直 至透光比为0时能量透过比为15%左右。而对于某些格子如薄铝板条制作的格子 遮阳构件，板条的宽度和格子间距相等，铝板条均垂直于窗面，当太阳高度角为 0°时则透光比几乎为100%，高度角为45°时透光比则为0，于是它的遮阳系数 即不能取 0 也不应取 100%，为了使确定的遮阳系数值较准确地反映实际情况， 故应取按 4 个典型的太阳位置确定的透光比的平均值作为格子式遮阳的外遮阳 系数较为合理。

一般认为建筑的花格或百叶是不透明的，因而遮阳系数与透光系数有很好的 对应关系。 尽管阳光射到格子或百叶上之后仍然会反射到室内， 但一般会弱很多， 大部分还是反射到室外或被吸收， 即使被遮阳构造吸收的部分也会被室外风力带 走。

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。部分材料的太阳辐射透过比建议如下：

1） 膜、板类材料

（1） 混凝土、金属类挡板取η* =0.1; （2） 厚帆布、玻璃钢类挡板取η* =0.4；

（3） 深色玻璃、卡布隆、有机玻璃类挡板取η* =0.6; （4） 浅色玻璃、卡布隆、有机玻璃类挡板取η* =0.8。 2） 金属或其它非透明材料制作的花格、百叶类构造取η* =0.15。 5.2 遮阳板的遮阳系数

在建筑物理中，一般将遮阳板分为水平和垂直两种形式。为了与传统概念一 致，我们这里也将遮阳板分为水平和垂直两种。这样，遮阳板的综合遮阳系数为 两者的综合效果，可以用下式表示：

SD = SD H × SD V

（5.2－1）

由于与节能有关的遮阳系数是一个等效的系数， 因而只能通过能耗计算进行 拟合。为了得到这些系数，可采用建筑模型来进行拟合。

采用这一建筑进行各个朝向的拟合计算。 方法是在不同的朝向加不同的遮阳 板，拟合出当量的遮阳板遮阳系数。然后通过将遮阳板遮阳系数与遮阳板外挑量

和窗尺寸之比（PF ）挂钩，拟合出一个二次多项式的公式。这一方法与美国的一 些节能标准采用的方法是一样的。

为了寻找遮阳板的规律， 我们固定遮阳板的宽度为窗的宽度 （对水平遮阳板） 或高度（对垂直遮阳板），改变遮阳板挑出的长度。通过大量的计算，得到了各 个朝向的大量计算数据。通过对这些数据进行分析，采用一个简单的二次多项式 进行数据拟合。

通过节能计算进行计算拟合得到：

2

SD 1 H = a H × PF + b H × PF +

2 SD 1 V = a V × PF + b V × PF +

（5.2－2） （5.2－3）

遮阳板外挑系数

PF = A/B

（5.2－4）

由于与节能有关的遮阳系数在冬季和夏季是不一样的， 因而分别将冬季和夏 季的采暖和空调能耗数据均进行了分析，分别得到了公式（5.2－2）和（5.2－3） 的冬季和夏季的系数，见下表：

表5.2－1 遮阳板外遮阳系数计算公式在夏热冬暖地区的有关系数

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， 应该注意其中的区 别，应在各种标准的应用中采用不同的定义和符号。

窗的综合遮阳系数是与玻璃遮蔽系数有关的整窗遮阳系数和外遮阳系数、 内 遮阳系数的乘积，但建筑节能一般不计算内遮阳的效果。

玻璃的遮阳系数可以根据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。

窗自身的遮阳系数是加窗框和百叶等后的综合效果，这一系数比较复杂。 窗的外遮阳系数是遮阳板、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。

参考文献

[1] 杨仕超，中空玻璃光学及热工性能的计算，《广东土木与建筑》，2002年第1 期。

（作者杨仕超系广东省建筑科学研究院副院长、

石民祥系广东省建筑科学研究院建筑物理研究所高级工程师）