建筑玻璃幕墻節(jié)能玻璃的合理選型與綜合性能比較

摘要:玻璃幕墻作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)被建筑師在公共建筑設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用，它包括工程所處地區(qū)，朝向，玻璃的類型，玻璃的厚度以及玻璃的性能參數(shù)如傳熱系數(shù)、遮陽(yáng)系數(shù)等，因此節(jié)能玻璃的合理選型就顯得尤其重要。

關(guān)鍵詞:建筑節(jié)能;節(jié)能玻璃;透射性;選型;合理利用

0 引言

建筑構(gòu)件中耗熱量比例最高的是外窗，其傳熱損失與冷風(fēng)滲透損失約占供暖總能耗的60%，因此建筑玻璃系統(tǒng)對(duì)建筑節(jié)能的影響很大，而其在建筑節(jié)能中資金支出也較大。

真正達(dá)到國(guó)家節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的塑鋼窗價(jià)格比較高，如塑鋼單玻窗、塑鋼雙玻窗、塑

鋼中空玻璃窗的每平方米造價(jià)分別達(dá)到250、350、450元，塑鋼低輻射中空玻璃窗則更加昂貴，因此我國(guó)節(jié)能玻璃的用量?jī)H占建筑玻璃的30%左右，而且是以控制夏季陽(yáng)光透射的單層吸熱玻璃和熱反射玻璃為主，中空玻璃的用量仍比較少，與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比有較大差距。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)能玻璃的應(yīng)用將日益普及。

1 低輻射玻璃的節(jié)能原理

太陽(yáng)溫度約為5800K，其輻射的主要能量集中在0.2～2μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，其中可見(jiàn)光和近紅外光區(qū)段能量占很大比重，必須減少這兩個(gè)區(qū)段的太陽(yáng)輻射能量進(jìn)入室內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)夏季建筑節(jié)能。

常規(guī)的遮陽(yáng)型節(jié)能玻璃主要指吸熱玻璃、熱反射玻璃、低輻射玻璃，其太陽(yáng)輻射的透射性能比較見(jiàn)圖1 。

吸熱玻璃主要是通過(guò)吸收將太陽(yáng)輻射能量先轉(zhuǎn)化為熱能(玻璃自身溫升) 然后再以對(duì)流、輻射的形式向室內(nèi)外散發(fā)，減少了透過(guò)玻璃的日射得熱實(shí)現(xiàn)夏季建筑節(jié)能，其主要分為兩類:

1.1 本體著色

在無(wú)色透明平板玻璃的配合料中加入特殊的著色劑，采用浮法、平拉法等工藝生產(chǎn)。

1.2 表面鍍膜

在玻璃表面噴鍍吸熱和著色的氧化物薄膜。熱反射玻璃是鍍膜玻璃，其表面鍍有金屬、非金屬及其氧化物等薄膜，通過(guò)這些膜層對(duì)太陽(yáng)光能的反射作用以阻擋夏季太陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)。熱反射玻璃還具有良好的鏡面映像效果，可以美化街景和建筑立面，但選用不當(dāng)會(huì)引發(fā)光污染。

低輻射玻璃也是一種鍍膜玻璃，其遮陽(yáng)性能與熱反射玻璃相同。低輻射玻璃不僅具有顯著的遮陽(yáng)性能，由于其傳熱系數(shù)K值小于其它類型的節(jié)能玻璃，其保溫性能也比較優(yōu)異。

低輻射玻璃的溫差傳熱節(jié)能機(jī)理較為復(fù)雜。玻璃系統(tǒng)的得(失) 熱包括兩部分:太陽(yáng)輻射得熱和玻璃本身的“對(duì)流換熱”部分。實(shí)際玻璃系統(tǒng)與室內(nèi)外空氣之間的換熱過(guò)程為大空間復(fù)雜換熱，玻璃內(nèi)外表面“對(duì)流換熱”包含對(duì)流和輻射兩部分。玻璃表面輻射率越低，其輻射換熱熱阻就越大，玻璃的傳熱系數(shù)就越小。

由圖2可知普通白玻在太陽(yáng)輻射的可見(jiàn)光和近紅外光區(qū)段都具有很高的穿透率，即太陽(yáng)輻射中的絕大部分能量都能透過(guò)。而冬季供暖室內(nèi)溫度約為18～20℃，根據(jù)維恩位移定律:

λmT=2.8976×10-3

即室內(nèi)壁體紅外輻射的最大單色輻射波長(zhǎng)約為10μm，此時(shí)普通白玻對(duì)于λ>3μm 的常溫物體紅外輻射穿透率已很小，室內(nèi)紅外輻射不會(huì)穿透玻璃流向室外，被動(dòng)式太陽(yáng)房和太陽(yáng)能集熱器就是利用普通白玻的這一性質(zhì)。

可見(jiàn)普通白玻自身已具有良好的保溫性能，但普通白玻的表面輻射率比低輻射玻璃大，仍會(huì)有一部分紅外輻射被玻璃本體吸收后再向室外進(jìn)行“對(duì)流換熱”，造成室內(nèi)熱量損失。

表面輻射力低的低輻射玻璃不僅能夠阻止室內(nèi)紅外輻射的透出，同時(shí)其反射能力比普通白玻還要強(qiáng)，相當(dāng)于增加了玻璃系統(tǒng)本身的“對(duì)流換熱”熱阻(由導(dǎo)熱基本方程可知低輻射膜必須設(shè)在對(duì)流換熱熱阻小的一側(cè)才能有效增加傳熱熱阻，提高保溫性能)。

例如:3mm厚普通白玻的表面輻射率為ε=0.84 ，外表面換熱系數(shù)為23.3W/ (m2·℃)，內(nèi)表面換熱系數(shù)為8.7W/(m2·℃)，總傳熱系數(shù)K =6.2W/(m2·℃);3mm厚低輻射玻璃的內(nèi)表面膜層輻射率ε=0.088，內(nèi)表面換熱系數(shù)可降為4.14W/(m2·℃)，外表面換熱系數(shù)不變，總傳熱系數(shù)減少為K=3.47W/(m2·℃)，單層低輻射玻璃ε=0.088)的傳熱量?jī)H為單層普通玻璃(ε=0.84)的0.56倍。

因此在可見(jiàn)光區(qū)段透射率高、近紅外區(qū)段透射率低、傳熱系數(shù)小的低輻射玻璃比較適合北方寒冷地區(qū)使用。

從表1、2的比較可以看出，低輻射玻璃在傳熱系數(shù)降低的同時(shí)，由于低輻射膜還同時(shí)具有遮陽(yáng)性質(zhì)導(dǎo)致其夏季太陽(yáng)輻射得熱的減少，全年綜合節(jié)能性能比較優(yōu)異。與其它節(jié)能玻璃相比，其對(duì)室內(nèi)采光的影響也比較小。

2 低輻射中空玻璃窗的逐時(shí)傳熱

由于玻璃很薄、熱容量很小，對(duì)于時(shí)間間隔為1h的動(dòng)態(tài)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算視為無(wú)遲后傳熱，可按穩(wěn)態(tài)方法進(jìn)行建筑玻璃系統(tǒng)的逐時(shí)傳熱分析。圖2分別為某地區(qū)冬季(南向)和夏季(西向)低輻射玻璃的逐時(shí)傳熱計(jì)算結(jié)果。

冬季室外0∶00～23∶00 逐時(shí)空氣溫度(℃)為:-5.35，-7.19，-8.29，-9.34，- 10.27，-11.05，-11.65，-12.04，-11.8，-10.52，-8.57，-6.33，-4.21，-2.56，- 1.65，-1.57，-1.72，-2.03，-2.44，-2.94，-3.48，-4.02，-4.53，-4.98。

8:00～16:00

南向太陽(yáng)逐時(shí)輻射照度(W/m2)為:47，311，506，618，654，614，498，298，36。

夏季室外0∶00～23∶00 逐時(shí)空氣溫度(℃)為:26.77，25.4，25.4，24.32， 24.23，23.25，23.07，25.19，27.6，29.65，32.4，34.65，35.9，36.65，37.1， 37.55，36.2，35.05，34，32.115，31.5，29.57，28.43，27.5。

6∶00～18∶00西向太陽(yáng)逐時(shí)輻射照度(W/m2)為:2，83，109，135，151，158 ，162，362，542，661，692，630，445。冬夏室內(nèi)溫度分別為18、26℃。

時(shí)間/h

圖2 冬季南向低輻射中空玻璃窗的逐時(shí)傳熱量

從圖2中可以看出，在冬季無(wú)日照時(shí)刻(主要是夜間)低輻射中空玻璃窗的耗熱量最小、保溫性能最好，但在冬季日照時(shí)刻建筑物南向房間普通中空玻璃窗向室內(nèi)的凈傳熱量(計(jì)入太陽(yáng)輻射熱量)為最高，低輻射玻璃窗由于其遮陽(yáng)性導(dǎo)致其向室內(nèi)傳熱

量降為最低。因此在冬季日照時(shí)刻(主要是白天)建筑物南向房間普通中空玻璃的節(jié)能效果最佳。

低輻射玻璃窗的遮陽(yáng)性能和較小的傳熱系數(shù)使其在夏季日照時(shí)刻向室內(nèi)凈傳熱量為最低。但由于夏季空調(diào)房間室內(nèi)外空氣溫差波幅較冬季顯著減小，使低輻射中空玻璃窗的傳熱系數(shù)小的節(jié)能優(yōu)勢(shì)在夏季非日照時(shí)刻并不顯著。

圖2表明在以夏季空調(diào)為主的南方地區(qū)，低輻射中空玻璃窗的節(jié)能效果主要靠其遮陽(yáng)性能，這與其它遮陽(yáng)型節(jié)能玻璃是一樣的，因此南方地區(qū)采用低輻射中空玻璃窗的節(jié)能效果與其它節(jié)能玻璃相比差距較小。低輻射玻璃最適合于北方寒冷地區(qū)的東、西、北三個(gè)朝向的外窗，如果低輻射玻璃窗應(yīng)用于南向?qū)⒂绊懡ㄖ锒镜奶?yáng)能利用。

3 低輻射玻璃的熱舒適性

在溫差傳熱下(不計(jì)太陽(yáng)輻射)低輻射玻璃系統(tǒng)的逐時(shí)溫度，其室內(nèi)外空氣溫度的計(jì)算條件同圖2。

從中可以比較出低輻射玻璃與普通玻璃的冬夏季保溫性能差異。由于單層低輻射玻璃的低輻射膜層(換熱熱阻)設(shè)在玻璃內(nèi)表面上，因此單層低輻射玻璃的溫度更接近于室外環(huán)境溫度， 夏季比普通白玻偏高、冬季比普通白玻偏低，熱舒適性降低，冬季窗體內(nèi)表面結(jié)冰的可能性增加。

而雙玻系統(tǒng)的情況正好相反，低輻射中空玻璃的內(nèi)玻溫度在冬夏季都比普通中空玻璃更接近于室內(nèi)環(huán)境溫度，這表明低輻射中空玻璃在非日照時(shí)間的熱舒適性和隔熱保溫性能均優(yōu)于普通中空玻璃。

4 結(jié)語(yǔ)

玻璃幕墻廣泛應(yīng)用于公共建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，玻璃幕墻具有透射和反射性質(zhì)， 可創(chuàng)造出明亮的室內(nèi)光環(huán)境、內(nèi)外空間交融的效果， 在建筑形式上有很強(qiáng)的表現(xiàn)力， 成為現(xiàn)代城市建筑的一種標(biāo)志。玻璃幕墻作為建筑的主要維護(hù)構(gòu)件既是影響能耗的關(guān)鍵部位， 又是影響室內(nèi)舒適度的重要因素。

參考文獻(xiàn):

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