節能玻璃窗投資成本分析研究

龐雨

摘要：在能源問題十分突出的當今社會，為達到減低建筑能耗的目的，從而產生了節能窗。在關注節能窗的熱工性能的同時，人們也同樣會考慮投資成本的問題。本文以節能窗的玻璃系統為研究對象，討論影響其熱工性能的相關因素的重要性系數，進一步分析其投資成本的問題。

Abstract： In today's society where energy issues are very prominent， in order to achieve the goal of reducing building energy consumption， energy-saving windows have emerged. While paying attention to the thermal performance of energy-saving windows， people will also consider the issue of investment costs. In this paper， the glass system of energy-saving window is taken as the research object， the importance coefficient of related factors affecting its thermal performance is discussed， and the problem of investment cost is further analyzed.

關鍵詞：建筑能耗；節能窗；投資成本

Key words： building energy-saving；energy-saving window；investment cost

中圖分類號：TU201.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）32-0050-03

0 引言

從第三次科技革命以來，能源便成為各個國家科技與經濟命脈。這也是1972年第一次能源危機爆發的導火索之一。在此之后能源問題成為了世界性的問題。建筑作為能源消耗的主要產業之一，各個國家開始進行建筑節能工作。

建筑外窗是建筑外圍護結構保溫性能最薄弱的部位之一，同時也是影響建筑能耗的主要因素之一。本文在分析影響建筑外窗能源消耗的基礎之上，進一步研究各個因素性能的提升所帶來的投資增量。本文將重點研究建筑外窗玻璃系統的熱工性能以及其投資增量問題。

1 節能玻璃窗系統熱工性能的影響因素確定

本文主要研究各個因素對節能窗玻璃系統的熱功能性能的影響。首先采用因素分析法，也就是大家常說的經驗分析法，來確定若干個影響節能窗玻璃系統熱工性能的因素。他們分別是玻璃的厚度、Low-E膜種類、充盈氣體種類以及中空層厚度。

1.1 玻璃厚度

圍護結構的厚度δ（m）和圍護結構所采用材料的導熱系數λ（W/（m.k））是決定辭圍護結構傳熱系數K（W/（m2·°C））的重要參數。圍護結構通常可分為非透明部分和透明部分，而玻璃則是透明部分圍護結構的主要構成。因此我們對其厚度于傳熱系數的影響進行討論研究。

根據市面上幾種常用的玻璃厚度為3-6mm。將不同的玻璃厚度設置在雙層中空玻璃中和三層中空玻璃，在其他情況一致的條件下，分別計算出在雙層玻璃中玻璃厚度為3mm、4mm、5mm和6mm的情況下玻璃系統的傳熱系數以及在三層玻璃中玻璃厚度為3mm、4mm、5mm和6mm的情況下玻璃系統的傳熱系數、太陽得熱系數以及可見光透射比。

根據模擬計算結果，在雙層玻璃系統中，當玻璃厚度為3mm時，傳熱系數為2.429W/m2K，當玻璃厚度增加至6mm時，傳熱系數為2.395W/m2K。在三層玻璃系統中，當玻璃厚度為3mm時，傳熱系數為1.815W/m2K，當玻璃厚度增加至6mm時傳熱系數為1.787W/m2K，平均變化率為0.35%；太陽能得熱系數在雙層玻璃中太陽的的熱系數從3mm時的0.643降至0.600，在三層玻璃中從0.582降至0.533，平均變化率為2.6%?？梢姽馔干浔绕骄兓始s為1.7%。

1.2 Low-E膜種類

Low-E鍍膜層的種類繁多，不同鍍膜層因輻射率不同而導致傳熱系數不同，根據表1可見，影響Low-E膜保溫隔熱性能的主要是其長波輻射率。選取了雙層玻璃單層膜組合、三層玻璃單層膜組合、三層玻璃雙層膜組合分別對于不同輻射率的Low-E玻璃進行模擬，分析玻璃系統傳熱系數與Low-E膜輻射率之間的關系。

雙層玻璃組合選取形式為5Low-E玻璃+12A+5白玻，三層玻璃單層膜選取形式為5白玻+12A+5Low-E玻璃+12A+5白玻，三層玻璃雙層膜選取形式為5Low-E玻璃+12A+5Low-E玻璃+12A+5白玻。模擬結果如表1所示。

根據模擬結果可見，相同玻璃組合的情況下，Low-E膜輻射率越低，玻璃組合的傳熱系數也越低。

1.3 充盈氣體種類

目前，在中空玻璃的充氣層通常采用的是空氣和惰性氣體，其中常用的惰性氣體有氬氣、氪氣及氙氣。模擬選用5mmLow-E玻璃+12mm氣體+5mm白玻+12mm氣體+5mm白玻的玻璃類型。

在同種工況下，充入空氣、氬氣、氪氣和氙氣時，玻璃組合根據模擬結果可見，空氣、氬氣、氪氣和氙氣分別為中空玻璃的充氣層時，玻璃組合的傳熱系數逐漸降低。

1.4 中空層厚度

充入中空層氣體相同的情況下，氣體層的厚度對玻璃系統的傳熱系數也有一定的影響。以5Low-E玻璃+氣體層+5白玻+氣體層+5白玻的組合為模型，分別充入空氣、氬氣和氪氣，逐步增加氣體層厚度，測定玻璃系統的傳熱系數。

如圖1結果所示，氣體層從5mm開始增長時，U值逐漸降低，當U值達到最小值時，再增加氣體層厚度是U值不再減小，反而緩慢增大。其中，當充入氣體為空氣時，U值達到最小值1.222W/m2K，氣體層厚度為14mm；當充入氣體為氬氣時，U值達到最小值1.028W/m2K，氣體層厚度為12mm；當充入氣體為氪氣時，U值達到最小值0.911W/m2K，氣體層厚度為8mm。

2 節能窗的成本分析

通過環比評分法對玻璃厚度、Low-E膜種類、充盈氣體種類及氣體層厚度進行重要性分析，確定各因素的重要性系數。

2.1 影響因素的重要性分析

前文已經確定所要研究的因素，分別為玻璃厚度、Low-E膜種類、充盈氣體種類及氣體層厚度，依次設定為E1、E2、E3及E4。

對相鄰兩因素的重要性進行對比打分，此分值作為暫定的重要性系數。根據前文對相關因素的分析，因此，E1與E2進行對比，E1的重要性是E2的0.2倍，將0.5記入表3第（2）欄相應位置。以同樣的方法確定E2、E3暫定重要性系數，E2與E3對比為2.0倍，E3與E4對比為1.5倍。

對暫定重要性系數進行修正。首先將E4的重要性系數定為1.0，作為修正系數記入表3第（3）欄相應位置。根據第（2）欄可知，E3的暫定重要性是E4的1.5倍，故應得E3的修正重要性系數為1.5×1.0=1.5，記入表3第（3）欄相應位置。同理，E2的重要性是E3的2.0倍，故E2的修正重要性系數為2.0×1.5=3.0，記入表3第（3）欄相應位置。同理，E1的修正重要性系數為0.6。再將第（3）欄中所有得分數相加為6.1。

將第（3）欄中各因素得分分別處以第（3）欄的合計分數，從上到下依次為0.098、0.492、0.246、0.164，即為各個因素的重要性因素，記入第（4）欄相應位置。

2.2 投資成本分析

現在市面上使用最廣泛的雙層中空玻璃通常是由6mm厚的雙層玻璃和9mm的空氣層組成或者5mm厚的雙層玻璃和9mm的空氣層。基于上述分析玻璃層的厚度對于中空玻璃系統熱工性能的影響非常小，所以玻璃厚度可以選擇成本相對較低的5mm厚的玻璃。

Low-E膜對熱工性能影響最大。因此可以在原有的中空玻璃系統中增加Low-E膜。而不同種類的Low-E膜對熱工性能的影響同樣很大。在基于預算成本和地區對圍護結構熱工性能要求的基礎之上，選擇輻射率越低的Low-E膜越好。

充盈氣體的種類對于熱工性能的影響僅次于Low-E膜，目前普遍采用空氣作為充盈氣體，有上述分析可知，惰性氣體可以明顯降低中空玻璃系統的傳熱系數。根據筆者收集到的有限信息，市面上空氣的價格氬氣的價格大約在10元/L左右，氪氣的價格大約是氬氣價格的十倍左右，氙氣的價格是氪氣的十倍以上。氙氣是其中效果最好的，但是基于成本和規范對于圍護結構傳熱系數的要求，氬氣時最佳的選擇。

氣體層的厚度對中空玻璃的熱工性能也有一定的影響，在確定了充盈氣體種類的基礎之上，相當于單價以確定，充盈氣體厚度對于成本的影響就只是數量上的增加。

3 總結

綜上所述，節能玻璃窗，在保證熱工性能的前提下，可在Low-E膜的選擇上適當增加成本，盡量選擇輻射率低的Low-E膜。充盈氣體也應增加成本，可選擇氬氣來替換空氣，在功能上氬氣要遠勝于空氣，相對于其他兩種惰性氣體，成本也較低，充盈氣體厚度的成本可配合充盈氣體的種類適當增加。而玻璃的厚度可選用常用，甚至減小其厚度以減少玻璃的使用量從而降低成本。

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