氣凝膠玻璃的氣候適用性分析陳友明

肖亞玲 鄭思倩 劉洋

摘? ?要：建立了氣凝膠玻璃的光學模型與動態傳熱模型并進行了實驗驗證.根據已有理論方法建立了其他5種對比玻璃的模型，分別是：雙層中空玻璃模型、三層中空玻璃模型、高透型Low-E中空玻璃模型、雙銀型Low-E中空玻璃模型和遮陽型Low-E中空玻璃模型.提出利用太陽能效用量指標來評價玻璃的全年適用性，并借助累計逐時得熱量指標來評價玻璃在供暖期或空調期的適用性.結果表明：氣凝膠玻璃在嚴寒地區（哈爾濱）、寒冷地區（北京）、夏熱冬冷地區（長沙）、溫和地區（昆明）均具有一定的節能潛力，氣凝膠玻璃的太陽能效用量分別高出雙層中空玻璃266.3、158.6、114.3、40.5? kWh/m2（水平面），氣凝膠玻璃的氣候適用性序列為哈爾濱>北京>長沙>昆明.

關鍵詞：建筑節能;氣凝膠玻璃;適用性;氣候;太陽能效用量

中圖分類號：TU111.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

Abstract： The optical and dynamic heat-transfer models of aerogel glazing system were developed and validated by experiments. The models of other five common glazing systems （including double， triple and 3 kinds of Low-E double glazing systems） were also built based on the existing methods. The index of efficient solar energy was introduced to evaluate glazing's annual suitability， while the index of accumulative hourly heat gain was used to evaluate the glazing systems' suitability in the heating or the cooling season alone. The simulation results show that employing aerogel glazing system in severe cold region （Harbin）， cold region （Beijing）， hot-summer cold-winter region （Changsha） and temperate region （Kunming） can achieve energy efficiency. The differences of the efficient solar energy between aerogel and double glazing systems in these cities are 266.3， 158.6， 114.3 and 40.5 kWh/m2， respectively. The order of suitable level for employing aerogel glazing system is as follow： Harbin> Beijing> Changsha> Kunming.

Key words： building energy efficiency;aerogel glazing;suitability;climate;efficient solar energy

2014年，中國建筑領域的建造和運行能耗占全社會一次能耗總量的比例高達36%[1]，降低建筑能耗，提高建筑能效，探討建筑節能技術[2-3]已經成為建筑領域研究焦點.中國地域遼闊，有5個典型氣候區，各氣候區對建筑節能的要求差異較大.在以供熱為主的氣候區，建筑節能主要考慮保溫，同時要盡可能多地引進太陽輻射.在以空調為主的氣候區，建筑節能主要考慮隔熱.氣凝膠玻璃是一種新型的建筑節能玻璃，為了科學合理地推廣其應用，有必要考察其氣候適用性.目前已有學者對氣凝膠玻璃的節能效果進行了模擬分析研究.Berardi[4]通過模擬分析發現氣凝膠玻璃除適用于寒冷氣候區外，在熱濕氣候區也具有較大的節能潛力.Buratti等[5]將氣凝膠玻璃樣本與同結構的中空玻璃比較，發現使用氣凝膠玻璃后室內熱損失減少，但同時進入到室內的太陽輻射也有一定程度的減少.文獻[6]在eQUEST軟件上模擬分析了氣凝膠玻璃與其他4種常見玻璃在中國不同氣候區的全年負荷.研究發現氣凝膠玻璃在哈爾濱、北京、上海三地的節能率分別可以達到20%、11%、9%，即氣凝膠玻璃在嚴寒地區的適用性很強，在寒冷地區和夏熱冬冷地區具有一定的適用性.現有研究[4，6-7]多采用近似計算方法——K-SC模型對玻璃系統進行模擬和評估，即按標準測量方法在法向入射條件下測得玻璃的綜合傳熱系數、遮陽系數或太陽得熱系數，根據相應參數進行熱工計算.但值得注意的是法向入射條件下光線通過半透明介質的路徑短，吸收率低，會導致計算出的進入室內的太陽輻射得熱量值偏高.此外，對于氣凝膠玻璃來說，氣凝膠層對太陽輻射有較強的吸收作用，所以隨著太陽輻射強度、太陽入射角的變化，氣凝膠層吸收的太陽輻射熱也會發生變化，氣凝膠層吸收的太陽輻射熱量會向外層玻璃和內層玻璃傳遞，從而影響各層玻璃溫度的分布，進而影響玻璃的熱工性能.K-SC模型采用法向入射條件下氣凝膠玻璃系統總的太陽得熱系數、遮陽系數，不能準確計算室外氣象條件變化時各層玻璃對太陽輻射的吸收熱及吸熱后向室內傳遞的這部分太陽得熱量，從而影響氣凝膠玻璃節能評價的準確性.本文建立了氣凝膠玻璃的動態傳熱模型并進行了實驗驗證.該模型考慮了玻璃系統中各層介質的熱容及各層介質吸收的太陽輻射熱量，為非穩態帶內熱源的熱平衡模型，該模型能反映玻璃的熱工性能在不同地理位置，不同氣象條件，不同時刻的動態變化.另外在Karlsson等[8]提出的太陽輻射得熱系數多項式模型的基礎上建立了3種Low-E中空玻璃的傳熱與光學模型.利用累計逐時得熱量及太陽能效用量等指標比較氣凝膠玻璃與其他5種常見節能玻璃在各氣候區的節能潛力大小，考察氣凝膠玻璃適用的氣候區.

1? ?不同類型玻璃的傳熱與光學模型

1.1 氣凝膠玻璃的計算模型及其實驗驗證

1.1.1? ?氣凝膠玻璃動態傳熱模型本文研究對象是將顆粒SiO2氣凝膠填充在雙層玻璃中間制成的氣凝膠玻璃.針對其密度較大、熱容較大、蓄熱能力較強的特點，建立了其非穩態的傳熱模型（即動態模型）.氣凝膠玻璃的傳熱過程包括玻璃與室內外環境之間的對流換熱、輻射換熱、玻璃內部的導熱、各層介質對太陽輻射的吸收和蓄熱作用.如圖1所示，在外層玻璃和內層玻璃中心各設1個溫度節點，氣凝膠層設3個等距節點，每個節點代表該區域的溫度，每層玻璃吸收的太陽輻射視為均勻分布.由能量守恒原理[9]，依次建立節點1～ 5的熱平衡方程式：

式中： Te、Ti 分別為室外、室內空氣溫度，K;δ1、δ2分別為玻璃、氣凝膠的厚度，m;hce、hci分別為玻璃與室外、室內側表面對流換熱系數，W/（m2·K）;hre、hri分別為外層玻璃與室外環境、內層玻璃與室內環境之間的輻射換熱系數，W/（m2·K）;qα1、qα2、qα3分別為各層玻璃對太陽輻射的吸收得熱，W/m2.

假設在太陽輻射波長范圍內玻璃和氣凝膠的消光系數不變，界面K的正、反向反射率ρK可根據菲涅耳定律計算，如式（16）所示.當光線從折射指數為n1的介質進入折射指數為n2的介質時，入射角為θ1，折射角為θ2，則玻璃各層對太陽輻射的吸收熱量qα1、qα2、qα3可由式（21）計算得到：

根據氣凝膠玻璃系統光學模型，已知某時刻玻璃外表面太陽入射角，可得到此時玻璃系統的太陽直射輻射透過率和吸收率.對散射輻射的透過、吸收計算則取不同入射角下透過體系光學性能參數的平均值.光學模型與動態傳熱模型耦合即可計算得到各層玻璃的溫度分布及通過氣凝膠玻璃系統的室內得熱量.

1.1.3? ?氣凝膠玻璃計算模型的實驗驗證

在長沙（112.92E，28.22N）一實驗樓樓頂搭建了一尺寸為2.0 m × 2.0 m × 2.5 m氣凝膠玻璃實驗房[13]，屋頂水平安裝一整塊8 mm+12 mm+8 mm顆粒型氣凝膠玻璃，鋁合金邊框，密封性良好，實驗房四周采用PVC遮光板遮光.實驗測量太陽輻射、各層玻璃溫度、環境溫度及風速.選用2016年6月20日—6月21日（晴間多云）采集的數據來驗證氣凝膠玻璃理論模型（K-SC模型的計算結果同時與實驗結果進行對比）.玻璃材料物性參數見表1.

如圖3所示，動態傳熱模型模擬值的結果與室內太陽輻射得熱量實測值比較接近，6月20日白天的平均相對誤差為2.1%，6月21日白天的平均相對誤差為5.6%，最大相對誤差不超過10%，模型足夠準確，可以用來對氣凝膠玻璃性能進行模擬分析研究.對于K-SC模型來說，如圖3所示，K-SC模型模擬值明顯高于實測值和動態傳熱模型模擬值，其與實測值之間白天的平均相對誤差為34.9%，顯然高估了太陽輻射得熱.原因主要是K-SC模型采用法向入射條件下的遮陽系數，而法向入射條件下光線通過半透明介質的路徑短，吸收率低，從而導致計算出的透過玻璃進入室內的太陽輻射得熱量值偏高.

圖4為氣凝膠玻璃各層溫度的實測值與動態傳熱模型模擬值對比（K-SC模型無法計算得到各層玻璃的溫度值），其中外層玻璃、氣凝膠、內層玻璃溫度模擬值與實測值之間的均方根誤差依次為1.0 ℃、1.6 ℃、1.1 ℃.誤差可能由模型本身所取參數與真實值的差異及測試人員、儀器、環境等因素造成.

1.2? ?雙層中空玻璃、三層中空玻璃的傳熱與光學模型

雙層中空玻璃、三層中空玻璃與氣凝膠玻璃的傳熱、光學模型的建立方法類似，不同之處主要有三點，其一是氣凝膠玻璃傳熱模型在氣凝膠層設置了3個計算節點，而雙層中空玻璃、三層中空玻璃的傳熱模型只在空氣層設置一個節點;其二在于氣凝膠層對于太陽輻射的吸收率較大，而雙層中空玻璃和三層中空玻璃的空氣夾層對太陽輻射全透過;最后，對于雙層中空玻璃和三層中空玻璃的傳熱模型，需考慮相鄰兩層玻璃之間的長波輻射換熱.

1.3? ?Low-E中空玻璃的傳熱與光學模型

對于Low-E中空玻璃，可以采用和氣凝膠玻璃一樣的建模方法，只是在建立其光學模型時，需考慮Low-E膜層對太陽輻射的透過、吸收作用，而由于缺乏Low-E膜層的折射率等光學參數，所以本文采用J.Karlsson等提出的多項式經驗模型對Low-E中空玻璃進行建模分析，該模型已經過驗證[8].

1.3.1? ?太陽輻射得熱計算模型

通過玻璃進入室內的太陽輻射得熱包括兩部分：直接透過玻璃系統的太陽輻射和太陽輻射經玻璃系統吸收后間接向室內傳遞的熱量.進入室內的太陽輻射得熱與入射角θ及相應入射角下的玻璃得熱系數g（θ）有關.根據Karlsson等提出的多項式經驗模型計算太陽輻射得熱系數g（θ），其表達式[16]為：

式中：g（0）為玻璃法線方向的太陽得熱系數;p為玻璃層數;q為玻璃種類參數，根據不同玻璃及膜取值為1～10;a、b、c、α、β、γ均為與玻璃種類有關的常數，其中z=θ/90，a=8，b=0.25/q，a+b+c=1，α=5.2+0.7q，β=2，γ=（5.26+0.06p）+（0.73+0.14p）q.高透型、雙銀型和遮陽型Low-E中空玻璃的q值分別取為3、2和2.5，選取這3種Low-E中空玻璃的法向太陽得熱系數分別為0.54、0.41以及0.38[8]，根據式（22）可得這3種玻璃的太陽得熱系數經驗式如式（23）～（25）所示：透過單位面積玻璃的室內太陽輻射得熱量Isol按式（26）計算：

由于天空散射和地面反射輻射的入射角難以準確得出，其輻射得熱系數可近似按45°入射角時的直射輻射來計算[17].因此，透過單位面積玻璃進入室內的太陽輻射得熱量可寫為：

1.3.2? ?室內逐時得熱量計算

室內逐時得熱量由太陽輻射得熱量和室內外的溫差傳熱量兩部分構成，其表達式如下：

式中：k為綜合傳熱系數[12]，W/（m2·K），忽略Low-E膜層傳熱熱阻，按式（29）計算：

2? ?模擬條件

模擬用氣象參數選用CSWD氣象數據.供暖期室內設計溫度為20 ℃，空調期室內設計溫度為26 ℃.其他相關參數包括6種不同類型玻璃的規格參數，見表2.各氣候區典型城市的供暖期、空調期時間劃分[18]，見表3.相關模擬條件確定后，根據第1節建立的各種玻璃的傳熱模型和光學模型，可由MATLAB編程計算得到各城市不同朝向通過單位面積玻璃的逐時得熱量.

3? ?氣凝膠玻璃氣候適用性分析

不同的氣候區氣候差異較大，建筑節能標準各異，氣凝膠玻璃的氣候適用性分析即借助相關評價指標對氣凝膠玻璃與其他常見節能玻璃在同一氣候區的節能潛力進行研究，比較其節能潛力大小，從而考察氣凝膠玻璃適用的氣候區.

3.1? ?氣候適用性評價指標

本文選用的評價指標為累計逐時得熱量和太陽能效用量.累計逐時得熱量即單位面積玻璃在供暖期或空調期逐時得熱量和逐時失熱量的代數和（得熱量為正，失熱量為負）.累計逐時得熱量大于0，說明通過單位面積玻璃的逐時得熱量大于逐時失熱量，在供暖期，這部分得熱有利于減少室內熱負荷，而在空調期，這部分得熱會增大室內冷負荷，故在某地供暖期間，通過單位面積玻璃的累計逐時得熱量越大則此種玻璃的節能潛力越大，越適用于該地區，空調期間則相反.對于全年僅有供暖期或空調期的氣候區來說，利用累計逐時得熱量指標即可評價氣凝膠玻璃在該氣候區的適用性，而對于既需供暖又需空調的氣候區，必須綜合考慮全年得熱量情況，利用3.4節提出的全年太陽能效用量指標來評價其適用性.氣候適用性分析過程中涉及到的累計逐時得熱量、熱負荷、冷負荷以及供暖空調能耗等指標只表示通過單位面積玻璃的值，不考慮其他影響因素.

3.2? ?供暖期累計逐時得熱量對比

由表3可知，哈爾濱和昆明兩地只考慮其供暖期，利用供暖期累計逐時得熱量指標即可考察氣凝膠玻璃的氣候適用性.以哈爾濱為例，如圖5（a）所示，1號氣凝膠玻璃在各朝向的累計逐時得熱量均為最大，2號雙層中空玻璃在各朝向上的累計逐時得熱量均最小，在水平面上，這兩項數值分別為103、-163.3 kWh/m2.同樣，在昆明，不論在哪個朝向上，氣凝膠玻璃的累計逐時得熱量都是最大，故可

據此推論相對于其他幾種玻璃，氣凝膠玻璃更適用于嚴寒地區（哈爾濱）、溫和地區（昆明）.對于3種Low-E中空玻璃，通過單位面積高透型Low-E中空玻璃的累計逐時得熱量最大，這是因為高透型Low-E中空玻璃的太陽輻射得熱系數大于雙銀型和遮陽型，高透型Low-E中空玻璃對太陽輻射的利用率更高.

3.3? ?空調期累計逐時得熱量對比

廣州屬于夏熱冬暖地區，全年主要考慮夏季空調.空調期間，白天室外氣溫較高，太陽輻射較強，通過玻璃進入室內的熱量很大，夜間室外氣溫較低，失熱主要發生在晚上.由圖6可知，氣凝膠玻璃在各朝向上的累計逐時得熱量均較大，氣凝膠玻璃在廣州地區的適用性不強.這是由SiO2氣凝膠顆粒的傳熱特性決定的，原因主要有兩方面.其一，雖然氣凝膠玻璃的太陽輻射透過率較低，但氣凝膠玻璃對太陽輻射的吸收率高，玻璃吸收的太陽輻射有較大一部分會成為室內得熱.其二，氣凝膠的納米多孔網絡結構以及納米尺度效應導致氣凝膠具有極低的導熱系數[19]，以致氣凝膠玻璃的夜間失熱量較小.得熱量較大，失熱量較小，故氣凝膠玻璃在廣州地區空調期間的累計逐時得熱量在這幾種玻璃中偏大.如

3.4? ?全年太陽能效用量對比

有的氣候區既需供暖也需空調，利用累計逐時得熱量指標，只能分別得到在供暖期或空調期適用性最強的玻璃類型，且供暖期和空調期適用性最強的玻璃類型可能不一樣，我們需要找到一個指標來綜合評價玻璃的全年適用性.我們知道，供暖期通過玻璃的得熱主要是太陽輻射得熱，其有助于減少室內熱負荷，是有效利用的太陽能，而空調期的得熱包括兩部分，一部分是太陽輻射得熱，另一部分是室內外溫差傳熱，失熱發生在夜間，且失熱量較小，總的來說整個空調期期間的累計逐時得熱量是正的，并且這部分得熱量構成了冷負荷.我們定義太陽能效用量 ，它表示通過單位面積玻璃全年有效利用的太陽能，這部分太陽能有助于減少供暖空調能耗，其表達式如下：

式中： QG為供暖期累計逐時得熱量，kWh/m2;QK為空調期累計逐時得熱量，kWh/m2.

觀察圖7可知，太陽能效用量有正有負，太陽能效用量為正說明利用供暖期間的太陽輻射得熱而減少的熱負荷比空調期間由單位面積玻璃造成的冷負荷大，全年有效的利用太陽能減少了供暖空調能耗.如圖7所示，在北京和長沙兩地，除長沙水平面外，1號氣凝膠玻璃在各朝向上的太陽能效用量均為最大，說明綜合全年情況來看，氣凝膠玻璃在寒冷地區（北京）和夏熱冬冷地區（長沙）相比于其他幾種玻璃的節能潛力更大，適用性更強.

3.5? ?氣凝膠玻璃氣候適用性序列

綜上所述，氣凝膠玻璃在哈爾濱（嚴寒地區）、北京（寒冷地區）、長沙（夏熱冬冷地區）和昆明（溫和地區）均適用，選取與氣凝膠玻璃同結構的雙層中空玻璃為參照對象，將各地氣凝膠玻璃在不同朝向的太陽能效用量與對應的雙層中空玻璃的太陽能效用量之差值作為參考依據，評價氣凝膠玻璃在各地應用的節能潛力大小，得到氣凝膠玻璃的氣候適用性序列.如圖8所示，以水平面為例，在哈爾濱、北京、長沙和昆明四地氣凝膠玻璃的太陽能效用量分別高出雙層中空玻璃266.3、158.6、114.3、40.5 kWh/m2，同樣，在其他朝向上，氣凝膠玻璃與雙層中空玻璃的太陽能效用量差值也遵循哈爾濱>北京>長沙>昆明的序列，氣凝膠玻璃與雙層中空玻璃的太陽能效用量差值越大，說明氣凝膠玻璃應用越節能，故此序列也是氣凝膠玻璃的氣候適用性序列，即氣凝膠玻璃在嚴寒地區最適用，寒冷地區次之.

4? ?結? ?論

本文建立了一種新型的建筑節能玻璃——氣凝膠玻璃的光學模型與動態傳熱模型并進行了實驗驗證.根據已有理論方法建立了其他5種常見節能玻璃的傳熱與光學模型，模擬分析了這6種玻璃在我國五大氣候區典型城市應用的空調期和供暖期逐時得熱量情況，利用累計逐時得熱量和太陽能效用量等指標來評價氣凝膠玻璃在我國各氣候區的適用性，得出了以下結論：

1）在全年主要考慮供暖或空調的氣候區，利用累計逐時得熱量指標來分析不同類型玻璃的氣候適用性，氣凝膠玻璃在嚴寒地區（哈爾濱）和溫和地區（昆明）適用性強，但不適用于全年主要考慮空調的夏熱冬暖地區（廣州）.

2）在寒冷地區（北京）和夏熱冬冷地區（長沙），全年既有供暖期又有空調期，利用太陽能效用量指標來分析各種玻璃的全年氣候適用性，其中除長沙地區的水平面外，氣凝膠玻璃在各個朝向上的太陽能效用量均最大，說明寒冷地區和夏熱冬冷地區適宜推廣應用氣凝膠玻璃.

3）在氣凝膠玻璃適用的地區，選取同結構的雙層中空玻璃為參照對象，將各地氣凝膠玻璃與雙層中空玻璃在不同朝向的太陽能效用量差值作為參考依據，得出氣凝膠玻璃的氣候適用性序列為哈爾濱>北京>長沙>昆明，即氣凝膠玻璃在嚴寒地區最適用，寒冷地區次之.

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收稿日期：2018-05-17

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51678227），National Natural Science Foundation of China（51678227）

作者簡介：陳友明（1966—），男，湖南祁東人，湖南大學教授，博士生導師

通訊聯系人，E-mail：ymchen@hnu.edu.cn