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真空玻璃熱工參數與建筑節能

2008-03-03 來(lái)源:新浪

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    我國建筑能耗占全國總能耗30%以上,而且此比例還在不斷上升。每年我國竣工建筑面積為20億平方米,其中95%以上是高能耗建筑。我國單位建筑面積能耗是發(fā)達國家的2-3倍以上,而窗戶(hù)是建筑圍護結構的開(kāi)口部,是建筑能耗的關(guān)鍵部位,窗戶(hù)能耗占整個(gè)建筑能耗的一半左右,改進(jìn)窗戶(hù)的節能是提高建筑節能水平有效、快捷的措施。

    玻璃占整窗面積80%以上,而具有多種優(yōu)點(diǎn)的玻璃幕墻更是成為墻的主體,但已建成的許多玻璃幕墻保溫隔熱性能差成為一大弱點(diǎn),影響其推廣使用。所以提高玻璃的保溫隔熱性能更是重中之重。

    通過(guò)建筑物玻璃的傳熱途徑有二:一是由內外溫差引起的傳熱QT,二是太陽(yáng)輻射引入的熱量Qe,二者之和稱(chēng)為相對增熱,用RHG表示:
  

    RHG= QT +Qe=K(T0-Ti)+Se×SHGF
   

    式中K為傳熱系數,也稱(chēng)K值,其含義是當室內外溫差為1度時(shí),單位時(shí)間通過(guò)1㎡面積玻璃從室內空氣傳到室外空氣的熱量,我國法定計量單位為Wm-2K-1。T0為室外溫度,Ti為室內溫度,Se為遮陽(yáng)系數,其含義是透過(guò)玻璃的太陽(yáng)輻射總透射比與3mm厚普通平板玻璃的太陽(yáng)輻射總透射比的比值。Se值越高,說(shuō)明透過(guò)的太陽(yáng)輻射比例越高。SHGF為太陽(yáng)輻射得熱因子,其含義是當時(shí)當地,單位時(shí)間內透過(guò)3mm厚普通玻璃的太陽(yáng)輻射能量。

    如果以室外向室內傳熱為正,則上式中當T0>Ti時(shí)(例如夏季)靠前項為正,表明熱量從室外傳入室內,當T0<Ti時(shí)(例如冬季)則靠前項為負,表明熱量從室內傳到室外。對于大多數地區,只要室內外溫差非常大且持續時(shí)間較長(cháng),為了減少能耗,K值總是越小越好。特別是門(mén)窗的K值要與當地墻體的K值相匹配,才能有效節能。

    由于太陽(yáng)輻射是由外向內的,所以上式中第二項總是正值。要根據地區、朝向等因素來(lái)選取玻璃的Se參數。例如在太陽(yáng)輻射強(SHGF高)的氣候炎熱地區,應選Se低的遮陽(yáng)型玻璃。以減少太陽(yáng)能進(jìn)入,節省空調能耗;在太陽(yáng)輻射弱(SHGF低)的氣候寒冷地區,應選Se高的高透型玻璃,增加太陽(yáng)能進(jìn)入,節省取暖能耗。

    真空玻璃是一種新型節能玻璃,其結構如圖1所示。它基于保溫瓶原理,將兩片玻璃四周密封,中間間隔為0.1-0.2mm的薄真空層。由于沒(méi)有氣體傳熱,內表面又有起保溫瓶銀膜作用的透明低輻射膜,使真空玻璃的保溫隔熱性能遠優(yōu)于目前已廣泛使用的“中空”玻璃。標準真空玻璃和組合真空玻璃的K值已經(jīng)低于目前大量使用的墻體材料的K值,但其厚度只有后者的數十分之一。

    隔熱性能優(yōu)良的標準真空玻璃通過(guò)“真空+中空”組合或“真空+夾膠”組合構成“安全真空玻璃”。作為幕墻玻璃使用,解決了玻璃幕墻保溫隔熱的問(wèn)題。真空玻璃配以?xún)?yōu)良的窗框和密封材料就可以構成優(yōu)良的節能窗。2006年6月北京順達墨瑟門(mén)窗制作有限公司利用新立基公司生產(chǎn)的L4+0.15V+N4+1高等+N6組合真空玻璃配以該公司的木窗框,制成1400×1200mm的木窗,經(jīng)國家建筑材料工業(yè)建筑五金水暖產(chǎn)品質(zhì)量監督檢驗測試中心檢驗,傳熱系數(K值)為0.8 Wm-2K-1,達到國標GB/T8484-2002第10級。

    對于相對增熱RHG中太陽(yáng)輻射熱的控制,可以選擇不同性能的LOW-E玻璃來(lái)制作真空玻璃,以得到不同的遮陽(yáng)系數Se。表2列出了幾種浮法白玻和LOW-E玻璃的太陽(yáng)輻射參數,表3列出了用表2中的玻璃制作的四種真空玻璃的太陽(yáng)輻射參數。不同的LOW-E膜的遮陽(yáng)系數是不同的,遮陽(yáng)系數高的稱(chēng)為高透膜,有的產(chǎn)品Se比表1中所列的還要低,稱(chēng)為陽(yáng)光控制膜。不同玻璃制成的真空玻璃的遮陽(yáng)系數是不同的,而且同一種真空玻璃安裝時(shí)LOW-E膜放在從外向內數的第2表面還是第3表面的Se也是不同的。太陽(yáng)輻射得熱系數SHGC也稱(chēng)太陽(yáng)輻射總透射比g,表示通過(guò)玻璃進(jìn)入室內的太陽(yáng)輻射能量與入射總能量之比。此數值越高,說(shuō)明進(jìn)入室內的太陽(yáng)能比例越高。因此可以通過(guò)選擇不同類(lèi)別的真空玻璃和安裝方式來(lái)控制太陽(yáng)輻射得熱,達到節能的目的,比如在太陽(yáng)輻射強的熱帶地區,應選擇遮陽(yáng)系數低的LOW-E膜,并按A方式安裝,以減少太陽(yáng)得熱,降低空調能耗。由于LOW-E膜的光學(xué)性質(zhì)不同,即使K值相近的真空玻璃其輻射特性也會(huì )有非常大區別??梢?jiàn)光透射比影響建筑物的采光,可見(jiàn)光反射比太高會(huì )形成“光污染”;紫外線(xiàn)特性影響室內的紫外輻照,而膜的位置也會(huì )影響建筑物的外觀(guān)顏色,以上這些因素應在設計時(shí)綜合考慮。

    按美國采暖制冷空調工程師協(xié)會(huì )(ASHRAE)標準計算,夏季室外溫度31.7℃,室內溫度23.9℃。當太陽(yáng)輻射通量Φe為783Wm-2 ,3mm玻璃透過(guò)率τs=0.87,太陽(yáng)輻射得熱因子SHGF=τsΦe,則此真空玻璃按A方式安裝的相對增熱: 
   

RHG=K△T+Se×SHGF=K?T+ SeτsΦe
                   =6.71+313.7=+320.4(Wm-2)

 

    正號表示熱功率從室外傳向室內,是“得熱”。
    此相對增熱中將近98%是太陽(yáng)輻射(計算中的第二項)引起的。
    按ASHRAE標準,冬季夜間室外溫度-17.8℃,室內溫度21.1℃,此時(shí)相對增熱:
   

RHG= K△T=0.86×(-17.8-21.1)=-33(Wm-2)
    

     負號表示熱功率從室內傳向室外,是“失熱”。
     使用這種LOW-E真空玻璃在冬季特別是寒冷地區優(yōu)勢明顯,在陽(yáng)光充足地區或陽(yáng)光照射時(shí)間長(cháng)的立面,夏季得熱仍非常大,還需采用遮陽(yáng)措施或采用遮陽(yáng)系數更低的LOW-E真空玻璃。
     但是應該指出,表4所列出的這些按標準規定計算的結果,使各種玻璃的性能具有可比性,但實(shí)際上通過(guò)建筑物玻璃的熱交換量除和玻璃本身的參數(如K值和遮陽(yáng)系數Se等)有關(guān)外,還取決于各種環(huán)境因素(比如建筑物所在位置的地理、氣候、日照條件等)及建筑物本身的特性(如朝向、高度等)。環(huán)境因素則千變萬(wàn)化,比如太陽(yáng)輻射通量Φe就不可能是一恒定數值,也不可能總是高達ASHRAE標準規定的783Wm-2。因此,建筑物能耗在建工行業(yè)有一套有經(jīng)驗的標準和測算方法,可以更接近實(shí)際地估算出建筑物的能耗情況。
    真空玻璃產(chǎn)品已成功應用于北京天恒大廈等十多個(gè)建成項目,其中以天恒大廈較受世人矚目。該大廈是世界靠前座全真空玻璃辦公大廈,也是世界靠前次把真空玻璃用作大面積幕墻的建筑??偨ㄖ娣e57238平方米,地上22層,西、北立面采用半隱框真空玻璃幕墻7000平方米,東、南立面采用真空玻璃合金斷熱窗2500平方米,真空玻璃采用“中空+真空+中空”安全組合玻璃,經(jīng)國家建筑工程質(zhì)量監督檢驗中心檢驗,K值為1.0 Wm-2K-1,超過(guò)國標GB/T8484-2002保溫窗高等10級的標準。遮蔽系數為0.56。經(jīng)相關(guān)人士計算,與安裝其它各種玻璃相比,該大廈每年可節省電費開(kāi)支較低62萬(wàn)元,較高423萬(wàn)元。
    綜上所述,可以得到如下結論:
    1、真空玻璃與節能相關(guān)的熱工參數目前已達到相當優(yōu)良的水平,在建筑節能中嶄露頭角。
    2、真空玻璃與節能相關(guān)的熱工參數特別取決于鍍膜的參數,隨著(zhù)鍍膜技術(shù)的發(fā)展,K值更低,遮陽(yáng)系數各異的真空玻璃將不斷更新現有的參數,達到更佳的節能效果。
    3、真空玻璃不排斥中空玻璃、夾膠玻璃等深加工技術(shù),各種技術(shù)的結合將出現隔熱、隔聲性能更佳的組合安全真空玻璃,可滿(mǎn)足建筑門(mén)窗幕墻的各種要求。
    4、真空玻璃目前仍是玻璃深加工行業(yè)中的變新兒,應在相關(guān)部門(mén)政策方針的支持扶持下,加快產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)度,讓質(zhì)量更好、價(jià)格更低的產(chǎn)品大量面世,促進(jìn)我國建筑節能事業(yè)的發(fā)展。

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