建筑玻璃幕墙节能玻璃的合理选型与综合性能比较

摘要:玻璃幕墙作为建筑围护结构被建筑师在公共建筑设计中广泛应用,它包括工程所处地区,朝向,玻璃的类型,玻璃的厚度以及玻璃的性能参数如传热系数、遮阳系数等,因此节能玻璃的合理选型就显得尤其重要。

关键词:建筑节能;节能玻璃;透射性;选型;合理利用

0 引言

建筑构件中耗热量比例最高的是外窗,其传热损失与冷风渗透损失约占供暖总能耗的60%,因此建筑玻璃系统对建筑节能的影响很大,而其在建筑节能中资金支出也较大。

真正达到国家节能标准的塑钢窗价格比较高,如塑钢单玻窗、塑钢双玻窗、塑

钢中空玻璃窗的每平方米造价分别达到250、350、450元,塑钢低辐射中空玻璃窗则更加昂贵,因此我国节能玻璃的用量仅占建筑玻璃的30%左右,而且是以控制夏季阳光透射的单层吸热玻璃和热反射玻璃为主,中空玻璃的用量仍比较少,与西方发达国家相比有较大差距。随着我国社会经济的发展,节能玻璃的应用将日益普及。

1 低辐射玻璃的节能原理

太阳温度约为5800K,其辐射的主要能量集中在0.2～2μm的波长范围内,其中可见光和近红外光区段能量占很大比重,必须减少这两个区段的太阳辐射能量进入室内才能实现夏季建筑节能。

常规的遮阳型节能玻璃主要指吸热玻璃、热反射玻璃、低辐射玻璃,其太阳辐射的透射性能比较见图1 。

吸热玻璃主要是通过吸收将太阳辐射能量先转化为热能(玻璃自身温升) 然后再以对流、辐射的形式向室内外散发,减少了透过玻璃的日射得热实现夏季建筑节能,其主要分为两类:

1.1 本体着色

在无色透明平板玻璃的配合料中加入特殊的着色剂,采用浮法、平拉法等工艺生产。

1.2 表面镀膜

在玻璃表面喷镀吸热和着色的氧化物薄膜。热反射玻璃是镀膜玻璃,其表面镀有金属、非金属及其氧化物等薄膜,通过这些膜层对太阳光能的反射作用以阻挡夏季太阳光进入室内。热反射玻璃还具有良好的镜面映像效果,可以美化街景和建筑立面,但选用不当会引发光污染。

低辐射玻璃也是一种镀膜玻璃,其遮阳性能与热反射玻璃相同。低辐射玻璃不仅具有显著的遮阳性能,由于其传热系数K值小于其它类型的节能玻璃,其保温性能也比较优异。

低辐射玻璃的温差传热节能机理较为复杂。玻璃系统的得(失) 热包括两部分:太阳辐射得热和玻璃本身的“对流换热”部分。实际玻璃系统与室内外空气之间的换热过程为大空间复杂换热,玻璃内外表面“对流换热”包含对流和辐射两部分。玻璃表面辐射率越低,其辐射换热热阻就越大,玻璃的传热系数就越小。

由图2可知普通白玻在太阳辐射的可见光和近红外光区段都具有很高的穿透率,即太阳辐射中的绝大部分能量都能透过。而冬季供暖室内温度约为18～20℃,根据维恩位移定律:

λmT=2.8976×10-3

即室内壁体红外辐射的最大单色辐射波长约为10μm,此时普通白玻对于λ>3μm 的常温物体红外辐射穿透率已很小,室内红外辐射不会穿透玻璃流向室外,被动式太阳房和太阳能集热器就是利用普通白玻的这一性质。

可见普通白玻自身已具有良好的保温性能,但普通白玻的表面辐射率比低辐射玻璃大,仍会有一部分红外辐射被玻璃本体吸收后再向室外进行“对流换热”,造成室内热量损失。

表面辐射力低的低辐射玻璃不仅能够阻止室内红外辐射的透出,同时其反射能力比普通白玻还要强,相当于增加了玻璃系统本身的“对流换热”热阻(由导热基本方程可知低辐射膜必须设在对流换热热阻小的一侧才能有效增加传热热阻,提高保温性能)。

例如:3mm厚普通白玻的表面辐射率为ε=0.84 ,外表面换热系数为23.3W/ (m2・℃),内表面换热系数为8.7W/(m2・℃),总传热系数K =6.2W/(m2・℃);3mm厚低辐射玻璃的内表面膜层辐射率ε=0.088,内表面换热系数可降为4.14W/(m2・℃),外表面换热系数不变,总传热系数减少为K=3.47W/(m2・℃),单层低辐射玻璃ε=0.088)的传热量仅为单层普通玻璃(ε=0.84)的0.56倍。

因此在可见光区段透射率高、近红外区段透射率低、传热系数小的低辐射玻璃比较适合北方寒冷地区使用。

从表1、2的比较可以看出,低辐射玻璃在传热系数降低的同时,由于低辐射膜还同时具有遮阳性质导致其夏季太阳辐射得热的减少,全年综合节能性能比较优异。与其它节能玻璃相比,其对室内采光的影响也比较小。

2 低辐射中空玻璃窗的逐时传热

由于玻璃很薄、热容量很小,对于时间间隔为1h的动态空调负荷计算视为无迟后传热,可按稳态方法进行建筑玻璃系统的逐时传热分析。图2分别为某地区冬季(南向)和夏季(西向)低辐射玻璃的逐时传热计算结果。

冬季室外0∶00～23∶00 逐时空气温度(℃)为:-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

南向太阳逐时辐射照度(W/m2)为:47,311,506,618,654,614,498,298,36。

夏季室外0∶00～23∶00 逐时空气温度(℃)为: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西向太阳逐时辐射照度(W/m2)为:2,83,109,135,151,158 ,162,362,542,661,692,630,445。冬夏室内温度分别为18、26℃。

时间/h

图2 冬季南向低辐射中空玻璃窗的逐时传热量

从图2中可以看出,在冬季无日照时刻(主要是夜间)低辐射中空玻璃窗的耗热量最小、保温性能最好,但在冬季日照时刻建筑物南向房间普通中空玻璃窗向室内的净传热量(计入太阳辐射热量)为最高,低辐射玻璃窗由于其遮阳性导致其向室内传热

量降为最低。因此在冬季日照时刻(主要是白天)建筑物南向房间普通中空玻璃的节能效果最佳。

低辐射玻璃窗的遮阳性能和较小的传热系数使其在夏季日照时刻向室内净传热量为最低。但由于夏季空调房间室内外空气温差波幅较冬季显著减小,使低辐射中空玻璃窗的传热系数小的节能优势在夏季非日照时刻并不显著。

图2表明在以夏季空调为主的南方地区,低辐射中空玻璃窗的节能效果主要靠其遮阳性能,这与其它遮阳型节能玻璃是一样的,因此南方地区采用低辐射中空玻璃窗的节能效果与其它节能玻璃相比差距较小。低辐射玻璃最适合于北方寒冷地区的东、西、北三个朝向的外窗,如果低辐射玻璃窗应用于南向将影响建筑物冬季的太阳能利用。

3 低辐射玻璃的热舒适性

在温差传热下(不计太阳辐射)低辐射玻璃系统的逐时温度,其室内外空气温度的计算条件同图2。

从中可以比较出低辐射玻璃与普通玻璃的冬夏季保温性能差异。由于单层低辐射玻璃的低辐射膜层(换热热阻)设在玻璃内表面上,因此单层低辐射玻璃的温度更接近于室外环境温度, 夏季比普通白玻偏高、冬季比普通白玻偏低,热舒适性降低,冬季窗体内表面结冰的可能性增加。

而双玻系统的情况正好相反,低辐射中空玻璃的内玻温度在冬夏季都比普通中空玻璃更接近于室内环境温度,这表明低辐射中空玻璃在非日照时间的热舒适性和隔热保温性能均优于普通中空玻璃。

4 结语

玻璃幕墙广泛应用于公共建筑围护结构中,玻璃幕墙具有透射和反射性质, 可创造出明亮的室内光环境、内外空间交融的效果, 在建筑形式上有很强的表现力, 成为现代城市建筑的一种标志。玻璃幕墙作为建筑的主要维护构件既是影响能耗的关键部位, 又是影响室内舒适度的重要因素。

参考文献:

[1]杨云桦,狄洪发.低辐射能玻璃窗的节能研究[J].太阳能学报,2001,22 (3):296-301.

[2]董子忠.玻璃系统的遮阳性能研究[C].建筑节能39.北京:中国建筑工业出版社,2002.