建筑玻璃在公共建筑節(jié)能設計中的選擇

1、建筑玻璃在公共建筑節(jié)能設計中的選擇劉忠偉（北京中新方建筑科技研究中心）1前言我國的能源消耗非常巨大，而建筑耗能占全國總能耗的1/41/3，為實現(xiàn)國家節(jié)約能源和保護環(huán)境的戰(zhàn)略，實施建筑節(jié)能勢在必行。我國的公共建筑數(shù)量多，建筑規(guī)模大，耗能十分巨大，浪費也很嚴重。在公共建筑的全年能耗中，大約50%60%消耗于空調制冷與采暖系統(tǒng)，而在這部分能耗中，大約20%50%是由外圍護結構傳熱所消耗，其中嚴寒地區(qū)約為50%，寒冷地區(qū)約為40%，夏熱冬冷地區(qū)約為35%，夏熱冬暖地區(qū)約為20%。在整個圍護結構中，通過玻璃傳遞的熱量遠高于其他圍護結構。在現(xiàn)代化公共建筑中，大面積采用玻璃已成為趨勢，在玻璃幕墻和門窗中，玻

2、璃面積與框材比較占控制地位，是玻璃幕墻和門窗傳熱的主要部位，因此如何正確地選擇設計玻璃，使得通過玻璃損失的能耗達到最小，滿足公共建筑節(jié)能設計標準GB50189的規(guī)定，符合國家節(jié)能設計要求，是公共建筑設計必須解決的重要問題之一。本文就玻璃在公共建筑上的正確應用與選擇進行探討，以推動玻璃在公共建筑上的應用。2自然界的熱量形式對于建筑物來說，自然界中有兩種熱量形式，其一是太陽輻射，能量主要集中在0.32.5m波段之間，其中可見光占46%，近紅外線占44%，其他為紫外線和遠紅外線，各占7%和3%。其二是環(huán)境熱量，其熱能形式為遠紅外線，能量主要集中在550m波段之間，在室內(nèi)，這部分能量主要是被陽光照射后

3、的物體吸收太陽能量后以遠紅外線形式發(fā)出的能量及家用電器、采暖系統(tǒng)和人體等以遠紅外形式發(fā)出的能量。在室外，這部分能量主要是被陽光照射后的物體吸收太陽能量后以遠紅外線形式發(fā)出的能量。太陽輻射光譜曲線和熱輻射光譜曲線見圖1。圖1 太陽輻射光譜曲線和熱輻射光譜曲線3玻璃傳熱機理普通浮法玻璃是透明材料，其透明的光譜范圍是0.34m，即可見光和近紅外線，剛好覆蓋太陽光譜，因此普通浮法玻璃可透過太陽光能量的80%左右。對于環(huán)境熱量，即550m波段的遠紅外線，普通浮法玻璃是不透明的，其透過率為0，其反射率也非常低，但其吸收率非常高，可達83.7%。玻璃吸收遠紅外線后再以遠紅外線的形式向室內(nèi)外二次輻射，由于玻璃

4、的室外表面換熱系數(shù)是室內(nèi)表面換熱系數(shù)的三倍左右，玻璃吸收的環(huán)境熱量75%左右傳到室外，25%左右傳到室內(nèi)。在冬季，室內(nèi)環(huán)境熱量就是通過玻璃先吸收后輻射的形式，將室內(nèi)的熱量傳到室外。普通浮法玻璃的光譜曲線見圖2。圖2 普通浮法玻璃的光譜曲線4建筑玻璃熱工性能表征針對上述兩種熱量的傳遞機理，玻璃的熱工性能用兩個參數(shù)來表征，其一是傳熱系數(shù)U值，它是用來表征當室內(nèi)溫度與室外溫度不相等時，通過單位面積、單位溫差條件下、單位時間內(nèi)，玻璃傳遞的熱量定義為玻璃的傳熱系數(shù)式中q1由室外傳入室內(nèi)的熱量。其二是遮陽系數(shù)，它是玻璃的太陽能總透過率與3mm厚無色透明玻璃太陽能總透過率的比值，即玻璃的遮陽系數(shù)定義為這里的

5、包括太陽光的直接透射率和玻璃吸收太陽光后以熱輻射的形式向室內(nèi)的二次透射率，見圖3。圖3 6mm厚浮法玻璃的光譜傳熱系數(shù)是圍護材料通用參數(shù)，玻璃的傳熱系數(shù)越低，通過玻璃傳遞的環(huán)境熱量越少，無論是冬季還是夏季，無論在嚴寒地區(qū)還是夏熱冬暖地區(qū)，玻璃的傳熱系數(shù)越低，越有利于建筑物節(jié)能。遮陽系數(shù)是玻璃作為圍護材料的特殊參量，遮陽系數(shù)越低，透過玻璃傳遞的太陽光能量越少。遮陽系數(shù)并不是越低越有利于建筑物節(jié)能，因為對于嚴寒地區(qū)，冬季漫長寒冷，人們希望通過玻璃大量獲得太陽光能量來降低建筑物采暖能耗，對于所有地區(qū)，都存在通過玻璃達到建筑物白天自然采光的目的，因此對于嚴寒地區(qū)，玻璃的遮陽系數(shù)越高，透過玻璃傳遞的太陽

6、光能量越多，越有利于建筑物冬季采暖節(jié)能。而對于寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)，特別是夏熱冬暖地區(qū)，夏季日照強烈，建筑物制冷能耗非常高，玻璃的遮陽系數(shù)越低，透過玻璃傳遞的太陽光能量越少，越有利于建筑物制冷節(jié)能。但玻璃的遮陽系數(shù)也不能太低，否則無法達到建筑物白天自然采光的目的。因此對于寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)，玻璃的遮陽系數(shù)存在一個合理限值，過大和過小都不利于建筑物綜合節(jié)能和創(chuàng)建舒適的室內(nèi)光環(huán)境。5節(jié)能建筑玻璃種類和選擇玻璃的導熱系數(shù)為1w/mK，而空氣的導熱系數(shù)為0.024 w/mK，氬氣的導熱系數(shù)為0.016 w/mK，因此由兩片或多片玻璃和空氣層組成的中空玻璃其傳熱系數(shù)降低很多，如普通單

7、片浮法玻璃的傳熱系數(shù)為5.26.0 w/m2K，而普通中空玻璃的傳熱系數(shù)降至2.53.2 w/m2K，充氬氣后，中空玻璃的傳熱系數(shù)一般可再降0.20.3 w/m2K。要想獲得更低的傳熱系數(shù)，可采用Low-e中空玻璃。Low-e玻璃與普通浮法玻璃相比，其主要特征是對遠紅外線不再是高吸收，而是高反射，因此可阻止環(huán)境熱量通過玻璃進行傳遞，其光譜曲線見圖4。圖4 Low-e玻璃光譜曲線采用Low-e玻璃組成的中空玻璃，其傳熱系數(shù)一般可降低至1.52.1 w/m2K。依據(jù)公共建筑節(jié)能設計標準GB50189的要求，在嚴寒地區(qū)，依據(jù)不同的體型系數(shù)和窗墻比，傳熱系數(shù)限值為1.53.2W/(m2K)。普通中空玻

8、璃的傳熱系數(shù)為2.53.5W/(m2K)，只能部分滿足節(jié)能設計要求，Low-E中空玻璃的傳熱系數(shù)一般為1.52.1W/(m2K)，可滿足節(jié)能設計標準。對于我國的夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)，建筑的夏季制冷是主要能耗，因此應降低建筑玻璃的遮陽系數(shù)，公共建筑節(jié)能設計標準GB50189對應用于夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的建筑玻璃遮陽系數(shù)有明確規(guī)定。降低玻璃遮陽系數(shù)的方法很多，如采用著色玻璃、陽光控制鍍膜玻璃和Low-e玻璃，他們的太陽光譜透過率曲線見圖5。圖5 不同玻璃太陽光譜透過率曲線著色玻璃的遮陽系數(shù)可降至0.550.85，陽光控制鍍膜玻璃的遮陽系數(shù)可降至0.250.55，由他們組合成的中空玻璃，

9、其遮陽系數(shù)可降低進一步下降，但著色玻璃和陽光控制鍍膜玻璃以及由他們組合成的中空玻璃，其傳熱系數(shù)與透明浮法玻璃基本一致。Low-e中空玻璃，特別是雙銀Low-e中空玻璃，不但其傳熱系數(shù)低，保溫性能優(yōu)良，而且其遮陽系數(shù)也可降至0.300.60，隔熱性能非常好，可滿足公共建筑節(jié)能設計標準GB50189在任何地區(qū)對玻璃傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)的要求。此外，彩鈾玻璃和建筑遮陽系統(tǒng)也可顯著降低玻璃的遮陽系數(shù)，究竟采用何種遮陽方式，應結合建筑學綜合考慮決定。5結束語自公元79年人類第一次將玻璃應用于建筑以來，建筑玻璃經(jīng)歷了幾次飛躍式的發(fā)展，如浮法工藝的誕生，解決了建筑玻璃表面平整、光亮和純凈、透明的問題；鋼化玻璃和夾層玻璃的發(fā)明，解決了建筑玻璃應用的安全性問題；著色玻璃、陽光控