建筑玻璃在公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的選擇

1、建筑玻璃在公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)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(guó)的能源消耗非常巨大，而建筑耗能占全國(guó)總能耗的1/41/3，為實(shí)現(xiàn)國(guó)家節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的戰(zhàn)略，實(shí)施建筑節(jié)能勢(shì)在必行。我國(guó)的公共建筑數(shù)量多，建筑規(guī)模大，耗能十分巨大，浪費(fèi)也很嚴(yán)重。在公共建筑的全年能耗中，大約50%60%消耗于空調(diào)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(hù)結(jié)構(gòu)傳熱所消耗，其中嚴(yán)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(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，通過(guò)玻璃傳遞的熱量遠(yuǎn)高于其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)代化公共建筑中，大面積采用玻璃已成為趨勢(shì)，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(shè)計(jì)玻璃，使得通過(guò)玻璃損失的能耗達(dá)到最小，滿足公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB50189的規(guī)定，符合國(guó)家節(jié)能設(shè)計(jì)要求，是公共建筑設(shè)計(jì)必須解決的重要問(wèn)題之一。本文就玻璃在公共建筑上的正確應(yīng)用與選擇進(jìn)行探討，以推動(dòng)玻璃在公共建筑上的應(yīng)用。2自然界的熱量形式對(duì)于建筑物來(lái)說(shuō)，自然界中有兩種熱量形式，其一是太陽(yáng)輻射，能量主要集中在0.32.5m波段之間，其中可見(jiàn)光占46%，近紅外線占44%，其他為紫外線和遠(yuǎn)紅外線，各占7%和3%。其二是環(huán)境熱量，其熱能形式為遠(yuǎn)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(yáng)光照射后

3、的物體吸收太陽(yáng)能量后以遠(yuǎn)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(yuǎn)紅外形式發(fā)出的能量。在室外，這部分能量主要是被陽(yáng)光照射后的物體吸收太陽(yáng)能量后以遠(yuǎn)紅外線形式發(fā)出的能量。太陽(yáng)輻射光譜曲線和熱輻射光譜曲線見(jiàn)圖1。圖1 太陽(yáng)輻射光譜曲線和熱輻射光譜曲線3玻璃傳熱機(jī)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(jiàn)光和近紅外線，剛好覆蓋太陽(yáng)光譜，因此普通浮法玻璃可透過(guò)太陽(yáng)光能量的80%左右。對(duì)于環(huán)境熱量，即550m波段的遠(yuǎn)紅外線，普通浮法玻璃是不透明的，其透過(guò)率為0，其反射率也非常低，但其吸收率非常高，可達(dá)83.7%。玻璃吸收遠(yuǎn)紅外線后再以遠(yuǎn)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(guò)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(jiàn)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(duì)上述兩種熱量的傳遞機(jī)理，玻璃的熱工性能用兩個(gè)參數(shù)來(lái)表征，其一是傳熱系數(shù)U值，它是用來(lái)表征當(dāng)室內(nèi)溫度與室外溫度不相等時(shí)，通過(guò)單位面積、單位溫差條件下、單位時(shí)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(yáng)系數(shù)，它是玻璃的太陽(yáng)能總透過(guò)率與3mm厚無(wú)色透明玻璃太陽(yáng)能總透過(guò)率的比值，即玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)定義為這里的

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

6、光能量越多，越有利于建筑物冬季采暖節(jié)能。而對(duì)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(qiáng)烈，建筑物制冷能耗非常高，玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)越低，透過(guò)玻璃傳遞的太陽(yáng)光能量越少，越有利于建筑物制冷節(jié)能。但玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)也不能太低，否則無(wú)法達(dá)到建筑物白天自然采光的目的。因此對(duì)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(yáng)系數(shù)存在一個(gè)合理限值，過(guò)大和過(guò)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(dǎo)熱系數(shù)為1w/mK，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.024 w/mK，氬氣的導(dǎo)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(duì)遠(yuǎn)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(guò)玻璃進(jìn)行傳遞，其光譜曲線見(jiàn)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB50189的要求，在嚴(yán)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于我國(guó)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(yīng)降低建筑玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)，公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB50189對(duì)應(yīng)用于夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)的建筑玻璃遮陽(yáng)系數(shù)有明確規(guī)定。降低玻璃遮陽(yáng)系數(shù)的方法很多，如采用著色玻璃、陽(yáng)光控制鍍膜玻璃和Low-e玻璃，他們的太陽(yáng)光譜透過(guò)率曲線見(jiàn)圖5。圖5 不同玻璃太陽(yáng)光譜透過(guò)率曲線著色玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)可降至0.550.85，陽(yáng)光控制鍍膜玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)可降至0.250.55，由他們組合成的中空玻璃，

9、其遮陽(yáng)系數(shù)可降低進(jìn)一步下降，但著色玻璃和陽(yáng)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(yáng)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB50189在任何地區(qū)對(duì)玻璃傳熱系數(shù)和遮陽(yáng)系數(shù)的要求。此外，彩鈾玻璃和建筑遮陽(yáng)系統(tǒng)也可顯著降低玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)，究竟采用何種遮陽(yáng)方式，應(yīng)結(jié)合建筑學(xué)綜合考慮決定。5結(jié)束語(yǔ)自公元79年人類第一次將玻璃應(yīng)用于建筑以來(lái)，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(wèn)題；鋼化玻璃和夾層玻璃的發(fā)明，解決了建筑玻璃應(yīng)用的安全性問(wèn)題；著色玻璃、陽(yáng)光控