真空玻璃熱工參數與建筑節能

　　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達國家的2-3倍以上，而窗戶是建筑圍護結構的開口部，是建筑能耗的關鍵部位，窗戶能耗占整個建筑能耗的一半左右，改進窗戶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，而具有多種優點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，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，二是太陽輻射引入的熱量Qe，二者之和稱為相對增熱，用RHG表示：

    RHG= QT +Qe=K(T0-Ti)+Se×SHGF

    式中K為傳熱系數，也稱K值，其含義是當室內外溫差為1度時，單位時間通過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為遮陽系數，其含義是透過玻璃的太陽輻射總透射比與3mm厚普通平板玻璃的太陽輻射總透射比的比值。Se值越高，說明透過的太陽輻射比例越高。SHGF為太陽輻射得熱因子，其含義是當時當地，單位時間內透過3mm厚普通玻璃的太陽輻射能量。


    如果以室外向室內傳熱為正，則上式中當T0＞Ti時（例如夏季）第一項為正，表明熱量從室外傳入室內，當T0＜Ti時（例如冬季）則第一項為負，表明熱量從室內傳到室外。對于大多數地區，只要室內外溫差較大且持續時間較長，為了減少能耗，K值總是越小越好。特別是門窗的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、朝向等因素來選取玻璃的Se參數。例如在太陽輻射強（SHGF高）的氣候炎熱地區，應選Se低的遮陽型玻璃。以減少太陽能進入，節省空調能耗；在太陽輻射弱（SHGF低）的氣候寒冷地區，應選Se高的高透型玻璃，增加太陽能進入，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。


    隔熱性能優良的標準真空玻璃通過“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題。真空玻璃配以優良的窗框和密封材料就可以構成優良的節能窗。2006年6月北京順達墨瑟門窗制作有限公司利用新立基公司生產的L4+0.15V+N4+15A+N6組合真空玻璃配以該公司的木窗框，制成1400×1200mm的木窗，經國家建筑材料工業建筑五金水暖產品質量監督檢驗測試中心檢測，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中太陽輻射熱的控制，可以選擇不同性能的LOW-E玻璃來制作真空玻璃，以得到不同的遮陽系數Se。表2列出了幾種浮法白玻和LOW-E玻璃的太陽輻射參數，表3列出了用表2中的玻璃制作的四種真空玻璃的太陽輻射參數。不同的LOW-E膜的遮陽系數是不同的，遮陽系數高的稱為高透膜，有的產品Se比表1中所列的還要低，稱為陽光控制膜。不同玻璃制成的真空玻璃的遮陽系數是不同的，而且同一種真空玻璃安裝時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。太陽輻射得熱系數SHGC也稱太陽輻射總透射比g，表示通過玻璃進入室內的太陽輻射能量與入射總能量之比。此數值越高，說明進入室內的太陽能比例越高。因此可以通過選擇不同類別的真空玻璃和安裝方式來控制太陽輻射得熱，達到節能的目的，比如在太陽輻射強的熱帶地區，應選擇遮陽系數低的LOW-E膜，并按A方式安裝，以減少太陽得熱，降低空調能耗。由于LOW-E膜的光學性質不同，即使K值相近的真空玻璃其輻射特性也會有較大區別。可見光透射比影響建筑物的采光，可見光反射比太高會形成“光污染”；紫外線特性影響室內的紫外輻照,而膜的位置也會影響建筑物的外觀顏色，以上這些因素應在設計時綜合考慮。


    按美國采暖制冷空調工程師協會（ASHRAE）標準計算，夏季室外溫度31.7℃，室內溫度23.9℃。當太陽輻射通量Φe為783Wm-2 ,3mm玻璃透過率τs=0.87，太陽輻射得熱因子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勢明顯，在陽光充足地區或陽光照射時間長的立面，夏季得熱仍較大，還需采用遮陽措施或采用遮陽系數更低的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，但實際上通過建筑物玻璃的熱交換量除和玻璃本身的參數（如K值和遮陽系數Se等）有關外，還取決于各種環境因素（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）。環境因素則千變萬化，比如太陽輻射通量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有一套專業的標準和測算方法，可以更接近實際地估算出建筑物的能耗情況。


    真空玻璃產品已成功應用于北京天恒大廈等十多個建成項目，其中以天恒大廈最受世人矚目。該大廈是世界第一座全真空玻璃辦公大廈，也是世界第一次把真空玻璃用作大面積幕墻的建筑。總建筑面積57238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鋁合金斷熱窗2500平方米，真空玻璃采用“中空+真空+中空”安全組合玻璃，經國家建筑工程質量監督檢驗中心檢測，K值為1.0 Wm-2K-1，超過國標GB/T8484-2002保溫窗最高級10級的標準。遮蔽系數為0.56。經專家計算，與安裝其它各種玻璃相比，該大廈每年可節省電費開支最低62萬元，最高423萬元。


    綜上所述，可以得到如下結論：

    1、真空玻璃與節能相關的熱工參數目前已達到相當優良的水平，在建筑節能中嶄露頭角。

    2、真空玻璃與節能相關的熱工參數特別取決于鍍膜的參數，隨著鍍膜技術的發展，K值更低，遮陽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，各種技術的結合將出現隔熱、隔聲性能更佳的組合安全真空玻璃，可滿足建筑門窗幕墻的各種要求。

    4、真空玻璃目前仍是玻璃深加工行業中的新生兒，應在政府政策方針的支持扶持下，加快產業化的進度，讓質量更好、價格更低的產品大量面世，促進我國建筑節能事業的發展。 

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