建筑玻璃在公共建筑节能设计中的选择

1．前言 我国的能源消耗非常巨大，而建筑耗能占全国总能耗的1/4~1/3，为实现国家节约能源和保护环境的战略，实施建筑节能势在必行。我国的公共建筑数量多，建筑规模大，耗能十分巨大，浪费也很严重。在公共建筑的全年能耗中，大约50%~60%消耗于空调制冷与采暖系统，而在这部分能耗中，大约20%~50%是由外围护结构传热所消耗，其中严寒地区约为50%，寒冷地区约为40%，夏热冬冷地区约为35%，夏热冬暖地区约为20%。在整个围护结构中，通过玻璃传递的热量远高于其他围护结构。在现代化公共建筑中，大面积采用玻璃已成为趋势，在玻璃幕墙和门窗中，玻璃面积与框材比较占控制地位，是玻璃幕墙和门窗传热的主要部位，因此如何正确地选择设计玻璃，使得通过玻璃损失的能耗达到最小，满足《公共建筑节能设计标准》GB50189的规定，符合国家节能设计要求，是公共建筑设计必须解决的重要问题之一。本文就玻璃在公共建筑上的正确应用与选择进行探讨，以推动玻璃在公共建筑上的应用。 2．自然界的热量形式 对于建筑物来说，自然界中有两种热量形式，其一是太阳辐射，能量主要集中在0.3~2.5μm波段之间，其中可见光占46%，近红外线占44%，其他为紫外线和远红外线，各占7%和3%。其二是环境热量，其热能形式为远红外线，能量主要集中在5~50μm波段之间，在室内，这部分能量主要是被阳光照射后的物体吸收太阳能量后以远红外线形式发出的能量及家用电器、采暖系统和人体等以远红外形式发出的能量。在室外，这部分能量主要是被阳光照射后的物体吸收太阳能量后以远红外线形式发出的能量。太阳辐射光谱曲线和热辐射光谱曲线见图1。 图1 太阳辐射光谱曲线和热辐射光谱曲线 3．玻璃传热机理 普通浮法玻璃是透明材料，其透明的光谱范围是0.3―4μm，即可见光和近红外线，刚好覆盖太阳光谱，因此普通浮法玻璃可透过太阳光能量的80%左右。 对于环境热量，即5―50μm波段的远红外线，普通浮法玻璃是不透明的，其透过率为0，其反射率也非常低，但其吸收率非常高，可达83.7%。玻璃吸收远红外线后再以远红外线的形式向室内外二次辐射，由于玻璃的室外表面换热系数是室内表面换热系数的三倍左右，玻璃吸收的环境热量75%左右传到室外，25%左右传到室内。在冬季，室内环境热量就是通过玻璃先吸收后辐射的形式，将室内的热量传到室外。普通浮法玻璃的光谱曲线见图2。 图2 普通浮法玻璃的光谱曲线 4．建筑玻璃热工性能表征 针对上述两种热量的传递机理，玻璃的热工性能用两个参数来表征，其一是传热系数U值，它是用来表征当室内温度 与室外温度 不相等时，通过单位面积、单位温差条件下、单位时间内，玻璃传递的热量定义为玻璃的传热系数 式中q1――由室外传入室内的热量。 其二是遮阳系数 ，它是玻璃的太阳能总透过率与3mm厚无色透明玻璃太阳能总透过率的比值，即玻璃的遮阳系数定义为 这里的 包括太阳光的直接透射率和玻璃吸收太阳光后以热辐射的形式向室内的二次透射率，见图3。 图3 6mm厚浮法玻璃的光谱 传热系数是围护材料通用参数，玻璃的传热系数越低，通过玻璃传递的环境热量越少，无论是冬季还是夏季，无论在严寒地区还是夏热冬暖地区，玻璃的传热系数越低，越有利于建筑物节能。遮阳系数是玻璃作为围护材料的特殊参量，遮阳系数越低，透过玻璃传递的太阳光能量越少。遮阳系数并不是越低越有利于建筑物节能，因为对于严寒地区，冬季漫长寒冷，人们希望通过玻璃大量获得太阳光能量来降低建筑物采暖能耗，对于所有地区，都存在通过玻璃达到建筑物白天自然采光的目的，因此对于严寒地区，玻璃的遮阳系数越高，透过玻璃传递的太阳光能量越多，越有利于建筑物冬季采暖节能。而对于寒冷地区、夏热冬冷地区，特别是夏热冬暖地区，夏季日照强烈，建筑物制冷能耗非常高，玻璃的遮阳系数越低，透过玻璃传递的太阳光能量越少，越有利于建筑物制冷节能。但玻璃的遮阳系数也不能太低，否则无法达到建筑物白天自然采光的目的。因此对于寒冷地区、夏热冬冷地区和夏热冬暖地区，玻璃的遮阳系数存在一个合理限值，过大和过小都不利于建筑物综合节能和创建舒适的室内光环境。 5．节能建筑玻璃种类和选择 玻璃的导热系数为1w/mK，而空气的导热系数为0.024 w/mK，氩气的导热系数为0.016 w/mK，因此由两片或多片玻璃和空气层组成的中空玻璃其传热系数降低很多，如普通单片浮法玻璃的传热系数为5.2―6.0 w/m2K，而普通中空玻璃的传热系数降至2.5―3.2 w/m2K，充氩气后，中空玻璃的传热系数一般可再降0.2―0.3 w/m2K。要想获得更低的传热系数，可采用Low-e中空玻璃。Low-e玻璃与普通浮法玻璃相比，其主要特征是对远红外线不再是高吸收，而是高反射，因此可阻止环境热量通过玻璃进行传递，其光谱曲线见图4。 图4 Low-e玻璃光谱曲线 采用Low-e玻璃组成的中空玻璃，其传热系数一般可降低至1.5―2.1 w/m2K。依据《公共建筑节能设计标准》GB50189的要求，在严寒地区，依据不同的体型系数和窗墙比，传热系数限值为1.5~3.2W/(m2K)。普通中空玻璃的传热系数为2.5~3.5W/(m2K)，只能部分满足节能设计要求，Low-E中空玻璃的传热系数一般为1.5~2.