真空玻璃热工参数与建筑节能

　　我国建筑能耗占全国总能耗30%以上，而且此比例还在不断上升。每年我国竣工建筑面积为20亿平方米，其中95%以上是高能耗建筑。我国单位建筑面积能耗是发达国家的2-3倍以上，而窗户是建筑围护结构的开口部，是建筑能耗的关键部位，窗户能耗占整个建筑能耗的一半左右，改进窗户的节能是提高建筑节能水平有效、快捷的措施。


    玻璃占整窗面积80%以上，而具有多种优点的玻璃幕墙更是成为墙的主体，但已建成的许多玻璃幕墙保温隔热性能差成为一大弱点，影响其推广使用。所以提高玻璃的保温隔热性能更是重中之重。


    通过建筑物玻璃的传热途径有二：一是由内外温差引起的传热QT，二是太阳辐射引入的热量Qe，二者之和称为相对增热，用RHG表示：

    RHG= QT +Qe=K(T0-Ti)+Se×SHGF

    式中K为传热系数，也称K值，其含义是当室内外温差为1度时，单位时间通过1㎡面积玻璃从室内空气传到室外空气的热量，我国法定计量单位为Wm-2K-1。T0为室外温度，Ti为室内温度，Se为遮阳系数，其含义是透过玻璃的太阳辐射总透射比与3mm厚普通平板玻璃的太阳辐射总透射比的比值。Se值越高，说明透过的太阳辐射比例越高。SHGF为太阳辐射得热因子，其含义是当时当地，单位时间内透过3mm厚普通玻璃的太阳辐射能量。


    如果以室外向室内传热为正，则上式中当T0＞Ti时（例如夏季）第一项为正，表明热量从室外传入室内，当T0＜Ti时（例如冬季）则第一项为负，表明热量从室内传到室外。对于大多数地区，只要室内外温差较大且持续时间较长，为了减少能耗，K值总是越小越好。特别是门窗的K值要与当地墙体的K值相匹配，才能有效节能。


    由于太阳辐射是由外向内的，所以上式中第二项总是正值。要根据地区、朝向等因素来选取玻璃的Se参数。例如在太阳辐射强（SHGF高）的气候炎热地区，应选Se低的遮阳型玻璃。以减少太阳能进入，节省空调能耗；在太阳辐射弱（SHGF低）的气候寒冷地区，应选Se高的高透型玻璃，增加太阳能进入，节省取暖能耗。


    真空玻璃是一种新型节能玻璃，其结构如图1所示。它基于保温瓶原理，将两片玻璃四周密封，中间间隔为0.1-0.2mm的薄真空层。由于没有气体传热，内表面又有起保温瓶银膜作用的透明低辐射膜，使真空玻璃的保温隔热性能远优于目前已广泛使用的“中空”玻璃。标准真空玻璃和组合真空玻璃的K值已经低于目前大量使用的墙体材料的K值，但其厚度只有后者的数十分之一。


    隔热性能优良的标准真空玻璃通过“真空+中空”组合或“真空+夹胶”组合构成“安全真空玻璃”。作为幕墙玻璃使用，解决了玻璃幕墙保温隔热的问题。真空玻璃配以优良的窗框和密封材料就可以构成优良的节能窗。2006年6月北京顺达墨瑟门窗制作有限公司利用新立基公司生产的L4+0.15V+N4+15A+N6组合真空玻璃配以该公司的木窗框，制成1400×1200mm的木窗，经国家建筑材料工业建筑五金水暖产品质量监督检验测试中心检测，传热系数（K值）为0.8 Wm-2K-1，达到国标GB/T8484-2002第10级。


    对于相对增热RHG中太阳辐射热的控制，可以选择不同性能的LOW-E玻璃来制作真空玻璃，以得到不同的遮阳系数Se。表2列出了几种浮法白玻和LOW-E玻璃的太阳辐射参数，表3列出了用表2中的玻璃制作的四种真空玻璃的太阳辐射参数。不同的LOW-E膜的遮阳系数是不同的，遮阳系数高的称为高透膜，有的产品Se比表1中所列的还要低，称为阳光控制膜。不同玻璃制成的真空玻璃的遮阳系数是不同的，而且同一种真空玻璃安装时LOW-E膜放在从外向内数的第2表面还是第3表面的Se也是不同的。太阳辐射得热系数SHGC也称太阳辐射总透射比g，表示通过玻璃进入室内的太阳辐射能量与入射总能量之比。此数值越高，说明进入室内的太阳能比例越高。因此可以通过选择不同类别的真空玻璃和安装方式来控制太阳辐射得热，达到节能的目的，比如在太阳辐射强的热带地区，应选择遮阳系数低的LOW-E膜，并按A方式安装，以减少太阳得热，降低空调能耗。由于LOW-E膜的光学性质不同，即使K值相近的真空玻璃其辐射特性也会有较大区别。可见光透射比影响建筑物的采光，可见光反射比太高会形成“光污染”；紫外线特性影响室内的紫外辐照,而膜的位置也会影响建筑物的外观颜色，以上这些因素应在设计时综合考虑。


    按美国采暖制冷空调工程师协会（ASHRAE）标准计算，夏季室外温度31.7℃，室内温度23.9℃。当太阳辐射通量Φe为783Wm-2 ,3mm玻璃透过率τs=0.87，太阳辐射得热因子SHGF=τsΦe，则此真空玻璃按A方式安装的相对增热：  

    RHG=K△T+Se×SHGF=K?T+ SeτsΦe
     =6.71+313.7=+320.4(Wm-2)
　　正号表示热功率从室外传向室内，是“得热”。

    此相对增热中将近98%是太阳辐射（计算中的第二项）引起的。

    按ASHRAE标准，冬季夜间室外温度-17.8℃，室内温度21.1℃，此时相对增热：

    RHG= K△T=0.86×(-17.8-21.1)=-33（Wm-2）
    负号表示热功率从室内传向室外，是“失热”。


    使用这种LOW-E真空玻璃在冬季特别是寒冷地区优势明显，在阳光充足地区或阳光照射时间长的立面，夏季得热仍较大，还需采用遮阳措施或采用遮阳系数更低的LOW-E真空玻璃。


    但是应该指出，表4所列出的这些按标准规定计算的结果，使各种玻璃的性能具有可比性，但实际上通过建筑物玻璃的热交换量除和玻璃本身的参数（如K值和遮阳系数Se等）有关外，还取决于各种环境因素（比如建筑物所在位置的地理、气候、日照条件等）及建筑物本身的特性（如朝向、高度等）。环境因素则千变万化，比如太阳辐射通量Φe就不可能是一恒定数值，也不可能总是高达ASHRAE标准规定的783Wm-2。因此，建筑物能耗在建工行业有一套专业的标准和测算方法，可以更接近实际地估算出建筑物的能耗情况。


    真空玻璃产品已成功应用于北京天恒大厦等十多个建成项目，其中以天恒大厦最受世人瞩目。该大厦是世界第一座全真空玻璃办公大厦，也是世界第一次把真空玻璃用作大面积幕墙的建筑。总建筑面积57238平方米，地上22层，西、北立面采用半隐框真空玻璃幕墙7000平方米，东、南立面采用真空玻璃铝合金断热窗2500平方米，真空玻璃采用“中空+真空+中空”安全组合玻璃，经国家建筑工程质量监督检验中心检测，K值为1.0 Wm-2K-1，超过国标GB/T8484-2002保温窗最高级10级的标准。遮蔽系数为0.56。经专家计算，与安装其它各种玻璃相比，该大厦每年可节省电费开支最低62万元，最高423万元。


    综上所述，可以得到如下结论：

    1、真空玻璃与节能相关的热工参数目前已达到相当优良的水平，在建筑节能中崭露头角。

    2、真空玻璃与节能相关的热工参数特别取决于镀膜的参数，随着镀膜技术的发展，K值更低，遮阳系数各异的真空玻璃将不断更新现有的参数，达到更佳的节能效果。

    3、真空玻璃不排斥中空玻璃、夹胶玻璃等深加工技术，各种技术的结合将出现隔热、隔声性能更佳的组合安全真空玻璃，可满足建筑门窗幕墙的各种要求。

    4、真空玻璃目前仍是玻璃深加工行业中的新生儿，应在政府政策方针的支持扶持下，加快产业化的进度，让质量更好、价格更低的产品大量面世，促进我国建筑节能事业的发展。 

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