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                          中空玻璃節能特性的影響因素分析

                          時間:2021-07-09 14:15:06 點擊:3次

                          一、建筑節能對玻璃性能的要求

                          隨著社會經濟發達程度的提高,建筑能耗在社會總能耗中的所占比例越來越大,目前西方發達國家約為30%~45%,盡管我國經濟發展水平和生活水平都還不高,但這一比例已達到20%~25%,正逐步上升到30%。在一些大城市,夏季空調已成為電力高峰負荷的主要組成部分。不論西方發達國家,還是我國,建筑能耗狀況都是牽動社會經濟發展全局的大問題。按照1986年制定的我國建筑節能分三步走的計劃,當前政府各級節能管理部門正在積極啟動實現第三步節能65%目標的標準編制工作。而在影響建筑能耗的門窗、墻體、屋面、地面四大圍護部件中,門窗的絕熱性能最差,是影響室內熱環境質量和建筑節能的主要因素之一。就我國目前典型的圍護部件而言,門窗的能耗約占建筑圍護部件總能耗的40%~50%。據統計,在采暖或空調的條件下,冬季單玻窗所損失的熱量約占供熱負荷的30%~50%,夏季因太陽輻射熱透過單玻窗射入室內而消耗的冷量約占空調負荷的20%~30%。因此,增強門窗的保溫隔熱性能,減少門窗的能耗,是改善室內熱環境質量和提高建筑節能水平的重要環節。

                          中空玻璃具有突出的保溫隔熱性能,是提高門窗節能水平的重要材料,近些年已經在建筑上得到了極其廣泛的使用。但隨著節能標準的不斷提高,普通的中空玻璃已不能完全滿足節能設計的技術要求。例如在夏熱冬冷地區的節能設計標準中,對大窗墻比的外窗傳熱系數限制指標到了2.5 W/m2K,夏熱冬暖地區這一指標在部分條件下到了2.0 W/m2K。所以我們應該一方面大力推廣Low-E中空玻璃這種具有優良節能特性的新產品,另一方面要深入分析和掌握中空玻璃節能性能的各個影響因素,從玻璃原片、間隔組成和使用環境等方面保證中空玻璃能夠發揮它最佳的節能性能。

                          二、中空玻璃節能特性的基本指標

                          在建筑用中空玻璃諸多的性能指標中,能夠用來判別其節能特性的主要有傳熱系數K和太陽得熱系數SHGC。中空玻璃的傳熱系數K是指在穩定傳熱條件下,玻璃兩側空氣溫度差為1℃時,單位時間內通過1平方米中空玻璃的傳熱量,以W/m2K 表示。K值越低,說明中空玻璃的保溫隔熱性能越好,在使用時的節能效果越顯著。太陽得熱系數SHGC是指在太陽輻射相同的條件下,太陽輻射能量透過窗玻璃進入室內的量與通過相同尺寸但無玻璃的開口進入室內的太陽熱量的比率。玻璃的SHGC值增大時,意味著可以有更多的太陽直射熱量進入室內,減小時則將更多的太陽直射熱量阻擋在室外。SHGC值對節能效果的影響是與建筑物所處的不同氣候條件相聯系的,在炎熱氣候條件下,應該減少太陽輻射熱量對室內溫度的影響,此時需要玻璃具有相對低的SHGC值;在寒冷氣候條件下,應充分利用太陽輻射熱量來提高室內的溫度,此時需要高SHGC值的玻璃。在K值與SHGC值之間,前者主要衡量的是由于溫度差而產生的傳熱過程,后者主要衡量的是由太陽輻射產生的熱量傳遞,實際生活環境中兩種影響同時存在,所以在各建筑節能設計標準中,是通過限定K和SHGC的組合條件來使窗戶達到規定的節能效果。

                          目前,中空玻璃的K值是通過實驗室實際測量得出的,SHGC值是對光譜數據計算得出的。因為K值的實際測量受成本限制難以收集各種類型的大量數據,所以本文的分析過程將采用美國勞倫斯伯克利實驗室開發的Window5.2軟件進行模擬計算。該軟件能夠計算出各種類型玻璃的K值和SHGC值等相關參數,其計算結果可以近似代替實際測量值。為了保證計算結果的一致性,除特殊說明以外,本文在計算分析中采用NFRC系列標準的環境條件設置數據。

                          三、節能指標的影響因素分析

                          1、玻璃的厚度:

                          中空玻璃的傳熱系數,與玻璃的熱阻(玻璃的熱阻為1mK/W)和玻璃厚度的乘積有著直接的聯系。當增加玻璃厚度時,必然會增大該片玻璃對熱量傳遞的阻擋能力,從而降低整個中空玻璃系統的傳熱系數。對具有12 mm空氣間隔層的普通中空玻璃進行計算,當兩片玻璃都為3mm白玻時,K=2.745W/m2K,都為10mm白玻時,K=2.64 W/m2K,降低了3.8%左右,且K值的變化與玻璃厚度的變化基本為直線關系。從計算結果也可以看出,增加玻璃厚度對降低中空玻璃K值的作用不是很大,8+12+8的組合方式比常用的6+12+6組合K值僅降低0.03 W/m2K,對建筑能耗的影響甚微。由吸熱玻璃或鍍膜玻璃組成的中空系統,其變化情況與白玻相近,所以在下面的其它因素分析中將以常用的6mm玻璃為主。

                          當玻璃厚度增加時,太陽光穿透玻璃進入室內的能量將會隨之而減少,從而導致中空玻璃太陽得熱系數的降低。如圖2所示,在由兩片白玻組成中空時,單片玻璃厚度由3mm增加到10mm,SHGC值降低了16%;由綠玻(選用典型參數)+白玻組成中空時,降低了37%左右。不同廠商、不同顏色的吸熱玻璃影響程度將會有所不同,但同一類型中,玻璃厚度對SHGC值的影響都會比較大,同時對可見光透過率的影響也很大。所以,建筑上選用吸熱玻璃組成的中空玻璃時,應根據建筑物能耗的設計參數,在滿足結構要求的前提下,考慮玻璃厚度對室內獲得太陽能強度的影響程度。在鍍膜玻璃組成中空時,厚度會依基片的種類而產生不同程度的影響,但主要的因素將會是膜層的類型。

                          2、玻璃的類型:

                          組成中空的玻璃類型有白玻、吸熱玻璃、陽光控制鍍膜、Low-E玻璃等,以及由這些玻璃所產生的深加工產品。玻璃被熱彎、鋼化后的光學熱工特性會有微小的改變,但不會對中空系統產生明顯的變化,所以此處僅分析未進行深加工的玻璃原片。不同類型的玻璃,在單片使用時的節能特性就有很大的差別,當合成中空時,各種形式的組合也會呈現出不同的變化特性。

                          吸熱玻璃是通過本體著色減小太陽光熱量的透過率、增大吸收率,由于室外玻璃表面的空氣流動速度會大于室內,所以能更多地帶走玻璃本身的熱量,從而減少了太陽輻射熱進入室內的程度。不同顏色類型、不同深淺程度的吸熱玻璃,都會使玻璃的SHGC值和可見光透過率發生很大的改變。但各種顏色系列的吸熱玻璃,其輻射率都與普通白玻相同,約為0.84。所以在相同厚度的情況下,組成中空玻璃時傳熱系數K值是相同的。選取不同廠商的幾種有代表性的6mm厚度吸熱玻璃,中空組合方式為吸熱玻璃+12mm空氣+6mm白玻,表1列出了各項節能特性參數。計算結果表明,吸熱玻璃僅能控制太陽輻射的熱量傳遞,不能改變由于溫度差引起的熱量傳遞。

                          陽光控制鍍膜玻璃是在玻璃表面鍍上一層金屬或金屬化合物膜,膜層不僅使玻璃呈現豐富的色彩,而且更主要的作用就是降低玻璃的太陽得熱系數SHGC值,限制太陽熱輻射直接進入室內。不同類型的膜層會使玻璃的SHGC值和可見光透過率發生很大的變化,但對遠紅外熱輻射沒有明顯的反射作用,所以陽光控制鍍膜玻璃單片或中空使用時,K值與白玻相近。

                          Low-E玻璃是一種對波長范圍4.5~25微米的遠紅外線有很高反射比的鍍膜玻璃。在我們周圍的環境中,由于溫度差引起的熱量傳遞主要集中在遠紅外波段上,白玻、吸熱玻璃、陽光控制鍍膜玻璃對遠紅外熱輻射的反射率很小,吸收率很高,吸收的熱量將會使玻璃自身的溫度提高,這樣就導致熱量再次向溫度低的一側傳遞。與之相反,Low-E玻璃可以將溫度高的一側傳遞過來的80%以上的遠紅外熱輻射反射回去,從而避免了由于自身溫度提高產生的二次熱傳遞,所以Low-E玻璃具有很低的傳熱系數。以耀華生產的在線Low-E玻璃為例,與其它類型玻璃的對比見表2,其中耀華Low-E組合成中空時,傳熱系數可以達到1.9 W/m2K,比普通的白玻中空K值降低了30%。并且Low-E中空玻璃的SHGC值和可見光透過率可以按照節能的需要在生產時進行調節,嚴寒地區使用時可以采用可見光高透型的耀華Low-E中空玻璃,在炎熱地區可以采用具有遮陽效果的耀華Sun-E中空玻璃。

                          3、Low-E玻璃的輻射率:

                          Low-E玻璃的傳熱系數與其膜面的輻射率有著直接的聯系。輻射率越小時,對遠紅外線的反射率越高,玻璃的傳熱系數也會越低。例如,當6mm單片Low-E玻璃的膜面輻射率為0.2時,傳熱系數為3.80 W/m2K;輻射率為0.1時,傳熱系數為3.45 W/m2K。單片玻璃K值的變化必然會引起中空玻璃K值的變化,所以Low-E中空玻璃的傳熱系數會隨著低輻射膜層輻射率的變化而改變。圖3所示的數據為白玻與Low-E玻璃采用6+12+6的組合時,中空K值受膜面輻射率變化的情況??梢钥闯?,當輻射率從0.2降低到0.1時,K值僅降低了0.17 W/m2K。這說明與單片Low-E的變化相比,Low-E中空的K值變化受輻射率的影響不是非常顯著。

                          4、Low-E玻璃鍍膜面位置:

                          由于Low-E玻璃膜面所具有的獨特的低輻射特性,所以在組成中空玻璃時,鍍膜面放置位置的不同將使中空玻璃產生不同的光學特性。以耀華Low-E為例,按照與白玻進行6+12+6的組合方式計算,將鍍膜面放置在4個不同的位置上時(室外為1#位置,室內為4#位置),中空玻璃節能特性的變化如表3所示。根據結果顯示,膜面位置在2#或3#時的中空玻璃K值最小,即保溫隔熱性能最好。3#位置時的太陽得熱系數要大于2#位置,這一區別是在不同氣候條件下使用Low-E玻璃時要注意的關鍵因素。寒冷氣候條件下,在對室內保溫的同時人們希望更多地獲得太陽輻射熱量,此時鍍膜面應位于3#位置;炎熱氣候條件下,人們希望進入室內的太陽輻射熱量越少越好,此時鍍膜面應位于2#位置。

                          如果為了建筑節能或顏色裝飾的設計需要,在炎熱地區采用吸熱玻璃與Low-E玻璃組成中空時,從表3中可以看出,膜面在2#或3#位置時的傳熱系數都是最小,但3#位置的太陽得熱系數比2#位置小得多,此時Low-E膜層應該位于3#位置。

                          5、間隔氣體的類型

                          中空玻璃的導熱系數比單片玻璃低1半左右,這主要是氣體間隔層的作用。中空玻璃內部充填的氣體除空氣以外,還有氬氣、氪氣等惰性氣體。由于氣體的導熱系數很低(空氣0.024W/mK;氬氣0.016W/mK),因此極大地提高了中空玻璃的熱阻性能。6+12+6的白玻中空組合,當充填空氣時K值約為2.7 W/m2K,充填90%氬氣時K值約為2.55 W/m2K,充填100%氬氣時約為2.53 W/m2K,充填100%氪氣時K值約為2.47 W/m2K。兩種惰性氣體相比,氬氣在空氣中的含量豐富,提取比較容易,使用成本低,所以應用較為廣泛。不論填充何種氣體,相同厚度情況下,中空玻璃的SHGC值和可見光透過率基本保持不變。

                          6、氣體間隔層的厚度:

                          常用的中空玻璃間隔層厚度為6mm、9mm、12mm等。氣體間隔層的厚薄與傳熱阻的大小有著直接的聯系。在玻璃材質、密封構造相同的情況下,氣體間隔層越大,傳熱阻越大。但氣體層的厚度達到一定程度后,傳熱阻的增長率就很小了。因為當氣體層厚度增達到一定程度后,氣體在玻璃之間溫差的作用下就會產生一定的對流過程,從而減低了氣體層增厚的作用。如圖4所示,氣體層從1mm增加到9mm時,白玻中空充填空氣時K值下降37%,Low-E中空玻璃充填空氣時K值下降53%,充填氬氣時下降59%。從9mm增加到13mm時,下降速度都開始變緩。13mm以后,K值反而有輕微的回升。所以,對于6mm厚度玻璃中空組合,超過13mm的氣體間隔層厚度再增大不會產生明顯的節能效果。

                          從圖4中我們也可以看出,氣體間隔層增加時,Low-E中空玻璃K值的下降速度比普通中空玻璃要快。這種特性使得在組成三玻中空玻璃時,如果必須采用兩個氣體層不一樣厚度的特殊組合時,Low-E部位的間隔層厚度應不小于白玻部位的間隔層厚度。例如,6mm玻璃中空組合時,白玻+6mm+白玻+12mm+Low-E的K值為1.48 W/m2K;白玻+9mm+白玻+9mm+Low-E的K值為1.54W/m2K;白玻+12mm+白玻+6mm+Low-E的K值為1.70W/m2K。

                          7、間隔條的類型:

                          中空玻璃邊部密封材料的性能對中空玻璃的K值有一定影響。通常情況下,大多數間隔使用鋁條法,雖然重量輕,加工簡單,但其導熱系數大,導致中空玻璃的邊部熱阻降低。在室外氣溫特別寒冷時,室內的玻璃邊部會產生結霜現象。以Swiggle膠條為代表的暖邊密封系統具有更優異的隔熱性能,大大降低了中空玻璃邊部的傳熱系數,有效地較少了邊部結霜現象,同時可以將白玻中空的中央K值降低5%以上,Low-E中空的中央K值降低9%以上。

                          8、中空玻璃的安裝角度:

                          一般情況下,中空玻璃都是垂直放置使用,但目前中空玻璃的應用范圍越來越廣泛,如果應用于溫室或斜坡屋頂時,其角度將會發生改變。當角度變化時,內部氣體的對流狀態也會隨之而改變,這必將影響氣體對熱量的傳遞效果,最終導致中空玻璃的傳熱系數發生變化。以常用的6+12+6白??諝馓畛浣M合形式為例,圖5顯示了不同角度的中空玻璃K值變化情況(注:受不同角度范圍采用不同的計算公式影響,圖中數據僅供分析參考),常用的垂直放置(90°)狀態K值為2.70W/m2K,水平放置(0°)時K值為3.26 W/m2K,增加了21%。所以,當中空玻璃被水平放置使用時,必須考慮K值變大對建筑節能效果的影響。但應注意圖5中的K值變化趨勢是指在室內溫度大于室外溫度的環境條件下,相反條件時變化并不明顯。

                          9、室外風速的變化:

                          在按照國內外標準測試或計算一塊中空玻璃的傳熱系數時,一般都將室內表面的對流換熱設置為自然對流狀態,室外表面為風速在3~5m/s左右的強制對流狀態。但實際安裝到高層建筑上時,玻璃外表面的風速將會隨著高度的增加而增大,使玻璃外表面的換熱能力加強,中空玻璃的傳熱系數會略有增大。對比圖6中的數據,當風速從測試標準采用的5m/s加大到15m/s時,白玻中空的K值增加了0.16 W/m2K,Low-E中空的K值增加了0.1 W/m2K。對于窗墻比數值較小的高層建筑結構,上述K值的變化對節能效果不會產生大的影響,但對于純幕墻的高層建筑來說,為了使頂層房間也能保持良好的熱環境,就應該考慮高空風速變大對節能效果的影響。

                          10、采用不同標準的變化:

                          中空玻璃傳熱系數和SHGC值的測試或模擬計算條件在各個國家的標準中略有不同。美國采用NFRC100和NFRC200,國際ISO標準為ISO15099,歐洲的prEN ISO 10077和prEN 13363標準主要采用了ISO的有關規定,我國的玻璃傳熱系數測試標準為GB8484,在JGJ113-2003中加入了等效于ISO10292的傳熱系數計算條件,按照GB/T2680可以測試或計算玻璃的光學熱工性能。這些標準在測試或模擬計算的環境條件設置上,主要是在室內外溫度差、對流換熱系數(或風速)、太陽輻射強度等方面不完全相同。這將對最終的測試或模擬計算結果產生一定的影響,但通過采用不同標準進行模擬計算的對比表明,不同標準對SHGC值的影響甚微,對傳熱系數K值略有影響。以6+12+6空氣填充的Low-E中空玻璃為例,依據不同標準的環境設置,使用Window5.2計算出的K值結果

                          四、結束語

                          中空玻璃的廣泛應用大大促進了建筑節能的發展步伐,同時建筑節能標準要求的逐步提高也必將促使中空玻璃不斷實現更加優良的節能特性。通過以上對中空玻璃的原片組合、間隔類型、使用環境的詳細數據分析可以得出,影響中空玻璃節能特性的重要因素是玻璃原片的類型和間隔層的厚度及種類。其中,Low-E玻璃以其優異的光學熱工特性使中空玻璃的節能效果得到了巨大的飛躍。全世界Low-E玻璃的年均用量已達1.2億m2,歐洲部分國家正在立法鼓勵使用Low-E玻璃,日本和美國的行業協會都采取一定的措施,鼓勵加大Low-E玻璃的普及程度。我國建筑行業Low-E中空玻璃的應用也處于迅猛發展的勢頭,由耀華生產的在線Low-E系列產品和由南玻、耀皮生產的離線Low-E產品已經在實際應用中實現了良好的節能效果。隨著可持續發展觀念和建筑節能意識的逐步深入,高性能的中空玻璃產品必將得到不斷的發展和擁有更加廣闊的市場前景。

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