中空玻璃節(jié)能特性的影響因素分析

1、中空玻璃節(jié)能特性的影響因素分析摘要 本文通過對(duì)各種類型中空玻璃的傳熱系數(shù)和太陽得熱系數(shù)進(jìn)行大量模擬計(jì)算,分析了原片組合、間隔類型、使用環(huán)境等各方面的相關(guān)因素對(duì)中空玻璃節(jié)能指標(biāo)的影響趨勢(shì)及程度。在此基礎(chǔ)上,探討了建筑和生產(chǎn)設(shè)計(jì)中,應(yīng)正確選用的、能達(dá)到最佳節(jié)能效果的中空玻璃組合方式及使用條件。關(guān)鍵詞 中空玻璃傳熱系數(shù)太陽得熱系數(shù)建筑節(jié)能一、建筑節(jié)能對(duì)玻璃性能的要求隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度的提高,建筑能耗在社會(huì)總能耗中的所占比例越來越大,目前西方發(fā)達(dá)國家約為30%45%,盡管我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和生活水平都還不高,但這一比例已達(dá)到20%25%,正逐步上升到30%。在一些大城市,夏季空調(diào)已成為電力高峰負(fù)荷的主

2、要組成部分。不論西方發(fā)達(dá)國家,還是我國,建筑能耗狀況都是牽動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展全局的大問題。按照1986年制定的我國建筑節(jié)能分三步走的計(jì)劃,當(dāng)前政府各級(jí)節(jié)能管理部門正在積極啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)第三步節(jié)能65%目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)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(hù)部件中,門窗的絕熱性能最差,是影響室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量和建筑節(jié)能的主要因素之一。就我國目前典型的圍護(hù)部件而言,門窗的能耗約占建筑圍護(hù)部件總能耗的40%50%。據(jù)統(tǒng)計(jì),在采暖或空調(diào)的條件下,冬季單玻窗所損失的熱量約占供熱負(fù)荷的30%50%,夏季因太陽輻射熱透過單玻窗射入室內(nèi)而消耗的冷量約占空調(diào)負(fù)荷的20%30%。因此,增強(qiáng)門窗的保溫隔熱性能,減少門

3、窗的能耗,是改善室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量和提高建筑節(jié)能水平的重要環(huán)節(jié)。中空玻璃具有突出的保溫隔熱性能,是提高門窗節(jié)能水平的重要材料,近些年已經(jīng)在建筑上得到了極其廣泛的使用。但隨著節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高,普通的中空玻璃已不能完全滿足節(jié)能設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。例如在夏熱冬冷地區(qū)的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)大窗墻比的外窗傳熱系數(shù)限制指標(biāo)到了2.5 W/m2K,夏熱冬暖地區(qū)這一指標(biāo)在部分條件下到了2.0 W/m2K。所以我們應(yīng)該一方面大力推廣中空玻璃這種具有優(yōu)良節(jié)能特性的新產(chǎn)品,另一方面要深入分析和掌握中空玻璃節(jié)能性能的各個(gè)影響因素,從玻璃原片、間隔組成和使用環(huán)境等方面保證中空玻璃能夠發(fā)揮它最佳的節(jié)能性能。二、中空玻璃節(jié)能特性的

4、基本指標(biāo)在建筑用中空玻璃諸多的性能指標(biāo)中,能夠用來判別其節(jié)能特性的主要有傳熱系數(shù)K和太陽得熱系數(shù)SHGC。中空玻璃的傳熱系數(shù)K是指在穩(wěn)定傳熱條件下,玻璃兩側(cè)空氣溫度差為1時(shí),單位時(shí)間內(nèi)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(shí)的節(jié)能效果越顯著。太陽得熱系數(shù)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(jìn)入室內(nèi)的量與通過相同尺寸但無玻璃的開口進(jìn)入室內(nèi)的太陽熱量的比率。玻璃的SHGC值增大時(shí),意味著可以有更多的太陽直射熱量進(jìn)入室內(nèi),減小時(shí)則將更多的太陽直射熱量阻擋在室外。SHGC值對(duì)節(jié)能效果的影響是與建筑物所處的不同氣候條件相聯(lián)

5、系的,在炎熱氣候條件下,應(yīng)該減少太陽輻射熱量對(duì)室內(nèi)溫度的影響,此時(shí)需要玻璃具有相對(duì)低的SHGC值;在寒冷氣候條件下,應(yīng)充分利用太陽輻射熱量來提高室內(nèi)的溫度,此時(shí)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(chǎn)生的傳熱過程,后者主要衡量的是由太陽輻射產(chǎn)生的熱量傳遞,實(shí)際生活環(huán)境中兩種影響同時(shí)存在,所以在各建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中,是通過限定K和SHGC的組合條件來使窗戶達(dá)到規(guī)定的節(jié)能效果。目前,中空玻璃的K值是通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)際測(cè)量得出的,SHGC值是對(duì)光譜數(shù)據(jù)計(jì)算得出的。因?yàn)镵值的實(shí)際測(cè)量受成本限制難以收集各種類型的大量數(shù)據(jù),所以本文的分析過程將采用美國勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室開

6、發(fā)的Window5.2軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。該軟件能夠計(jì)算出各種類型玻璃的K值和SHGC值等相關(guān)參數(shù),其計(jì)算結(jié)果可以近似代替實(shí)際測(cè)量值。為了保證計(jì)算結(jié)果的一致性,除特殊說明以外,本文在計(jì)算分析中采用NFRC系列標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境條件設(shè)置數(shù)據(jù)。三、節(jié)能指標(biāo)的影響因素分析1、玻璃的厚度:中空玻璃的傳熱系數(shù),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(lián)系。當(dāng)增加玻璃厚度時(shí),必然會(huì)增大該片玻璃對(duì)熱量傳遞的阻擋能力,從而降低整個(gè)中空玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)。對(duì)具有12 mm空氣間隔層的普通中空玻璃進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)兩片玻璃都為3mm白玻時(shí),K=2.745W/m2K,都為10mm白玻時(shí),K=2.64 W/m2

7、K,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(guān)系。從計(jì)算結(jié)果也可以看出,增加玻璃厚度對(duì)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(duì)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(tǒng),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(dāng)玻璃厚度增加時(shí),太陽光穿透玻璃進(jìn)入室內(nèi)的能量將會(huì)隨之而減少,從而導(dǎo)致中空玻璃太陽得熱系數(shù)的降低。如圖2所示,在由兩片白玻組成中空時(shí),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(shù)+白玻組成中空時(shí),降低了37%左右。不

8、同廠商、不同顏色的吸熱玻璃影響程度將會(huì)有所不同,但同一類型中,玻璃厚度對(duì)SHGC值的影響都會(huì)比較大,同時(shí)對(duì)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(shí),應(yīng)根據(jù)建筑物能耗的設(shè)計(jì)參數(shù),在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下,考慮玻璃厚度對(duì)室內(nèi)獲得太陽能強(qiáng)度的影響程度。在鍍膜玻璃組成中空時(shí),厚度會(huì)依基片的種類而產(chǎn)生不同程度的影響,但主要的因素將會(huì)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(chǎn)生的深加工產(chǎn)品。玻璃被熱彎、鋼化后的光學(xué)熱工特性會(huì)有微小的改變,但不會(huì)對(duì)中空系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的變化,所以此處僅分析未進(jìn)行深加工的玻璃原片。

9、不同類型的玻璃,在單片使用時(shí)的節(jié)能特性就有很大的差別,當(dāng)合成中空時(shí),各種形式的組合也會(huì)呈現(xiàn)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(dòng)速度會(huì)大于室內(nèi),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(jìn)入室內(nèi)的程度。不同顏色類型、不同深淺程度的吸熱玻璃,都會(huì)使玻璃的SHGC值和可見光透過率發(fā)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(shí)傳熱系數(shù)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

10、各項(xiàng)節(jié)能特性參數(shù)。計(jì)算結(jié)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。表1 不同類型吸熱玻璃對(duì)中空節(jié)能特性的影響 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(xiàn)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(shù)SHGC值,限制太陽熱輻射直接進(jìn)入室內(nèi)。不同類型的膜層會(huì)使玻璃的SHGC值和可見光透過率發(fā)生很大的變化,但對(duì)遠(yuǎn)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(shí),K值與白玻相近。Low-E玻璃是一種對(duì)波長范圍4.525微米的遠(yuǎn)紅外線有很高反射比的鍍膜玻璃。在我們周圍的環(huán)境中,由于溫度差引起的熱量傳遞主要集中在

11、遠(yuǎn)紅外波段上,白玻、吸熱玻璃、陽光控制鍍膜玻璃對(duì)遠(yuǎn)紅外熱輻射的反射率很小,吸收率很高,吸收的熱量將會(huì)使玻璃自身的溫度提高,這樣就導(dǎo)致熱量再次向溫度低的一側(cè)傳遞。與之相反,Low-E玻璃可以將溫度高的一側(cè)傳遞過來的80%以上的遠(yuǎn)紅外熱輻射反射回去,從而避免了由于自身溫度提高產(chǎn)生的二次熱傳遞,所以Low-E玻璃具有很低的傳熱系數(shù)。3、Low-E玻璃的輻射率:Low-E玻璃的傳熱系數(shù)與其膜面的輻射率有著直接的聯(lián)系。輻射率越小時(shí),對(duì)遠(yuǎn)紅外線的反射率越高,玻璃的傳熱系數(shù)也會(huì)越低。例如,當(dāng)6mm單片Low-E玻璃的膜面輻射率為0.2時(shí),傳熱系數(shù)為3.80 W/m2K;輻射率為0.1時(shí),傳熱系數(shù)為3.45

12、W/m2K。單片玻璃K值的變化必然會(huì)引起中空玻璃K值的變化,所以Low-E中空玻璃的傳熱系數(shù)會(huì)隨著低輻射膜層輻射率的變化而改變。圖3所示的數(shù)據(jù)為白玻與Low-E玻璃采用6+12+6的組合時(shí),中空K值受膜面輻射率變化的情況?？梢钥闯?當(dāng)輻射率從0.2降低到0.1時(shí),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(dú)特的低輻射特性,所以在組成中空玻璃時(shí),鍍膜面放置位置的不同將使中空玻璃產(chǎn)生不同的光學(xué)特性。以耀華Low-E為例,按照與白玻進(jìn)行6+12+6的組合方式計(jì)算

13、,將鍍膜面放置在4個(gè)不同的位置上時(shí)(室外為1#位置,室內(nèi)為4#位置,中空玻璃節(jié)能特性的變化如表3所示。根據(jù)結(jié)果顯示,膜面位置在2#或3#時(shí)的中空玻璃K值最小,即保溫隔熱性能最好。3#位置時(shí)的太陽得熱系數(shù)要大于2#位置,這一區(qū)別是在不同氣候條件下使用Low-E玻璃時(shí)要注意的關(guān)鍵因素。寒冷氣候條件下,在對(duì)室內(nèi)保溫的同時(shí)人們希望更多地獲得太陽輻射熱量,此時(shí)鍍膜面應(yīng)位于3#位置;炎熱氣候條件下,人們希望進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射熱量越少越好,此時(shí)鍍膜面應(yīng)位于2#位置。表3 Low-E玻璃膜面位置對(duì)節(jié)能的影響 如果為了建筑節(jié)能或顏色裝飾的設(shè)計(jì)需要,在炎熱地區(qū)采用吸熱玻璃與Low-E玻璃組成中空時(shí),從表3中可以看

14、出,膜面在2#或3#位置時(shí)的傳熱系數(shù)都是最小,但3#位置的太陽得熱系數(shù)比2#位置小得多,此時(shí)Low-E膜層應(yīng)該位于3#位置。5、間隔氣體的類型中空玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)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(nèi)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(dǎo)熱系數(shù)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(dāng)充填空氣時(shí)K值約為2.7 W/m2K,充填90%氬氣時(shí)K值約為2.55 W/m2K,充填100%氬氣時(shí)約為2.53 W/m2K,充填100%氪氣時(shí)K值約為2.47 W/m2K。兩種惰性氣體相比,

15、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(yīng)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(lián)系。在玻璃材質(zhì)、密封構(gòu)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(dá)到一定程度后,傳熱阻的增長率就很小了。因?yàn)楫?dāng)氣體層厚度增達(dá)到一定程度后,氣體在玻璃之間溫差的作用下就會(huì)產(chǎn)生一定的對(duì)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(shí),白玻中空充填空氣時(shí)K值下降37%,Low-E中空玻璃充填空

16、氣時(shí)K值下降53%,充填氬氣時(shí)下降59%。從9mm增加到13mm時(shí),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(duì)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(huì)產(chǎn)生明顯的節(jié)能效果。 從圖 4 中我們也可以看出，氣體間隔層增加時(shí)，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(shí)，如果必須采用兩個(gè)氣 體層不一樣厚度的特殊組合時(shí)，Low-E 部位的間隔層厚度應(yīng)不小于白玻部位的間隔 層厚度。例如，6mm 玻璃中空組合時(shí)，白玻+6mm+白玻+12mm+Low-E 的 K 值為 1.48 W/m2K；白玻+9mm+白玻+9m

17、m+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(duì)中空玻璃的 K 值有一定影響。通常情況下，大多 數(shù)間隔使用鋁條法，雖然重量輕，加工簡(jiǎn)單，但其導(dǎo)熱系數(shù)大，導(dǎo)致中空玻璃的邊 部熱阻降低。在室外氣溫特別寒冷時(shí)，室內(nèi)的玻璃邊部會(huì)產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象。以 Swiggle 膠條為代表的暖邊密封系統(tǒng)具有更優(yōu)異的隔熱性能，大大降低了中空玻璃邊部的傳 熱系數(shù)，有效地較少了邊部結(jié)霜現(xiàn)象，同時(shí)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。 表 4 各

18、種邊部密封材料的導(dǎo)熱系數(shù) 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(yīng)用范圍越來越廣 泛，如果應(yīng)用于溫室或斜坡屋頂時(shí)，其角度將會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)角度變化時(shí)，內(nèi)部氣 體的對(duì)流狀態(tài)也會(huì)隨之而改變，這必將影響氣體對(duì)熱量的傳遞效果，最終導(dǎo)致中空 玻璃的傳熱系數(shù)發(fā)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(jì)算公式 影響，圖中數(shù)據(jù)僅供分析參考） ，常用的垂直放置（90）狀態(tài) K 值為 2.70W/m2K， 水平放置（0）時(shí) K 值為 3.26 W/m2K，增加了 21%。所以，

19、當(dāng)中空玻璃被水平放 置使用時(shí)，必須考慮 K 值變大對(duì)建筑節(jié)能效果的影響。但應(yīng)注意圖 5 中的 K 值變化 趨勢(shì)是指在室內(nèi)溫度大于室外溫度的環(huán)境條件下，相反條件時(shí)變化并不明顯。 9、室外風(fēng)速的變化： 在按照國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試或計(jì)算一塊中空玻璃的傳熱系數(shù)時(shí)，一般都將室內(nèi)表面的 對(duì)流換熱設(shè)置為自然對(duì)流狀態(tài)，室外表面為風(fēng)速在 35m/s 左右的強(qiáng)制對(duì)流狀態(tài)。但 實(shí)際安裝到高層建筑上時(shí)，玻璃外表面的風(fēng)速將會(huì)隨著高度的增加而增大，使玻璃 外表面的換熱能力加強(qiáng)，中空玻璃的傳熱系數(shù)會(huì)略有增大。對(duì)比圖 6 中的數(shù)據(jù)，當(dāng) 風(fēng)速從測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)采用的 5m/s 加大到 15m/s 時(shí)， 白玻中空的 K 值增加了 0.16 W

20、/m2K， Low-E 中空的 K 值增加了 0.1 W/m2K。對(duì)于窗墻比數(shù)值較小的高層建筑結(jié)構(gòu)，上述 K 值的變化對(duì)節(jié)能效果不會(huì)產(chǎn)生大的影響，但對(duì)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(huán)境，就應(yīng)該考慮高空風(fēng)速變大對(duì)節(jié)能效果的影響。 10、采用不同標(biāo)準(zhǔn)的變化： 中空玻璃傳熱系數(shù)和 SHGC 值的測(cè)試或模擬計(jì)算條件在各個(gè)國家的標(biāo)準(zhǔn)中略有不 同。 美國采用 NFRC100 和 NFRC200， 國際 ISO 標(biāo)準(zhǔn)為 ISO15099， 歐洲的 prEN ISO 10077 和 prEN 13363 標(biāo)準(zhǔn)主要采用了 ISO 的有關(guān)規(guī)定，我國的玻璃傳熱系數(shù)測(cè)試標(biāo) 準(zhǔn)為 GB8484，在 JGJ113-2003 中加入了等效于 ISO10292 的傳熱系數(shù)計(jì)算條件，按 照 GB/T2680 可以