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1 引言
我國是世界上年新建建筑量最大的國家,每年約有20億m2 新建筑竣工,消耗的標準煤約6億t,建筑能耗占國家總能耗的30%左右。建筑在CO2排放總量中,幾乎占了50%。目前,國內大多數建筑還都屬于高能耗建筑,民用建筑(詞條“民用建筑”由行業大百科提供)和公共建筑單位能耗水平是歐洲的4 倍、美國的3 倍。中國既有400 多億平方米的建筑中,90%以上用的是不節能的玻璃。另外,數十億平方米的公共建筑和數以千萬平方米的玻璃幕墻,絕大多數用的也是非節能單片玻璃或普通的雙層玻璃。
在世界能源越來越緊張的今天,建筑節能日益受到各國的重視,建筑節能在滿足建筑環境要求的基礎上降低運行能耗,已經成為建筑可持續發展的重要課題。低輻射(詞條“輻射”由行業大百科提供)(Low-E)中空玻璃由于具有優異的節能和環保特性,在眾多的節能玻璃中脫穎而出,是目前最具潛力的建筑節能玻璃。
2 Low- E 中空玻璃的節能原理
窗玻璃的熱量傳遞方式有3 種,即對流傳熱、熱傳導和輻射傳熱。Low-E 中空玻璃的傳熱過程見圖1。其傳熱過程主要包括以下幾個方面:(1)室外環境與構件外表面的輻射與對流;(2)各層玻璃板(詞條“玻璃板”由行業大百科提供)內部的熱傳導;(3)中空腔內氣體的導熱和對流;(4)中空腔玻璃板之間的輻射;(5)構件內表面與室內環境的輻射與對流。
與普通單片玻璃相比,一方面,由于中空玻璃具有導熱系數較低的充氣層,可以增加玻璃傳熱阻抗,減小總的熱傳導,降低傳熱系數(詞條“傳熱系數”由行業大百科提供)(U);另一方面,由于中空玻璃其內部氣體處于一個封閉的空間,氣體不產生對流,而且氣體的導熱系數很低,因而對流和傳導在中空玻璃的能量傳遞中占的比例較小,而輻射傳熱則是影響中空玻璃節能的重要因素。與普通玻璃0.84的輻射率相比,Low- E 玻璃的輻射率只有0.15 或更低,使用Low- E 膜玻璃替代普通中空玻璃,可以極大地降低玻璃的輻射傳熱,進而降低中空玻璃的傳熱系數。
另外,采用Low- E 玻璃還可以獲得適當的遮陽系數(詞條“遮陽系數”由行業大百科提供)(Sc),優化陽光得熱率與可見光透過率,最大限度地利用陽光資源。
3 Low- E 中空玻璃的節能性分析
3.1 玻璃的遮陽系數和傳熱系數
在玻璃的節能特性指標中,最主要的就是遮陽系數(Sc)和傳熱系數(U)這兩項性能參數。Sc 直接反映玻璃對太陽的遮蔽效果,它體現的是玻璃的隔熱(詞條“隔熱”由行業大百科提供)性能。Sc 值高意味著透過玻璃進入室內的太陽輻射多,玻璃的隔熱性能差。U是反映玻璃的溫差傳熱特性,它體現的是玻璃的保溫性能。在相同的室內外溫差下,U 值低意味著玻璃因溫差傳熱而傳遞的熱能少,玻璃保溫性能好。以6 mm單片白玻、6 mm中空白玻、6 mm單銀Low- E中空白玻和6 mm雙銀Low- E中空白玻為例, 其Sc 和U 值見表1。
3.2 玻璃的節能效果比較
夏季,白天通過玻璃傳入室內的熱量計算公式為:
Q夏=U夏×△T夏+Io×Sc
式中,Q 夏為夏季傳入室內的熱量;U 夏為玻璃夏季的傳熱系數;△T 夏為夏季的室內外的溫差; Io為太陽輻照度(取630W/m2);Sc為玻璃遮陽系數。冬季,夜間通過玻璃傳入室內的熱量計算公式為:
Q冬=U冬×△T冬
式中,Q 冬為冬季傳入室內的熱量;U 冬為玻璃冬季的傳熱系數;△T 冬為冬季的室內外的溫差。假定上海某建筑使用的玻璃為10 000 m2;夏季使用空調制冷100d,空調制冷溫度設定為26 ℃,夏季室內外溫差取10 K;冬季使用空調制熱120d,空調制熱溫度設定為18 ℃,冬季室內外溫差取20 K;每天空調運行10 h。通過上述公式,計算6 mm單片白玻、6 mm中空白玻、6 mm 單銀Low- E 中空白玻和6 mm雙銀Low- E 中空白玻的節能效果,見圖2。
從圖2 中的計算數據可知,采用雙銀Low- E 中空玻璃的節能效果最佳,與采用單片玻璃和普通中空玻璃相比,每年分別可節約電能約55%和43%。
4 Low- E 中空玻璃的環保性分析
通過上述的分析和數據顯示,Low- E 中空玻璃有著非常顯著的經濟效益和建筑節能效果。從環保性分析,假定單位發電量所需消耗的標準煤以0.41kg/kW·h計算,按圖2 的計算結果顯示,與單片玻璃相比,采用雙銀Low-E 中空玻璃每年可節約用電43153kW·h,相當于減少約17692 t 標準煤的燃燒。眾所周知,煤的燃燒會造成環境的嚴重污染,每燃燒1 t 標準煤,就會向大氣中排放CO2 2.29 t,NOx0.007 6 t,SO2 0.015 t,煙塵0.0087 t。由此可以算出,采用Low- E 中空玻璃之后,可減少向大氣排放有害物質的數量,計算結果見表2。
從以上計算數據可以看出,通過使用Low-E 中空玻璃,可以減少煤炭的消耗,從而減少CO2、SO2、NOx、煙塵等污染物的排放,對改善環境質量具有十分積極的作用。
5 結語
目前,我國建筑門窗的能耗占建筑圍護部件總能耗的40%~50%。2008 年4 月1 日,新《節約能源法》全面實施,新的節能法在法律層面將節約資源確定為我國的基本國策。國家“十二五”規劃提出,建筑業要推廣綠色建筑、綠色施工,著力采用先進建筑材料、信息技術優化結構和服務模式。到“十二五”期末,我國建筑產品施工過程的單位增加值能耗要下降10%,新建工程要100%符合國家節能標準。為了實現我國“十二五”期間建筑節能的艱巨目標,使用Low- E 中空節能玻璃降低建筑物能耗勢在必行。