传统的玻璃应用在建筑物上主要是采光,随着建筑物门窗尺寸的加大,人们对门窗的保温隔热要求也相应地提高了,节能装饰型玻璃就是能够满足这种要求,集节能性和装饰性于一体的玻璃。节能装饰型玻璃通常不仅具有令人赏心悦目的外观色彩,而且还具有特殊的对光和热的吸收、透射和反射能力,用建筑物的外墙窗玻璃幕墙,可以起到显著的节能效果,现已被广泛地应用于各种高级建筑物之上。
从以上所述可知,节能玻璃一般应具备两个节能特性,即保温性和隔热性。虽然节能玻璃对于节能具有很大优势,但是节能玻璃在我国的市场普及率非常低,仅为发达国家的10%左右,这样一个数据确实让我们触目惊心。大力推广和科学利用节能玻璃,已成为建筑节能的重要内容。
目前,对于节能玻璃尚无一个准确的定义,也没有对节能玻璃具体的衡量指标。大多数国家认为:节能玻璃要具备两个节能特性,即具有保温性和隔热性。玻璃的保温性( K 值)要达到与当地墙体相匹配的水平。对于我国大部分地区,按照现行的规定,建筑物墙体的保温性 K 值应小于1。因此,玻璃门窗的 K 值也要小于1,这样才能“堵住”建筑物“开口部”的能耗漏洞。在玻璃门窗的节能上,玻璃的保温性 K 值起主要作用。
对于玻璃的隔热性(遮阳系数 S )要与建筑物所在地阳光辐照特点相适应。不同用途的建筑物对玻璃隔热的要求是不同的。对于人们居住和工作的住宅及公共建筑物,理想的玻璃应该使可见光大部分透过,如在北京地区,最好冬天红外线多透入室内,而夏天则少透入室内,这样就可以达到节能的目的。
由此可见,所谓节能玻璃通常是指具有保温性和隔热性的玻璃。
节能玻璃的分类方法很多,主要有按生产工艺分类、按性能不同分类和按产品结构分类3种。
(1)按生产工艺分类 按生产工艺分类可分为一次制品和二次制品两种,也就是分为在线产品和离线加工产品。一次制品的节能玻璃主要有:基体着色吸热玻璃、在线Low-E玻璃、在线热反射镀膜玻璃等;二次制品的节能玻璃主要有:镀膜着色镀膜玻璃、离线Low-E玻璃、高线热反射镀膜玻璃、中空玻璃、夹层玻璃和真空玻璃等。
(2)按性能不同分类 按性能不同分类可分为隔热性能型节能玻璃、遮阳性能型节能玻璃和吸热性能型节能玻璃等。其中隔热性能型节能玻璃有真空玻璃、中空玻璃等;遮阳性能型节能玻璃有Low-E玻璃、在线热反射镀膜玻璃等;吸热性能型节能玻璃有吸热玻璃等。
(3)按产品结构分类 按产品结构分类可分为玻璃原片、表面覆膜结构、夹层结构和空腔结构4种。其中玻璃原片的节能玻璃有基体着色吸热玻璃、变色玻璃等;表面覆膜结构的节能玻璃有阳光控制镀膜玻璃、Low-E玻璃、自洁净玻璃、镀膜吸热玻璃、镀膜电磁屏蔽玻璃等;夹层结构的节能玻璃有普通夹层玻璃、夹丝玻电磁屏蔽玻璃等;空腔结构的节能玻璃有中空玻璃、真空玻璃等。
据有关资料表明我国现有400亿平方米的建筑中,其中95%以上用的不是节能玻璃,而每年新增加20亿平方米的建筑中,绝大多数也是如此。建筑门窗面积占建筑面积比例超过20%,而透过门窗的能耗约占整个建筑的50%。通过玻璃的能量损失约占门窗能耗的75%,占窗户面积80%左右的玻璃能耗占第一位。建筑专家预言,根据我国城镇化和新农村发展速度,21世纪今后的20年,中国建筑将成社会最大能耗大户。
有关数据显示,20年之后,耗费能源最多的既不是工业,也不是交通,而是急剧发展的建筑产品。当前,建筑能耗约占我国社会总能耗的28%。据我国建设部测算,20年后,我国建筑能耗将占总能耗的40%,将要达到欧美目前的比例,大大地超过工业和交通,成为全社会第一能耗大户。由此可见,全社会的节能改造的重点是建筑,门窗及幕墙改造是建筑节能的关键,而其中的玻璃改造则是节能工作的重中之重。
最近几年,在世界各国大力提倡节能减排的形势下,我国制定的《节约能源法》已从2008年4月1日起全面实施。建筑节能作为《节约能源法》的重要推广对象,备受关注。作为建筑节能的重要材料,玻璃更加受到社会重视。
中国建筑玻璃与工业玻璃协会的专家表示,我国建筑能耗约占总能耗的1/4以上,而建筑门窗的能耗又占建筑能耗的1/2左右。由于我国长期不太重视门窗的节能,现有400亿平方米的建筑中,95%以上用的是不节能的窗框和玻璃,而每年新增加20亿平米左右的建筑,也是如此。另外,数十亿平方米的公共建筑和数以千万平方米计的玻璃幕墙,绝大多数用的也是非节能玻璃。
建筑节能对于门窗来说,采用节能玻璃无疑将成未来社会节能工作中的重点。在建筑节能的大气候影响下,过去几年,由于政府部门对环境保护、节能、改善居民居住条件等问题越来越重视,相应地制定了一批技术法规和标准规范,在很大程度上提高了人们建筑节能意识,促进了我国节能玻璃行业的发展。
国家提出的建筑节能目标是到2010年,全国新增建筑的1/3达到节能50%的目标已经实现;到2020年,全国新增建筑全部达到节能65%的目标正在奋斗中。按2010年的目标计算,今后5年将新增节能建筑面积约3×10 9 m 2 ,涉及节能玻璃面积约6×10 8 m 2 ,平均每年新增节能玻璃约1.2×10 8 m 2 。根据有关专家预测,今后10年,我国城镇建成并投入使用的民用建筑每年至少为8×10 8 m 2 。另外,目前我国约有3.7×10 10 m 2 的既有建筑,对这些既有建筑的更新改造也在一定程度上扩大了对节能玻璃的需求,我国节能玻璃行业的发展空间很大。
但是,目前,与许多发达国家相比,我国节能玻璃产业现实状况不容乐观,产能瓶颈还有待突破。专家认为,尽管近几年节能玻璃市场发展迅速,但在国内玻璃行业,引进国外生产技术与设备的现象仍有愈演愈烈的迹象。由于害怕承担风险,一些企业宁愿引进国外技术,也不愿出资自主研发,致使缺乏自主知识产权的国内玻璃产业,对国外技术的依存度高。据了解,目前我国拥有自主知识产权的节能真空玻璃,年产量不及1×10 5 m 2 。
由于设备引进费用昂贵,造成节能玻璃成本相对较高,导致行业发展缓慢。业内人士表示,目前,节能玻璃的价格大约是普通平板玻璃的5~20倍。这使得节能玻璃大多被应用于国内一些公共建筑,在民用住宅中,则极少采用。
另外,我国至今没有完整的关于节能玻璃具体的应用法规。虽然2008年不少省市区开始实施地方性的节能法规,如北京地区将落实新的《居住建筑节能设计标准》,但是节能玻璃在全社会的推广应用要成气候还值得期待,尤其是对它的认证、监督、质量管理等方面国内尚没有形成完整的规范体系。
随着社会经济发达程度的快速提高,建筑能耗在社会总能耗中所占比例越来越大,目前西方发达国家约为30%~45%,尽管我国经济发展水平和生活水平都还不是很高,但这一比例也已达到20%~25%,正逐步上升到30%。特别在一些大城市,夏季空调已成为电力高峰负荷的主要组成部分。
不论西方发达国家,还是发展中国家,建筑能耗状况都是牵动社会经济发展全局的大问题。按照1986年制定的我国建筑节能分三步走的计划,当前政府各级节能管理部门正在积极为实现第三步节能65%目标而努力工作。工程检测结果表明,在影响建筑能耗的门窗、墙体、屋面、地面四大围护部件中,门窗的绝热性能最差,是影响室内热环境质量和建筑节能的主要因素之一。
就我国目前典型的围护部件而言,门窗的能耗约占建筑围护部件总能耗的40%~50%。据统计,在采暖或空调的条件下,冬季单玻璃窗所损失的热量约占供热负荷的30%~50%,夏季因太阳辐射热透过单玻璃窗射入室内而消耗的冷量约占空调负荷的20%~30%。因此,采用节能玻璃增强门窗的保温隔热性能,减少门窗的能耗,是改善室内热环境质量和提高建筑节能水平的重要环节。
建筑玻璃的节能效果如何,一般可用传热系数 K 值、太阳能参数、遮蔽系数 S ε 和相对热增益来进行评价。
能量传递的方式主要有辐射传递、对流传递和传导传递3种。节能玻璃之所以节能,是因为它比普通玻璃具有更高的隔热性能或遮阳性能,能有效地阻止热的传递,一般是用传热系数 K 值表示。
传热系数 K 值表示在一定条件下热量通过玻璃,在单位面积(通常是1m 2 )、单位温度(通常指室内温度与室外温度之差,一般1℃或1K)、单位时间内所传递的热量(J)。 K 值是玻璃的传导热、对流热和辐射热的函数,是这三种热传递方式的综合体现。不同厚度和不同环境下的 K 值是不一样的,普通平板玻璃的传热系数 K 值如表3-1所列。
表3-1 普通平板玻璃的传热系数 K 值 单位:kcal/(m 2 ·h·℃)
注:1cal=4.1840J。
玻璃的传热系数 K 值越大,则隔热能力就越差,通过玻璃的能量损失就越多。如吸热玻璃的节能是通过太阳光透过玻璃时,将30%~40%的光能转化为热能而被玻璃吸收,热能以对流和辐射的形式散发出去,从而减少太阳能进入室内,使吸热玻璃具有较好的隔热性能。真空玻璃是一种基于保温瓶原理的玻璃,外表上与普通玻璃并无大的差别,但其传热系数 K 值为普通玻璃1/6,为普通中空玻璃1/3,节能性能大大优于普通玻璃和中空玻璃。
玻璃既有能透过光线的能力,又有反射光线和吸收光线的能力,所以厚玻璃和重叠多层的玻璃透射率较低。玻璃表面反射光强度与入射光强度之比称为反射率,玻璃吸收的光强度与入射光强度之比称为吸收率,透过玻璃的光强度与入射光强度之比称为透过率,三者之和为100%。
材料试验证明:普通3mm厚的窗玻璃在太阳光垂直照射下,反射率为8%,吸收率为3%,透过率为89%。普通玻璃的光学性能如表3-2所列。
表3-2 普通玻璃的光学性能
从表3-2中可以看出,透过玻璃传递的太阳能有两部分组成:一是太阳光直接透过玻璃而通过的能量;二是太阳光在通过玻璃时一部分能量被玻璃吸收转化为热能,这部分热能中的一部分又进入室内。
太阳能参数主要包括阳光透射率、太阳能总透过率和太阳能反射率。
(1)阳光透射率 阳光透射率是指太阳光以正常入射角透过玻璃的能量占整个太阳光入射能的比例。
(2)太阳能总透过率 太阳能总透过率是指太阳光直接透过玻璃进入室内的能量与太阳光被玻璃吸收转化为热能后二次进入室内的能量之和占整个太阳光入射能的比例。
(3)太阳能反射率 太阳能反射率是指太阳光所有表面(单层玻璃有两个表面,中空玻璃有四个表面)反射后的能量占入射能的比例。
热反射节能玻璃由于在玻璃表面上镀一层金属、非金属及其氧化物薄膜,使玻璃具有一定的反射效果,能将部分太阳能反射回大气中,从而达到阻挡太阳能进入室内,使太阳能不在室内转化为热能的目的。
用热反射镀膜玻璃制成中空玻璃,可以极大地降低玻璃表面的辐射率,提高玻璃的光谱选择性。如Low-E玻璃加工制成的中空玻璃,与普通单片玻璃相比,夏季节能可达60%以上,冬季节能可达70%以上。
遮蔽系数 S ε 是相对于3mm无色透明玻璃而定义的,它是以3mm厚的无色透明玻璃的总太阳能透过率视为1时(3mm无色透明玻璃的总太阳能透过率是0.87),其他玻璃与其形成的相对值,即玻璃的总太阳能透过率除以0.87。玻璃遮蔽系数 S ε 越小,表明这种玻璃的节能效果越好。
相对热增益是用于反映玻璃综合节能的指标,它是指在一定的条件下(室内外温差为15℃时、玻璃在地球纬度30°处海平面),直接从太阳接受的热辐射与通过玻璃传入室内的热量之和,也就是室内外温差在15℃时透过玻璃的传热加上地球纬度为30°时太阳的辐射热630W/m与遮蔽系数的乘积。
相对热增益越大,说明在夏季外界进入室内的热量越多,玻璃的节能效果则越差。因为该指标是在室外温度高于室内温度时,室外热流流向室内且太阳能也同时进行室内的情况下而给定的,所以相对热增益特别适合于衡量低纬度且日照时间较长地区阳面玻璃的使用情况。
随着玻璃加工技术的快速发展,节能玻璃的品种越来越多,其可供选择的范围也越来越大。不管选用哪种节能玻璃,都应把玻璃是否有效地控制太阳能和隔热保温,即节省能源放在重要位置来考虑。要使玻璃在使用下尽量减少能量损失,必须依据工程实际需要选择合适的玻璃。
在选择使用节能玻璃时,应根据玻璃的所在位置和设计要求确定玻璃品种。日照时间较长且处于向阳面的玻璃,应当尽量控制太阳能进入室内,以减少空调的负荷,最好选择热反射玻璃或吸热玻璃,及其由热反射玻璃或吸热玻璃组成的中空玻璃。
现代建筑多数趋于大面积采光,如果使用普通玻璃,其传热系数偏高,且对于太阳辐射和远红外热辐射不能有效控制,因此其采光面积越大夏季进入室内的热量越多,冬季室内散失的热量也越多。据统计,普通单层玻璃的能量损失约占建筑冬季保温或夏季降温能耗的50%以上。
针对玻璃能耗较大的实际情况,必须按实际要求正确选择玻璃的类型。不同的玻璃具有不同的性能,一种玻璃不能适用于所有气候区域和建筑朝向,因此要根据工程的具体情况合理进行选择。
我国地域辽阔,气候条件各异,国家标准《民用建筑热工设计规范》中,将热工设计分区划为:严寒地区(必须充分满足冬季保温要求,一般不考虑夏季防热);寒冷地区(应满足冬季保温要求,部分地区兼顾夏季防热);夏热冬冷地区(必须满足夏季防热要求,适当兼顾冬季保温);夏热冬暖地区(必须满足夏季防热要求,一般不考虑冬季保温);温和地区(波峰地区应考虑冬季保温,一般不考虑夏季防热;或部分地区应考虑冬季保温,一般不考虑夏季防热)。
这样不同地区对太阳辐射热的利用(或限制)就有不同的要求,严寒和寒冷地区要充分利用太阳辐射热,并使已进入室内的太阳辐射热最大限度地留在室内;而对夏热冬暖和夏热冬冷地区,夏季要限制太阳辐射热进入室内。窗玻璃(透明玻璃)的透光系数应在72%~89%之间。透明玻璃在透光的同时,太阳热也应辐射入室内。
现在生产的镀膜玻璃,可使太阳可见光部分透射室内,使太阳辐射热部分反射,以减少进入室内的太阳热。如阳光控制膜玻璃SS-8可见光透射率为8%,太阳能反射率为33%;阳光控制膜玻璃SS-20可见光透射率为20%,太阳能反射率为18%;阳光控制膜玻璃CG-8可见光透射率为8%,太阳能反射率为49%;阳光控制膜玻璃CG-20可见光透射率为20%,太阳能反射率为39%。低辐射Low-E玻璃,对红外线和远红外线有较强的反射功能,一般在50%左右。
严寒和寒冷地区,白天太阳辐射热通过窗玻璃进入室内,被室内的物体吸收或储存。当太阳落山后,室内的温度高于室外,则会以远红外通过窗玻璃向室外辐射。如果采用低辐射膜玻璃,白天将太阳辐射热吸收到室内,晚上又能将远红外辐射部分反射回室内。因此,对不同热工设计分区的窗户,应选用不同种类的膜玻璃,即冬季采暖为主的地区,宜选用Low-E玻璃,以夏季防热为主的地区,宜选用阳光控制膜玻璃。
夏热冬暖地区太阳辐射比较强烈,太阳高度角较大,必须充分考虑夏季防热,可以不考虑冬季防寒和保温。建筑能耗主要为室内外温差传热能耗和太阳辐射耗能,其中太阳辐射耗能占建筑能耗的大部分,是夏季得热的最主要因素,直接影响到室内温度的变化。因此,该地区应最大限度地控制进入室内的太阳能。选择窗玻璃时,主要应考虑玻璃的折射系数,尽量选择 S c 较小的玻璃。
通过以上所述可知,在选择使用节能玻璃时,应根据建筑物所在的地理位置和气候情况确定玻璃的品种。严寒和寒冷地区所用的玻璃,应当以控制热传导为主,尽量选择中空节能玻璃或Low-E低辐射中空节能玻璃;夏热冬冷地区和夏热冬暖地区所用的玻璃,尽量控制太阳能进入室内,以减少空调的负荷,最好选择热反射节能玻璃、吸热节能玻璃,或者由热反射玻璃或吸热玻璃组成的中空节能玻璃和遮阳型Low-E中空节能玻璃。