玻璃节能技术在建筑设计中的应用

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   [摘要] 随着生活水平的提高,人们对室内环境舒适度的要求也在不断提高。但在满足建筑室内舒适度的同时,建筑能耗不断增加,环境污染日益加剧,大大超过了环境的承载能力。因此,建筑节能受到全世界的普遍关注,成为建筑设计中亟待解决的重要课题。
   [关键词] 玻璃节能 建筑设计 应用
   引言
   在以往的建筑节能研究中,通常以传统构造方式的墙体、屋面、地面等建筑围护结构的保温隔热为主要内容,对于玻璃门窗、幕墙等热损失较大的玻璃节能技术的研究相对起步较晚,尚缺乏成熟的技术支撑。与此同时,由于本身的物理、美学方面的特性和优势,玻璃材料在当代建筑中使用得越来越多,在外围护结构中所占的比例越来越大,而不仅限于传统的门窗部位,如大尺度玻璃窗、玻璃幕墙、玻璃屋顶等。鉴于此,玻璃在建筑节能设计中的应用研究显得日益重要而迫切。
   一、节能的含义及玻璃的节能评价参数
   1.1 节能的含义
   节能不能简单地认为只是少用能。节能的核心是提高能源效率。节能建筑是指在保证建筑使用功能和满足室内物理环境质量条件下,通过提高建筑围护结构隔热保温性能、采暖空调系统运行效率和自然能源利用等技术措施,使建筑物的能耗降低到规定水平;同时,当不采用采暖与空调措施时,室内物理环境达到一定標准的建筑物。
   1.2 玻璃节能的评价参数
   玻璃节能技术在最近几年已有一定的发展,只是人们对玻璃的认识还不十分全面,因此掌握玻璃的节能特性对于更好的掌握玻璃节能技术至关重要。自然界中热量的传递通常有三种形式:对流、辐射和传导。由于玻璃是透明材料,通过玻璃的传热除上述三种形式外还有太阳能量以光辐射形式的直接透过。衡量通过玻璃进行能量传播的参数有热传导率及K值(在美国称为U值)、太阳能透过率、遮蔽系数、相对热增益等。因此玻璃节能评价的主要参数有:
   1.K值
   传热系数K值表示的是在一定条件下热量通过玻璃在单位面积(通常是1m2)、单位温差(通常指室内温度与室外温度之差一般IOC或1K)、单位时间内所传递焦耳数。K值的单位通常是W/m2K。K值是玻璃的传导热、对流热和辐射热的函数,它是这三种热传方式的综合体现。玻璃的K值越大,它的隔热能力就越差,通过玻璃的能量损失就越多。
   2.太阳能参数
   透过玻璃传递的太阳能其实有两部分,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,该热能中的一部分又进入室内。
   3.遮阳系数
   遮阳系数是相对于3mm无色透明玻璃而定义的,它是以3mm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。
   4.相对热增益
   用于反映玻璃综合节能的指标,它是指在一定条件下即室内外温度差为150C时透过单位面积(3mm透明,lm2)玻璃在地球纬度300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150C时的透过玻璃的传热加上地球纬度为300时太阳的辐射热630W/m2与遮蔽系数的积。相对热增益越大,说明在夏季外界进入室内的热量越多,玻璃的节能效果越差。对于玻璃真实的热增益是由建筑所处的地球纬度、季节、玻璃与太阳光所形成的夹角以及玻璃的性能共同决定的。影响热增益的主要因素是玻璃对太阳能的控制能力即遮蔽系数和玻璃的隔热能力。
   相对热增益特别适合于衡量低纬度且日照时间较长地区向阳面玻璃的使用情况,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入室内的情况下而给定的。对于不存在太阳能辐射部位使用玻璃时,反映玻璃保温能力的指标只有K值。
   二、玻璃幕墙节能技术概述
   2.1 玻璃幕墙节能技术原理
   建筑玻璃幕墙节能技术的基础理论是热物理学、传热学。传热是自然界普遍存在的现象,当有温度差时就台有传热,晰热量总是从高温物体传向低温物体。热量的传递过程主要有三个阶段:室内空气与建筑幕墙内表面的传热,其主要方式是对流:建筑玻璃幕墙内部进行的传热,其主要方式是热传导(内部材料分子热运动);室外空气与建筑幕墙外表面的传热,主要方式是对流,这一方面是由于高差、温差而产生的热压运动——烟囱效应,另一方面是由于风力造成的受迫对流。另外,在温度不同的物体之间,还存在着辐射传热(靠电磁波来传导热量)。
   因此,建筑幕墙的传热不外乎传导、对流、辐射三种方式进行。针对建筑玻璃幕墙产生热传递的不同区域、不同方式,采取不同的对策以实现对热能的控制、使用、回收,这是建筑玻璃幕墙节能技术的基本原理。
   现阶段提高玻璃幕墙节能保温性能的主要措施是采用节能玻璃及隔热断桥铝型材隔热来降低结构传热系数,消除结构体系“热桥”,降低空气渗透热损失,减少开启窗扇面积,提高密封性等。
   此外,在一些大型公共建筑上采用了双层玻璃幕墙技术,双层玻璃幕墙技术与建筑物内的空调、通风、灯光、楼宇控制系统紧密相联就成为了智能幕墙系统。虽然双层玻璃幕墙本身一次性建设投资较大,但它一方面可以降低建筑能耗,保护生态环境;另一方面,由于建筑物所需能耗降低,可以减少建筑设备的一次性投入,特别是大量节约建筑运营成本。
   2.2普通建筑玻璃幕墙存在的问题
   传统的观点认为,建筑物的能量消耗是随着开口部位面积变化而变化的。但是,玻璃幕墙有大面积的玻璃窗且多为全封闭的构造,这个特点决定了它不能按照传统的墙或窗来看待。建筑玻璃幕墙的能量消耗主要是随着玻璃的热工性能的变化而变化的,即随着玻璃的品种及其构造方式的不同而变化的,如果没有采用热工性能好的玻璃或由于构造连接的问题,往往容易造成较大的热损失。此外,普通单层玻璃幕墙由于没有良好的通风、遮阳系统,不能有效调节室内空气温度,需要设备的主动调控。这些都会引起过多的能源消耗和造成环境污染。有研究表明,未采取节能措施的普通单层玻璃幕墙的能耗很大,约占整个建筑能耗的40%左右。因此,玻璃幕墙(玻璃项)的节能设计是公共建筑节能设计中极为重要的部分。
   三、玻璃节能技术在公共建筑设计中的应用
   3.1应用现状
   近年来,随着国内经济的发展,越来越多的公共建筑中采用了玻璃幕墙(玻璃顶)。我国建筑玻璃幕墙从20世纪80年代开始起步,经过近30年发展,特别是20世纪90年代的高速发展,到21世纪初,我国已发展成世界第一幕墙生产大国和使用大国。
   2005年7月1日起强制实施的《公共建筑节能设计标准》适用于新建、扩建和改建的公共建筑的节能设计。该《标准》是我国第一部有关公用建筑节能设计的综合性国家标准,其中对建筑玻璃幕墙的节能作了较为详细的规定,并提出了一些方法,这对我国公共建筑的节能具有十分重要的指导作用。其中明确规定公共建筑的幕墙不能使用普通玻璃,必须使用节能玻璃。
   随着经济和技术的发展,尤其是随着国家节能政策的出台以及节能标准的发布,目前在国内出现了一批使用了玻璃幕墙节能技术的公共建筑,其中也不乏优秀的实例。
   例如,位于北京东直门十字路口东南角的天恒大厦,是全球首座整栋采用真空玻璃幕墙的写字楼。天恒大厦总建筑面积57238 m2,地下四层,地上二十二层。该楼西、北立面采用半隐框真空玻璃幕墙7000 m2。东、南立面采用真空玻璃铝合金断热窗总面积2500 m2。天恒大厦自2005年开盘以来,以其“高舒适度低能耗”的建筑玻璃节能技术与建筑艺术的完美结合,赢得了用户的赞誉。
   天恒大厦所采用的真空玻璃是标准真空组合双中空的结构,经国家建筑工程质量监督检验中心检测,其传热系数K=1.0w/m2K,达到和超过国标GB/T8484—2002保温窗最高级lO级的标准。保温达到并超过北京市地方性标准(DBJ01—79—2004)“住宅建筑门窗应用技术规范”的热、声性能的要求。由于其优异的保温、隔热性能,给这里的业主创造了一个温馨舒适的室内环境,也从根本上解决了长期困惑人们的玻璃幕墙隔热保温、隔声差的难题(图3.1)。
  图3.1 北京天恒大厦
  
   3.2存在问题及应用策略
   我国目前节能玻璃的生产技术水平已经比较成熟,尤其是随着国家节能政策的出台以及节能标准的发布,一批应用玻璃幕墙节能技术的优秀建筑也应用而生。但总体看来还是以技术含量较低的静态节能技术为主,动态节能及能源转换技术的应用还比较少,此外,已经建成的公共建筑还有不少玻璃幕墙建筑并没有采用玻璃幕墙节能技术,从而造成了大量的能源浪费并引起了一系列的环境问题,因此对既有玻璃幕墙建筑的改造也是一个工作重点。与国外建筑玻璃幕墙节能技术相比仍有许多不足之处,下面就我国目前的实际情况提出几点玻璃在公共建筑节能设计过程中的应用策略。
   (1)建筑玻璃幕墙只是建筑围护结构的一部分,只是建筑节能的一个方面,节能需全盘考虑建筑设计的各个因素,只有达到节能与经济的统一才能体现节能的作用与价值。
   (2)建筑玻璃幕墙节能技术是一项比较复杂的技术手段,需要建筑师对节能技术的理解以及各专业的共同配合。然而目前我国的实际情况是,大多数的项目中,建筑师只负责简单的初步设计,实际的技术问题交给幕墙公司,这种设计与施工的脱节必定会影响建筑实际的节能效果。因此,建筑設计时应该进行综合衡量,对各个部分围护结构的各项指标提出明确的要求,而不能将整个围护结构的节能设计交给幕墙公司。建筑设计单位或幕墙公司均不应单独承担幕墙的设计,须协同完成。
   (3)对于玻璃幕墙比较突出的“光污染”问题在设计时应尽量避免。为减少玻璃幕墙的光污染,在建筑设计时,设计师应该选用可见光反光率低的材料。同时要注意幕墙的朝向和方位,进行合理的光反射和地形地貌计算,注意当太阳位于不同方位时反射光可能照到的位置,该位置是否有人群活动,通过精心规划和设计,调整建筑立面或街景及绿化设计以减轻反射光影响,尽量减少反射光射入街道和居民家中。
   (4).我们既要学习发达国家的先进理念,又要结合国情因地制宜,不能机械地完全照抄。在设计过程中,我们必须结合各地的实际情况进行具体的设计,否则不但达不到预期的节能效果,反而会造成经济投资的浪费。具体包括以下几个方面:
   a.进行幕墙热工设计时,必须对其复杂的传热过程和传热方式进行分析和研究。
   b.我国幅员广大,各地的气候条件有很大差异,在进行幕墙的节能设计时,要充分考虑当地的气候特征。严寒地区、寒冷地区和温和地区的幕墙,要进行冬季的保温设计,夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的幕墙,要进行夏季的隔热设计。
   C.玻璃幕墙的朝向应该考虑日照、采光、通风、遮阳等要求,并且朝向的选择是因地域气候,因周围环境,建筑需求而改变的,不可一概而论。
   d.玻璃幕墙的传热系数由建筑物的外形和所处地区的气候条件、型材的传热系数和玻璃的传热系数等综合确定。因此,需综合、全面权衡各因素,充分考虑其功能、性能等诸多方面,合理选型(幕墙的型式和窗墙面积比)、选材和构造。
   结束语
   随着建筑逐步向智能化、绿色化、生态化方向发展,从建筑物的门窗、幕墙到屋顶结构等,太阳能利用从光一热转换、光一电转换到建筑物整体的隔热保温、居室采光调温和建筑环境舒适美化等,都离不开玻璃。我们未来的核心任务是节约能源和生产能源,随着玻璃节能技术的进步,玻璃在今后的建筑生态节能设计中将会发挥越来越大的作用。目前的玻璃节能技术主要以对太阳能的被动式利用为主,今后建筑玻璃节能技术的发展将更依赖于对太阳能的利用,从对太阳能的被动式利用逐渐向主动式发展。未来建筑将是由建筑师、结构工程师、设备工程师、建筑物理学家、能源专家等各专业共同发展的产品。高效的节能设施将是未来建筑的核心,只有这样才能实现建筑节约能源、保护生态的可持续发展之路。
   参考文献
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