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玻璃对空调负荷及建筑能耗影响分析
1. 概述
　　中国的建筑师们在越来越多的民用建筑中大面积采用玻璃或玻璃幕墙。对于普通透明玻璃来说，玻璃窗面积越大，室内自然采光面积大，但是夏季通过玻璃进入室内的热量就越多，冬季室内通过玻璃散发出去的热量也越大。为了满足建筑师的创意和节能的需求，出现了低辐射镀膜玻璃（Low-Emissivity Coated Glass，简称Low-E玻璃）。近年来在国内外都有大量使用，Low-E玻璃在冬季能有效地阻挡远红外热辐射，防止室内热量的散失，夏季能阻止太阳直接辐射，减少室内的日射得热，同时又不影响室内采光。从理论上基本解决了这个问题。但是实际的情况怎么样，Low-E玻璃可以适用于哪些地区？本文通过计算和模拟结果来讨论这个问题。
2. Low-E玻璃的光学性能
　　大部分情况下，太阳辐射是引起室内冷负荷的主要因素。太阳光谱按波长可分为三大部分：紫外光，可见光，红外光。其中，紫外光的辐射能占太阳辐射能的13%，可见光占43%，红外光占41%，其余的占3%。即97%的太阳辐射能，集中在0.3~2.5μm波长范围内，这部分辐射能透过大气层到达地面，形成夏季围护结构的传热和辐射得热量。

图1
　　图1所示为波长从0.3μm到40μm的太阳辐射和热辐射的强度曲线。A区是紫外波段，波长为0.3~0.4μm；B区是可见光波段，波长为0.4~0.7μm；玻璃的可见光透过率越高，室内的采光效果越好；C区是近红外波段，波长为0.7~2.5μm；近红外辐射照射到物体（如建筑物、室内家具、散热器等）上时，将会转换成中红外波再次辐射出来；D区是22℃黑体的中红外辐射强度，波长在2.5~40μm，中红外辐射也正是人们感觉到热的原因。所以，在寒冷季节，我们希望室内的中红外波段热能尽量少地向室外发射，同时提高可见光和近红外的获得量。对于炎热季节，应将外部的近红外、中红外辐射阻挡在室外，而让可见光透过 。

　　我们以I表示照射到玻璃外表面太阳光的辐射强度，以Iρ表示被玻璃外表面反射出去的那一部分强度，ρ为反射率，；Iτ表示透过玻璃直接进入室内的那一部分强度，τ为透过率， Iα表示玻璃的吸收太阳的辐射强度α为吸收率。
　　则有：
　　因为 I=Iρ+Iτ+Iα 则 ρ+τ+α=1
　　对于非透明材料τ=0，
　　物体吸收太阳能后温度升高，通过与周围环境的对流和辐射而散失能量温度家降低。因此，被吸收的能量最终仍有约50%透过了物体，以对流传导的形式传递的。
　　中红外热辐射，也能透过物体或被物体所吸收。一般工程材料，例如，普通平板玻璃，不能透过中红外热辐射，只能反射它或吸收它。反射和吸收能力因材料而不同，吸收率低的物体，则必然反射率高，这种物体不易吸收热辐射能量，其隔热性能就越好。辐射率高的物体吸收的热辐射多，它再次向外辐射的热量也多，相当于透过该物体的热量。因此，中红外热辐射透过物体的传热，是通过对流传导体现的。Low-E玻璃正好限制了这一部分的传热。

　　图2表示在不同波长下，Low-E玻璃的透过率、吸收率、反射率，从中我们发现，Low-E玻璃在可见光谱波段具有高透过率，低反射率、低吸收性的特点。即是说它允许可见光较好地透过玻璃传入室内，提高室内采光效果，杜绝对外界的光污染。而Low-E玻璃在红外波段具有高反射率、低吸收性的特点。表明在冬季Low-E玻璃能有效地阻止室内的热能通过玻璃向室外辐射和传导，而在夏季能阻挡外部热能进入室内。图3和图4形象地表示了不同玻璃的对于太阳能和室内热辐射的透过率、反射率、吸收率。
　　从以上定性分析我们似乎得出了Low-E玻璃确实是很好地解决了玻璃的透光、隔热的问题。实际情况到底怎么样，我们通过下面的两个例子来说明。
3．Low-E玻璃对空调负荷及全年能耗的影响
　　玻璃对于辐射的阻隔性能用遮蔽系数SC表示，SC高则表示进入室内的太阳辐射能就多，反之则少。控制玻璃SC的方法是在玻璃表面镀膜。现在技术发展到可以在线镀膜，成本也很低。着色玻璃SC较低，但是其吸收率偏高，因而其K值也高，它是以增大对流传导热为代价来降低太阳能直接透过的。最主要的是它可见光透过率太低，只有Low-E玻璃的一半。下面一个具体的例子来计算各种玻璃对空调负荷和全年能耗的影响，并与Low-E玻璃进行比较。
3.1 玻璃对空调负荷的影响
　　深圳大学城图书馆工程外形非常独特，整个建筑的两个主立面一个偏西、一个偏东，而且又是采用大面积的玻璃幕墙，造价受限。建筑师和我们研究了10多种玻璃的热工性能、价格、颜色，以及不同玻璃引起的室内空调负荷，制定优化方案，并最终根据寻优结果，确定合适的玻璃。表1为该工程其中6种玻璃对应的空调负荷计算结果。深圳冬季不采暖，因此冬季的负荷计算仅供参考。选择遮阳系数为0.6的Low-E玻璃，主要考虑到这种玻璃的可见光透过率高达71％，对于图书馆这样的建筑比较合适，而没有采用其他Sc更低的Low-E玻璃。
表1. 深圳市一栋公共建筑的夏季和冬季空调负荷计算结果
玻璃种类
K
Sc
夏季最大冷负荷kW
与3mm白玻比值
冬季热负荷kW
与3mm白玻比值
3mm单片透明玻璃
6.84
1.0
3860
1
1419
1
8mm本体灰单片玻璃
5.7
0.58
3289
0.852
1326
0.934
6mm双层白玻璃
5.4
0.66
3438
0.891
1316
0.927
8mmLow-E玻璃+8mm白玻璃
2.0
0.6
3185
0.825
1076
0.758
8mm本体灰镀阳光控制膜+9A+8mm白玻
3.0
0.39
3018
0.782
1130
0.796
8mm灰玻+1.52pub+8mm白玻璃
5.8
0.51
3196
0.828
1088
0.767
　　同样的建筑，我们假设把它放到北京，空调负荷计算结果见表2 。
表2. 北京市同一栋公共建筑的夏季和冬季空调负荷计算结果
玻璃种类
K
Sc
夏季最大冷负荷kW
与3mm白玻比值
冬季热负荷kW
与3mm白玻比值
3mm单片透明玻璃
6.84
1.0
3779
1
4093
1
8mm本体灰单片玻璃
5.7
0.58
3135
0.830
3943
0.963
6mm双层白玻璃
5.4
0.66
3309
0.876
3877
0.947
8mmLow-E玻璃+8mm白玻璃
2.0
0.6
3049
0.807
3139
0.767
8mm本体灰镀阳光控制膜+9A+8mm白玻
3.0
0.39
2852
0.755
3353
0.812
8mm灰玻+1.52pub+8mm白玻璃
5.8
0.51
3121
0.826
3830
0.936
　　注：负荷计算参数设置：无内外遮阳设施，室内热源按照软件缺省值，设计温度：冬季18℃，夏季24℃。
　　比较表1和表2，我们可以发现Low-E玻璃对于深圳和北京夏季空调负荷影响很大，与单片玻璃相比，降低约20%的负荷，与其他各种玻璃相比，相差不大，因此从降低空调负荷的角度来说，采用Low-E玻璃具有特别大的优势。主要原因是由于深圳市乃至于南方地区夏季室内外温差较小，传热对空调负荷贡献较小，而太阳辐射对空调负荷的贡献较大，因此遮阳是关键，Low－E玻璃满足这一要求。从表1和表2的计算结果来还可以发现，玻璃遮阳系数对夏季空调负荷影响很大，传热系数对冬季采暖负荷影响很大。因此对南方不采暖的地区来说，Low-E玻璃可能是理想的选择，特别是单片Low－E玻璃，其价格只比普通玻璃的增加30％，但是节能的效果非常明显。但是对于北方采暖地区来说，选择中空Low-E玻璃是比较合适的。
3.2 Low-E玻璃对建筑能耗的影响
　　采用DOE-2软件分析上述的公共建筑的能耗，由于建筑复杂，输入非常困难。我们采用选择对一栋住宅的全年能耗值进行分析，窗户采用以上几种玻璃，得出以下数据。
表3. 深圳市一栋居住建筑采用不同玻璃的全年能耗计算结果
玻璃种类
K
Sc
空调能耗
kWh
与3mm白玻比值
采暖能耗
kWh
与3mm白玻比值
全年能耗
kWh
与3mm白玻比值
3mm单片透明玻璃
6.84
1.00
136875
1.00
25713
1.00
162588
1.00
8mm本体灰单片玻璃
5.70
0.58
102975
0.75
27688
1.08
130663
0.80
6mm双层白玻璃
5.40
0.66
108406
0.79
26001
1.01
134407
0.83
8mmLow-E玻璃+8mm白玻璃
2.00
0.60
104498
0.76
21105
0.82
125603
0.77
8mm本体灰镀阳光控制+9A+8mm白玻璃
3.00
0.39
89276
0.65
26700
1.04
115976
0.71
8mm灰玻璃+1.52pub+8mm白玻璃
5.80
0.51
98080
0.72
29004
1.13
127084
0.78

表4. 北京市同一栋居住建筑采用不同玻璃的全年能耗计算结果
玻璃种类
K
Sc
空调能耗
与3mm白玻比值
采暖能耗
与3mm白玻比值
全年能耗
与3mm白玻比值
3mm单片透明玻璃
6.84
1.00
50315
1.00
204799
1.00
255114
1.00
8mm本体灰单片玻璃
5.70
0.58
31102
0.62
257500
1.26
288603
1.13
6mm双层白玻璃
5.40
0.66
34682
0.69
243183
1.19
277865
1.09
8mmLow-E玻璃+8mm白玻璃
2.00
0.60
33982
0.68
209201
1.02
243183
0.95
8mm本体灰镀阳光控制+9A+8mm白玻璃
3.00
0.39
24314
0.48
254785
1.24
279099
1.09
8mm灰玻+1.52pub+8mm白玻璃
5.80
0.51
28181
0.56
268197
1.31
296378
1.16
4．结论——选择适合的玻璃K值、Sc值
　　有的文章称选择Sc值宁小勿大，这是不太确切的。玻璃的主要功能是采光，如果Sc极小，可见光透过率随之减小，窗户的采光功能下降，室内人工照明耗电加大。降低了空调能耗，增大了照明能耗，总能耗并没有降低，却增加了造价。另外地区和建筑本身的差异，也决定不能一概而论。降低窗户遮蔽阳系数，还可以通过增加内外活动遮阳措施来共同实现，单独降低玻璃的遮阳系数是不正确的。南方地区东、西向的窗户可以选择遮蔽系数较小的玻璃，同时东西向的窗户必须设置活动外遮阳措施；南向和北向的窗户选择遮蔽系数在0.60~0.70之间的比较合适，此时的可见光透过率在70～80％之间，可以很好地满足室内的采光要求。对于传热系数，南方地区可以不用过多考虑，玻璃传热系数只要在K=5.0W/m2·℃左右即可，《深圳市居住建筑节能设计标准》规定此值为4.7 W/m2·℃。
　　对于需要空调的北方地区，选择遮蔽系数稍大的玻璃，同时窗户的传热系数要求尽量低。而对于夏季不需要空调的北方地区来说，遮阳系数就显得不重要了，降低窗户的传热系数是主要矛盾。