【门窗幕墙网】玻璃作为一种光学建筑材料,其节能效果好坏主要由其光热物理性能决定。。二玻璃的光热性能主要体现在对到达地面的太阳全光谱的选择性透过、吸收和反射。
1到达地面的太阳能光谱
图1的光谱根据美国国家可再生能源实验室(NREL)相关数据制作而成的精简版本(2004),原数据来自StandardASTMG173-02(ASTM,2003)。
从上述光谱图中,人脉讲太阳光谱根据波长不同划分成三个区域,分别是紫外线、可见光和红外线。其中人眼课件的部分波长在380-780mm之间的太阳光谱—可见光,这事人们希望通过使用玻璃幕墙进入室内的部分;而其余的太阳光谱,无论是波长更短的紫外线还是波长更长的红外线,视觉都是无法感受到的—不可见光,但人们的触觉却能够感受到能量辐射形式的传播。紫外线对人体和室内家居物品有不同程度的损坏,使人们希望阻隔的;而对红外线却存在两面性,冬季希望尽量多地进入室内,夏季则希望尽量少地进入室内。
2玻璃光热性能物理概念
建筑或玻璃镀膜技术主要针对太阳光谱的选择性透过、吸收和反射二诞生的玻璃加工技术;由此也衍生了考量建筑幕墙玻璃光热性能的物理概念—可见光透光率和反射率、太阳能透过率和反射率,太阳能总透过率(g值或SHGC),遮阳系数(SC)和传热系数U值。
(1)传热系数U值
不考量幕墙玻璃对太阳光的辐射传热阻隔能力,仅仅考量由于玻璃的梁侧所处环境温度不同时,通过传导和对流方式能量(太阳能转化成的热能)的传播速率,在现有镀膜和中空玻璃技术下,单腔体镀膜中空玻璃的U值基本在1.-3.2W(m2·K),无论在什么气候条件下,U值越低,玻璃两侧因温度不同导致的热传递速率越低,对建筑节能越有利。类似考量棉被质量,无论冬天“保温”,还是夏天“保冷”(避免冰棍融化),棉被越厚,效果越好。
(2)太阳能透过率、太阳能总透过系数(g值或SHGC)、遮阳系数(SC)
这两个物理概念都考量波长从250-2500mm的太阳光,以辐射传播方式透过幕墙玻璃的量站照射到幕墙玻璃上太阳光总量的比例,因此是没有单位的纯小数或百分数;太阳能总透过率(g值或SHGC)和遮阳系数(SC)的数值中包含有被幕墙白玻璃吸收后,二次辐射透过幕墙玻璃的太阳能部分,g值(SHGC)-0.87=SC;而太阳能透过率则不包含幕墙玻璃吸收的部分。
(3)可见光透光率
考量波长从380-780mm范围的太阳光(太阳光谱中的一部分),以辐射传播方式透过幕墙玻璃的量占照射到幕墙玻璃上该波长范围的太阳光总量的比例,其实质是考量幕墙玻璃的视觉通透性。
(4)可见光反射率和太阳能反射率
考量被幕墙玻璃直接以辐射传播方式反射回去的量占照射到幕墙玻璃太阳光总量的比例,对应太阳光波唱范围分别是380-780mm和250-2500mm。可见光是太阳光总能量的一部分(约占50%),与节能同样有密不可分的关系,节能设计时不容忽视。紫外线部分波长能量较大、破坏力强,但总量占太阳光总能量却非常小(2%-3%),一般节能设计时不做考虑。
3选择幕墙玻璃的基本思路
理解了上述太阳光总能量和幕墙玻璃与太阳光有关物理概念后,给予这些认知和概念,在建筑玻璃幕墙节能设计时,选择幕墙玻璃的基本思路如下:
(1)应考虑目标建筑所在地的气候环境状况,不同气候状况建筑玻璃幕墙的节能重点不同在做建筑玻璃幕墙节能设计前,先确认建筑所在地的气候特点、年平均气温和太阳能辐照资源情况,例如:夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区,年平均气温均≥12℃,冬季时间短且无需采暖,即使采暖,采暖时间总体较短(三个月左右);而夏季需要制冷时间较长(至少五个月),如此整个建筑节能的重点在如何阻隔外界热能通过玻璃幕墙进入室内。此时根据太阳能不同,需要区别对待。太阳能资源≥1400(kWh)/m2的地区,根据国家节能规范规定,幕墙玻璃的可见光透过率≥0.4,g值(SHGC)≤0.35。而此时可见光反射率,除各地区规范有规定外,建议尽量接近国家标准规定的≤0.3,传热系数选择≤1.8W/(m2·K),建筑的采光和节能都达到最佳状况,全年综合节能效果最佳。但对于太阳能总辐照<1400(kWh)/m2的四川、江西、湖南和硅脂等西南大片区域,由于日照时间短,日照辐射能小,选择幕墙玻璃时可以适当放宽g值(SHGC)到≤0.45,适当收紧传热系数U值的要求到≤1.6W/(m2·K),而可见光反射率最好是远小于国家标准的≤0.3,如此能够确保建筑在使用过程中,充分利用自然光资源的同时弥补冬季因为阳光资源不足导致的能量散失。
寒冷、严寒地区,太阳能资源均大于1400(kWh)/m2,但年平均气温≤12℃,冬季时间长且需采暖,采暖总体时间又较长(至少五个月);而夏季几乎无需制冷,即使制冷,时间总体也较短(三个月左右)。如此整个建筑技能的重点在如何保持室内热能不因为玻璃幕墙三十。虽然国家节能规范规定幕墙玻璃的可见光透过率≥0.4,但本人建议幕墙玻璃的可见光透过率≥0.45;g值(SHGC)≥0.35尽量再高些,而此时可见光反射率除有地区规范规定外,最壕选择略小于国家标准的≤0.3,而传热系数选择至少≤1.6W/(m2·K),最壕更低。如此充分利用冬季丰富的太阳光资源,减少采暖能耗;建筑的采光和保温都达到最佳状况,全年综合节能效果最佳。
(2)需要考虑建筑所在地理位置的维度情况
众所周知,纬度越高太阳高度角越小;纬度越低,太阳高度角越大。太阳高度角越大,太阳能直接进入室内环境的比例就小,建筑设计中结构水平遮阳措施作用明显,但幕墙玻璃上半部分物理这样措施所起到的作用减小;太阳高度角小,太阳能进入室内环境的总量就大,建筑设计中结构水平遮阳措施作用微小,但幕墙玻璃上半部分物理遮阳所起到的作用就大。同时,纬度越高,夏季日照时间越长;纬度越低,夏季日照时间越短,反之亦然。这些由于地理位置变化导致太阳能对建筑的影响,在设计玻璃幕墙时,选择合适幕墙玻璃,对建筑节能又是一种非常有效的措施。例如高纬度地区,多为寒冷和严寒地区,日照资源丰富,在这些区域,选择幕墙玻璃时,每层可视部分的玻璃上部采用彩釉或其他遮掩措施,建筑幕墙结构采用水平遮阳材料,既能够有效遮挡夏季强烈的阳光,又能够确保冬季足够的太阳光能进入室内,且设计合理时,还赋予建筑装饰美学效果。而对于低纬度地区或阳光资源不足区域,这些措施意义就不大了,有时还适得其反。而划分纬度高低的界限,建议以37°为界。
(3)考虑建筑朝向和设计参数
首要原则是建筑窗墙比和幕墙玻璃的可见光透过率,国家的建筑节能规范规定了窗墙比和SHGC的关系,这些是基本要求。其实应该增加可见光透过率相关规定,不应直接忽略可见光的能量对建筑节能的影响,因此,应该以气候区域划分的为依据,增加对可见光透过率的规定。例如寒冷地区,窗墙比低于0.4的,可见光透过率就必须高于0.6;而夏热冬冷地区必须高于0.55;温暖地区和夏热冬暖地区则必须高于0.50。这样既保证一定的自然采光,避免室内照明的能耗,又阻止因为大量可见光进入室内导致的额外能耗。
而针对建筑朝向,建筑师和建筑节能设计师需要明确一点,建筑幕墙玻璃的反射颜色色系基本一致的情况下,可见光透过率和可见光反射率相差0.05不会导致明显的视觉上的差异。因此可以在玻璃幕墙节能设计上,选择在不同朝向上使用一个色系,但玻璃的可见光透过率和反射率不同的玻璃,既显示建筑的个性,又对建筑整体节能做贡献。原则是:北向的可见光透过率最高、反射率最高;东向可见光率比北向略低,反射率也略低;以此类推是南向和西向。调整的幅度不超过0.05,若希望各朝向明显有差异则另当别论,从节能角度调节的方向顺序应保持不变,这是考虑了太阳的亮度和高度角后给出的建议。
以上是仅仅从建筑玻璃幕墙节能角度提供的一些建议,希望设计师可以兼顾建筑美学和建筑节能,设计出既美观又节能舒适的玻璃幕墙。