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针对透明围护结构的节能方法

2019-11-09 10:27:52

围护结构在建筑中最基本的作用是为居住者提供物理屏障以抵抗建筑外的严酷气候(炎热和寒冷)和恶劣天气(风、雨、雪等)。在此基础上,相比于墙体等非透明围护结构,以窗户为代表的透明围护结构还承担了另一种重要用途,即,帮助居住者观察和了解室外环境。透明围护结构的这种作用使得窗户对居住者的影响不限于生理舒适度,还能在很大程度上影响居住者的心理健康。这就要求窗户必须同时具备“可透过”和“不可透过”两种性质:对于室内观察者来说,它应该是可见光透明的;而对于室外不利条件来说,它又必须是不可透过的。
  从节能的角度来看,窗户的特殊性使得窗户成为建筑围护结构中的节能薄弱环节。据统计,建筑中通过窗户的能耗损失可高达60%。因此,提高窗户的节能性能是构建高性能围护结构的重要工作。
  与窗户有关的三个主要传热过程包括:
  1.太阳辐射可透过窗户进入室内,成为重要的室内得热。
  2.窗户与室内外进行长波辐射换热从而影响室内热环境。需要注意的是,大多数以二氧化硅为基材的窗户材料在长波辐射波段的透过率很低,可认为窗户对于长波辐射是不可透过的。
  3.室内外环境可通过窗户材料的热传导进行换热。
  分别针对上述三个方面,研究者们提出了用于透明围护结构的节能方法,即调控太阳辐射性质、调控长波辐射性质和增强隔热性能。下面将依次介绍这些节能方法。
  一、太阳辐射调控
  太阳辐射的强度总是随时间变化的,在一天不同时刻、一年不同季节均会有显著的差异。因此,要实现对室内采光和太阳辐射得热的高效调控,高性能的透明围护结构必须能够根据太阳辐射的变化情况相应地动态调控自身太阳辐射响应特性。
  变色窗在受到某种特定信号激励之后,可改变自身辐射特性,并且这种改变是可逆的。研究者们通常认为这种动态的太阳辐射响应特性可调控进入建筑的太阳辐射从而带来更优的节能效果。因此,变色窗又被称为智能窗。
  当被特定光线(通常是紫外线)照射的时候,光致变色窗的辐射性质就会发生改变;而当这种光线被移除之后,窗户又会恢复为原有的状态。由于光致变色材料成本较高,近年来有关光致变色窗的研究相对较少。当需要改变气致变色窗的辐射性质时,一定量的氢气被通入该空腔中,催化薄膜改变其辐射性质。当抽走氢气之后,薄膜就会恢复原有的状态。气致变色窗通常可展现出比其他种类的变色窗更强的太阳辐射调控能力。但高昂的成本和复杂的结构依然是阻碍气致变色窗规模应用的障碍。
  有关太阳辐射调控能力的研究进行得相当广泛,但是,大部分研究都集中在材料层面,研究如何提升具体材料的某些性质,而没有深入研究提升这些性质的必要性和提升目标。例如,热致变色窗的相变温度究竟应该降至多少度才能带来良好的节能效果?热致变色窗的透过率究竟应该提升到多少才合适?要回答这些问题,必须先研究热致变色窗的主要参数对建筑能耗的影响机理。只有从理论层面明确参数的影响机理之后,才能避免材料层面的无效尝试。
  二、长波辐射性质调控
  前面已经提到,长波热辐射主要是指室内温度处于室温附近的各表面和室外环境发出的波长远大于太阳辐射波长的辐射。现有的从长波辐射角度进行节能的器件主要是低发射率薄膜或涂层。理论上,若窗户具有较低的长波发射率,其在夏季可以减少周围环境向建筑的长波辐射传热,在冬季则可以减少室内的热量通过辐射向室外散失。因此,低发射率窗户在冬季和夏季都应该是节能的。
  由于长波辐射的功率密度要远低于太阳辐射,从长波辐射角度进行的节能主要是对其他节能方法的一种补充。例如,low-e涂层可与热致变色窗结合以获得更全面的辐射调控能力,使用low-e涂层进一步提升真空隔热窗的节能性能等。虽然在夏季调控窗户的太阳辐射性质确实能带来更大的节能收益,但是在冬季增强单层窗户的长波辐射调控能力所带来的节能收益却要高于增强其太阳辐射调控能力所带来的节能收益。这表明通过长波辐射调控建筑能耗在节能研究中的作用也很重要。
  此外,与有关太阳辐射调控能力的研究类似,现有的研究大多集中在如何尽量降低薄膜或涂层的发射率,却忽视了对低发射率是否有效的验证。在冬季,发射率越低确实能降低更多的采暖能耗,但在夏季,发射率对能耗的影响却相反:长波发射率越低,制冷能耗越高。这是因为在夏季,白天由于太阳辐射远强于长波辐射,因此低发射率带来的隔热效果并不明显:而在夜间,低发射率却阻碍了建筑通过辐射向室外环境及天空散热,这会显著增加夜间制冷能耗。这个结论说明了根据外界环境来动态调控窗户长波辐射性质的重要性,也再次强调了进行理论体系研究的必要性。
  三、隔热性能增强
  窗户的隔热性能通常使用热穿透系数来评价。热穿透系数。在一些文献中又被称为U值,实际上是建筑围护结构在特定边界条件下的总热阻的倒数。U值越低表明围护结构的隔热性能越好;而更好的隔热性能往往能够更有效地隔绝外界环境对室内的影响,从而减小建筑对冷/热负荷的要求。因此,降低窗户的U值,增强其隔热性能是提高窗户节能效果的重要研究内容。
  由于透明围护结构担任着采光的角色,不能采用传统的非透明隔热材料。因此,透明围护结构大多通过多层窗系统来实现低U值。多层窗系统结构较为复杂,通常包含了玻璃层、暖边间隔条、密封剂等部分。根据玻璃层的数量,最常见的多层窗系统为双层窗和三层窗。为了进一步提高多层窗系统的隔热性能,玻璃层之间的空腔可充入惰性气体以代替原有的空气。填充氢气的双层窗的U值可降低到0.64W/(㎡·K),而填充氛气的双层窗的U值更是能低至0.28W/(㎡·K)。除了气体,还可以使用透明气凝胶来填充多层窗之间的空腔。这种窗户的U值理论上可低至Q.1W/(㎡·K)。