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北京居住建筑节能改造真空玻璃应用潜力研究

时间:2022-11-18 16:11:24 点击:
真空玻璃相比中空玻璃,其保温隔热性能更好。热量的传输通过三种途径:热传导、热辐射、对流。其中,热传导需要通过介质,而真空层内可以认为几乎是没有介质的,这样也就最大限度的降低了热传导。真空玻璃仅在边部存在热量的传导,其主断面上几乎是完全绝热的。真空玻璃的传热系数Ug值能够较容易的做到0.5W/㎡以下,而三玻两腔中空玻璃的传热系数Ug值达到0.7W/㎡K已接近极限。正因为真空玻璃的保温性能极佳,在严寒寒冷地区,即使在冬季室外极端低温的情况下,玻璃内表面温度仍然能够维持在露点温度以上,从而有效防止结露


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真空玻璃具有更好的透光性能。为了降低玻璃的传热系数,建筑上使用的保温节能玻璃均属于Low-E玻璃,又称低辐射玻璃。玻璃表面镀有Low-E膜,它是由多层金属或化合物组成的膜系材料,能够反射红外辐射,从而有效降低冬季室内辐射散热。但有一利必有一弊,Low-E膜除了能反射红外线,也能反射可见光,因而会导致玻璃的透光性能下降。三玻两腔中空玻璃为了具备更好的保温性能,经常采用双层Low-E的构造,导致玻璃的可见光透射比τv值经常低于0.6。而真空玻璃仅使用单层Low-E,即能达到比双层Low-E中空玻璃更低的传热系数,且可见光透射比τv值能够达到0.8以上。

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真空玻璃的空气声隔声性能优越,这是不言而喻的。声波的传递需要通过介质,因而真空玻璃能有效阻隔噪声,其计权隔声量能达到40dB以上,而中空玻璃仅为30dB左右。


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相比中空玻璃,真空玻璃更加轻薄。中空玻璃的中空层厚度通常在6~12mm,甚至更厚,内部充空气或惰性气体,而真空玻璃的真空层仅为0.1~0.2mm。另外,两玻夹一层真空层的真空玻璃,它的保温隔热效果就能媲美三玻两腔中空玻璃,又因为少用了一层玻璃,所以其重量比三玻两腔中空玻璃减少了1/3。


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真空层内的工作真空度(≤0.1 Pa)所能保持的时间,决定了真空玻璃的使用寿命。国际大厂例如旭硝子,在欧洲和日本的真空玻璃制品,能够提供15年质保,实际期待使用寿命超过25年。随着技术进步,工艺逐渐成熟,国产真空玻璃技术已经达到世界先进水平。由于中空玻璃内的惰性气体也会随着时间推移而逐渐泄露,这就决定了中空玻璃也同样存在使用寿命的问题。国标《中空玻璃》GB/T 11944-2012建议中空玻璃预期使用寿命至少应为15年。由此可见,真空玻璃的寿命并不低


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北京市《既有居住建筑节能改造技术规程》DB11/381-2016,针对外窗的节能改造措施,提出以下四条建议:1、统一更换为满足热工性能指标的新外窗,窗框与墙体之间应有合理的保温密封构造设计;2、在原外窗框的基础上,直接更换满足节能要求的新型节能窗扇,或在原有单玻外窗内侧(或外侧)加建一层节能窗;3、原外窗的传热系数满足设计要求时,可更换原有或加装外窗密封胶条;4、开放式的阳台可根据需要改为封闭式阳台。


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除了上述四种措施之外,我们提出一种新的外窗改造方案:保留原窗框,将原有的保温性能差的双层中空玻璃,替换成真空玻璃,并更换密封条。这种方案的优势是避免更换整窗,或加装一层外窗等工程量大,对住户正常生活造成不利影响,因而难以大面积实施的改造措施。当然这一方案需要满足一定的前提条件:原窗框型材质量较好,仍然值得保留因为我们想要达到的效果是经过节能改造,旧的外窗更换了真空玻璃之后,继续使用至少15年,而不是改造后仅仅几年就被整体拆除更换,从而造成不必要的浪费。窗框质量较好这里主要指的是两方面,即强度和保温性能。例如老式塑钢窗,经过十几年的老化变形,强度降低,外观发黄变色,使其不值得保留;钢窗和铝合金窗虽然强度足够,但保温性能太差,因而也不值得保留。因此,上述改造措施,基本上只针对配备有断桥铝外窗的项目。


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 由于断桥铝外窗型材在国内是从2004-2005年之后才逐渐推广开的,所以本文提到的改造方式针对的旧建筑的节能水平,应至少满足北京市地方标准《居住建筑节能设计标准》DBJ 01-602-2004的要求。达到2004版北京市居住建筑节能设计标准的居住建筑的相对节能率为65%。所谓“相对节能率”根据《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ 26-2010条文说明1.0.3,“即严寒地区和寒冷地区的建筑,以各地1980-1981年住宅通用设计、4个单元6层楼,体型系数为0.30左右的建筑物的耗热量指标计算值,经线性处理后的数据作为基准能耗。”在此能耗值的基础上,采暖能耗降低65%,即“65节能”建筑。本文后续进行能耗模拟和经济效益测算时,采用的基准建筑即为65节能居住建筑。


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根据北京市《居住建筑节能设计标准》DBJ01-602-2004表5.2.1,建筑的围护结构参数应满足下表要求,且主要居住空间的西向外窗应设置活动外遮阳设施。


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由于考虑到供暖空调设备大概率经过改造或更新,所以建筑的设备参数根据北京市《居住建筑节能设计标准》DB11/891-2012进行选取:制冷采用分散式房间空调器,符合《房间空气调节器能效限定值及能效等级》GB 12021.3-2010中规定的节能型产品(能效等级2级),能效比(EER)=3.4;供暖采用燃煤锅炉,锅炉额定工况下热效率为0.8,室外管网输送效率为0.93,室内末端为散热器。


图片 基准建筑标准层平面 图片

基准建筑为一栋18层的经适房塔楼,建筑参数如下:

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改造前的基准建筑采用5+12A+5双层玻璃,总厚度22mm;改造后采用6TL+0.2V+6T真空玻璃,总厚度为12.2mm,能够放进原窗框的玻璃安装槽内。真空玻璃相比原来的双层玻璃,传热系数由2.63W/m2K,大幅下降至0.51W/m2K;太阳得热系数SHGC值也有所下降,原因是真空玻璃采用了一层单银Low-E,而原双层玻璃无Low-E膜;在窗框传热系数(3.2W/m2K)保持不变的前提下,整窗传热系数K值,由改造前的2.8W/m2K大幅下降至1.25W/m2K。


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能耗模拟结果显示:建筑的其他参数均保持不变,仅使用真空玻璃进行节能改造后,供暖年节约标煤22726千克,空调年省电2292kWh,碳排放量年降低80.64吨;供暖能耗降幅达22.15%(改造后建筑的相对节能率相当于72.8%),年空调能耗下降3.67%,年碳排放量下降20.29%。由此可见,此种改造措施在冬季供暖方面的节能减碳效果十分明显


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按照能耗模拟结果,建筑运行期间,供暖年节约标煤22.726 吨,按照单价1500 元/吨计算,年节约煤炭总价值34089 元;空调年省电2292kWh,按照0.5元/kWh计算,年节约1146元;碳排放量每年减少80.64吨,北京地区碳交易价格按照90元/吨计算,减碳价值7258元/年。节能改造后,总计每年节约运行费用42493元。投资成本(包括真空玻璃的生产、运输、安装成本)按照单价530元/m2计算,玻璃总面积810 m2,总计42.93万元。在不考虑利率影响的情况下,投资回报期为10年;利率3%的情况下,投资回报期被拉长为12年;利率5%的情况下,投资回报期为14.5年。从投资回报期看,并没有超过前文的设想:即旧外窗更换了真空玻璃之后,期待继续使用至少15年。由此可见,此种改造措施从经济性的角度考虑也是值得一试的


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本文描述的此种利用真空玻璃的节能改造措施,在国外已有不少应用案例,尤其在欧洲被大量应用于文物保护建筑的节能改造。例如在德国有2.8%的建筑在法律上被定义为“文物保护建筑”。这种建筑的旧式外窗以木窗为主,窗框型材单薄,有大量横档、竖档,玻璃安装槽口通常≤15mm,因而无法安装保温效果较好的三玻两腔中空玻璃,这时真空玻璃便成为不二之选。

友情链接:中华人民共和国住房和城乡建设部北京市住房和城乡建设委员会中国建筑节能协会北京市建筑业联合会

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