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0引言
建筑能耗在人类整个能源消耗中所占比例一般在30%～40%。我国城乡现有的近400亿m2建筑中，95%以上是高能耗建筑；每年新增建筑面积近20亿m2，其中80%以上也是高耗能。我国地域辽阔，各地区气候差异很大。夏热冬暖地区位于我国南部，包括海南全境、广东大部、广西大部、福建南部、云南小部分，以及香港、澳门与台湾。该地区夏季漫长，冬季寒冷时间很短，长年气温高而且湿度大，太阳辐射强烈，雨量充沛。对于夏热冬暖地区，《GB50176—1993民用建筑热工设计规范》有如下的设计要求：必须充分满足夏季防热要求，一般可不考虑冬季保温。一般来说，将温度降低一度所需能耗是将温度升高一度所需能耗的4倍，主要原因是制冷需要耗电，而燃烧燃料来发电的能耗损失比直接燃烧燃料进行制热的能耗要多得多[1]。因此，夏季制冷很昂贵，解决建筑的夏季隔热问题对建筑节能具有重大的意义。而建筑能耗的40%以上消耗在玻璃门窗上，太阳辐射通过窗进入室内的热量是造成夏季室内过热的主要原因，对于夏热冬暖地区，解决玻璃的隔热又是建筑节能的重中之重。对于玻璃的隔热，常用的措施主要有中空玻璃、热反射贴膜和Low-E玻璃，这些产品各有其特点和适用范围。近一段时期以来，一种新型的可用于玻璃隔热的涂料产品得到了广泛的关注和研究[2-8]，涂料所采用的功能粉体对可见光具有较高的透过率，而对红外光具有很好的屏蔽性能，因此可以隔绝太阳光中红外光产生的热效应，从而降低室内得热。对于玻璃隔热涂料，尽管可用于汽车玻璃等多个领域，但建筑节能是目前较可行的一个应用。目前对玻璃隔热涂料的研究主要针对隔热功能材料[4-5]和涂料中功能材料用量对产品隔热性能的影响[6-8]，而没有对应用玻璃隔热涂料之后整个建筑节能情况的分析和研究。本文采用水性聚氨酯和纳米功能粉体制备了玻璃隔热涂料，对其遮阳系数进行了表征。选择夏热冬暖地区的两个城市，将制得的涂料与目前常用的玻璃隔热措施进行了节能率和成本的比较，证实了此产品的实际应用价值。
1玻璃隔热涂料的制备和表征
在水性聚氨酯中加入纳米功能粉体，两者质量比为8∶1，低速搅拌，混合均匀。加入消泡剂、润湿剂等，高速搅拌约30min，再加入少许成膜助剂，制得玻璃隔热涂料。在6mm玻璃上用80μm线棒涂布器制膜，在《GB9278—1988涂料试样状态调节和试验的温湿度》规定的条件下养护7天。采用紫外/可见/近红外分光光度计(HITACHI，U-4100)测定试板的光学性能，可见光透射比为73.6%，遮蔽系数为0.71。图1给出了普通白玻和普通白玻+玻璃隔热涂料的透射光谱，玻璃隔热涂料的应用减少了可见光和近红外光范围内的透射率。
图1透射光谱
图1透射光谱
由图1可知，尤其是在近红外光范围，透射率显著下降。太阳能的50%集中在可见光范围，在近红外光范围内约45%，室内得热从而得以减少，并且，近红外光范围内透射率的降低所减少的室内得热占主要部分。同时可以看出，在可见光范围，透射率的减少程度要少很多，因而此产品可以保证良好的室内采光。
2玻璃隔热涂料的节能分析
将上述制得的玻璃隔热涂料应用于夏热冬暖地区，采用建筑节能设计分析软件TH-BECS2006(Build071204，能耗分析计算工具为DOE2.1E)对建筑的节能情况进行分析。
2.1围护结构设计构造
案例建筑概况如下：建筑面积10006.27m2、建筑高度60m、建筑层数20层、体形系数0.284、窗墙面积比0.280、外窗面积2247.15m2、外墙面积5778145m2、屋顶面积500.31m2。表1、2分别为2008年5月成本计算中的材料参考价格和成本计算中的施工参考价格。
表1 2008年5月成本计算中的材料参考价格
表1 2008年5月成本计算中的材料参考价格
表2 成本计算中的施工参考价格
表2 成本计算中的施工参考价格
表3给出了玻璃隔热涂料与目前常用的其他几种玻璃节能措施的相关参数，其中整窗的遮阳系数为玻璃遮阳系数×玻璃面积/整窗面积。
表3外窗设计构造
表3外窗设计构造
注：(1)玻璃面积/整窗面积按0.8计；(2)C0遮阳系数和传热系数按软件的默认值，C1、C2和C3的遮阳系数和传热系数来源于广东J公司，C4的遮阳系数和传热系数为嘉达玻璃隔热涂料性能。
外墙节能措施可用的材料有很多种，包括挤塑聚苯板(XPS)、膨胀聚苯板(EPS)、胶粉聚苯颗粒保温砂浆、无机保温砂浆等。因本文的研究对象是玻璃节能措施，在此不对外墙外保温做法的优劣进行分析，故外墙节能做法选择成熟的EPS板外墙外保温系统。同样，屋面也选择成熟的XPS板隔热做法。屋顶和外墙的设计构造分别见表4和表5。
表4外墙设计构造
表4外墙设计构造
注：外墙外表面的太阳辐射吸收系数取0.5。
表5屋顶设计构造
表5屋顶设计构造
2.2在南区的节能分析
以深圳为例，依据《JGJ75—2003夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》，参照建筑(节能率为50%)总耗电量330884kW·h。表6给出了不同外窗做法的节能率与增加的成本。从中可以看出，与中空玻璃(C1+Q0+W0)相比，玻璃隔热涂料(C4+Q0+W0)可以更小的成本获得更高的节能率，后者优于前者。
表6不同外窗做法的节能成本
表6不同外窗做法的节能成本
按50%的节能要求，在其他做法上增加外墙或屋顶节能措施，比较各种做法的成本，结果见表7。单片Low-E玻璃(C2+Q0+W0)和中空Low-E玻璃(C3+Q0+W0)的节能率大于50%，在此不做对比。由于软件中的厚度值只取整数，总耗电量无法与参照建筑总耗电量完全一致，因此表7给出总耗电量最接近330884kW·h时保温材料的厚度值。可以看出，当节能率达到50%时，玻璃隔热涂料+外墙外保温或屋顶隔热(C4+Q1+W0或C4+Q0+W1)的成本小于普通玻璃+外墙外保温(C0+Q1+W0)的成本，外窗采用玻璃隔热涂料是较优做法。
表7节能50%时不同做法的成本
表7节能50%时不同做法的成本
注：(1)—外墙增加6mm水泥砂浆找平，无需再增加EPS板，即可达到50%的节能率，增加成本只计算材料成本。
对于普通玻璃+屋顶隔热(C0+Q0+W1)，尽管成本非常低，但可以看到，XPS板的厚度增加到100mm时仍无法达到50%的节能要求。进一步的计算表明，即使XPS板的厚度增加到600mm，节能率仍仅为43.0%，无限制的增加XPS板的厚度并不能有效地降低能耗。基于实际情况，在后面的计算中，屋顶隔热用XPS板的最大厚度设定为100mm。表8给出了节能率为60%时不同做法的成本。表中没有给出单片Low-E玻璃+屋顶隔热和玻璃隔热涂料+屋顶隔热的数据，因计算结果表明，对此两种做法，单独靠增加XPS板的厚度无法达到节能60%的要求。
表8节能60%时不同做法的成本
表8节能60%时不同做法的成本
玻璃隔热涂料+外墙外保温(C4+Q1+W0)的成本为41.92万元，小于中空Low-E玻璃(C3+Q0+W0)的成本51.41万元，而后者还需增加成本才能达到60%的节能率。与单片Low-E玻璃+外墙外保温(C2+Q1+W0)相比，玻璃隔热涂料+外墙外保温(C4+Q1+W0)的成本同样要小。对于普通玻璃+外墙外保温+屋顶隔热(C0+Q1+W1)，当保温材料厚度都取100mm时节能率仍小于60%，而此时成本已经大__于玻璃隔热涂料+外墙外保温(C4+Q1+W0)的成本。因此，外窗采用玻璃隔热涂料能以最小的成本实现60%的节能，是最优做法。
2.3在北区的节能分析
以福州为例，依据《JGJ75—2003夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》，参照建筑(节能率为50%)年耗电量指标312144kW/m2。表9给出了不同外窗做法的节能率与增加的成本。
表9不同外窗做法的节能率
表9不同外窗做法的节能率
表10参照建筑的能耗分布
表10参照建筑的能耗分布
与南区不同的是，虽然玻璃隔热涂料(C4+Q0+W0)的成本较小，但其节能率也小于中空玻璃(C1+Q0+W0)。在北区，冬季采暖能耗在总能耗中的比例显著增加，与玻璃隔热涂料相比，中空玻璃的遮阳系数较大而传热系数较小，减少的采表11给出了节能率为50%时不同做法的成本。结果表明，虽然玻璃隔热涂料(C4+Q1+W0)优于中空玻璃、单片Low-E玻璃和中空Low-E玻璃，但其成本比普通玻璃+外墙外保温(C0+Q1+W0)和普通玻璃+外墙外保温+屋顶隔热(C0+Q1+W1)高出不少。其原因还是由于福州地区采暖能耗在总能耗中的比重较大，玻璃隔热涂料的遮蔽系数小，虽然有利于夏季隔热，但不利于冬季采暖。
表11节能50%时不同做法的成本
表11节能50%时不同做法的成本
计算表明，对于C0+Q1+W1，当外墙和屋顶的保温材料厚度都增加到100mm时，节能率为53.0%。按此时的总耗电量，不同做法的成本列于表12。可以看出，外窗采用玻璃隔热涂料的成本较小。
表12节能53%时不同做法的成本
表12节能53%时不同做法的成本
3结语
以水性聚氨酯和纳米功能粉体为主要原料制备了可用于玻璃的透明隔热涂料，涂刷此产品的玻璃试板的可见光透射比为73.6%，遮阳系数为0.71，可在实现良好室内采光的情况下减少室内得热。在深圳(夏热冬暖南区)，当节能要求为50%或60%时，外窗采用玻璃隔热涂料做法的成本最小，是最优做法。在福州(夏热冬暖北区)，因采暖能耗在总能耗中的比例的增加，当节能要求为50%时，普通玻璃+外墙外保温或普通玻璃+外墙外保温+屋顶隔热所需的成本较小，但玻璃隔热涂料仍优于中空玻璃、单片Low-E玻璃或中空Low-E玻璃。当节能率进一步提高到53%时，外窗采用玻璃隔热涂料的节能成本最小。本文从热工计算方面对玻璃隔热涂料应用于建筑节能的情况进行了分析，其实际效果有待于进一步的考查和研究。 |
