Cửa sổ bằng kính và sự kiểm soát năng lượng qua cửa kính

56 Views 0 Comment

Tổng quan về cửa sổ bằng kính và kiểm soát năng lượng qua cửa kính

Cửa sổ kính từ lâu đã được sử dụng trong các tòa nhà để tận dụng ánh sáng tự nhiên và thông gió. Nhiều nghiên cứu thậm chí còn cho thấy rằng sức khỏe, sự thoải mái và năng suất được cải thiện do môi trường trong nhà thông thoáng và tiếp cận với ánh sáng tự nhiên. Tuy nhiên, các cửa sổ cũng đại diện cho nguồn chính gây ra tổn thất nhiệt và các vấn đề tích tụ bức xạ nhiệt, tia UV… Chỉ tính riêng năm 1990, năng lượng được sử dụng để bù đắp tổn thất nhiệt không mong muốn qua cửa sổ trong các tòa nhà dân cư và thương mại đã tốn 20 tỷ đô la Mỹ (1/4 tổng năng lượng được sử dụng để sưởi ấm và làm mát không gian).

Trong những năm gần đầy, các cửa sổ đã trải qua một cuộc cách mạng công nghệ. Hệ thống cửa sổ và cửa kính hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng để cắt giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ và nguồn ô nhiễm môi trường: chúng cho phép chỉ một lượng nhỏ năng lượng bị mất và rò rỉ không khí, giúp cải thiện sự thoải mái và giảm thiểu sự ngưng tụ bức xạ có hại từ ánh sáng mặt trời. Các cửa sổ hiệu suất cao này gồm 2 hoặc nhiều hơn 3 lớp kính, lớp phủ trong suốt chuyên dụng, khí cách điện xen giữa và các khung được cải thiện. Tất cả các tính năng này làm giảm truyền nhiệt, do đó làm giảm năng lượng bị mất thông qua các cửa sổ.

Mô tả về hệ thống cửa sổ

Hệ thống cửa sổ bao gồm các tấm kính, khung cấu trúc, miếng đệm và chất bịt kín. Trong những năm gần đây, nhiều loại kính, lớp phủ và khung có sẵn để sử dụng trong các hệ thống cửa sổ đã tăng lên đáng kể, tăng cơ hội lựa chọn hệ thống cửa sổ phù hợp giúp tối ưu hóa đầu tư cho từng dự án cụ thể.

Sơ đồ trên cho thấy các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất cửa sổ là vật liệu khung, vật liệu đệm (bên trong khung cửa), số lượng các tấm, khí giữa các tấm kính, độ phát xạ.

Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống cửa sổ và kính là rất cần thiết cho hiệu quả năng lượng và sự thoải mái trong tất cả các tòa nhà. Ở các công trình dân cư, kiểm soát năng lượng qua cửa kính có thể giảm tiêu thụ năng lượng từ 10% đến 50% trong hầu hết các vùng khí hậu. Trong các tòa nhà thương mại và công nghiệp, các hệ thống cửa sổ được chỉ định phù hợp có thể giảm chi phí chiếu sáng và sưởi ấm/làm mát của hệ thống HVAC từ 10%-40%.

Cửa sổ và cửa kính nên được xem xét một cách tổng thể khi lựa chọn. Khi nhóm thiết kế và chủ sở hữu đồng ý về vấn đề thiết kế, các tùy chọn cửa sổ và cửa kính có thể được xem xét kiểm soát năng lượng qua cửa kính dựa trên các tiêu chí:

  • Lượng nhiệt thất thoát và lượng nhiệt xuyên vào phòng qua cửa kính
  • Yêu cầu trực quan (bảo mật, chói sáng, tầm nhìn)
  • Sự thoải mái
  • Kiểm soát sự ngưng tụ
  • Kiểm soát tia cực tím
  • Kiểm soát âm thanh
  • Hiệu ứng màu sắc
  • Ánh sáng ban ngày
  • Yêu cầu tiết kiệm năng lượng

Cuối cùng, sự lựa chọn tối ưu của hệ thống cửa sổ và kính sẽ phụ thuộc vào yếu tố bao gồm: loại hình sử dụng tòa nhà, khí hậu địa phương, lợi ích mong muốn và định hướng xây dựng.

  1. Đặc điểm cửa sổ kính

Để xác định đầy đủ 1 hệ thống cửa sổ cần phải xác định các đặc điểm sau:

– Giá trị U của cửa sổ

– Hệ số hấp thụ năng lượng mặt trời (SHGC) hoặc hệ số che nắng (SC)

– Khả năng truyền ánh sáng nhìn thấy qua kính (hay độ xuyên sáng, VLT)

Đối với các mục tiêu thẩm mỹ và hiệu suất cụ thể, nhà cung cấp cũng có thể muốn chỉ định:

– Màu sắc và các lớp phủ

Giá trị U (hệ số truyền nhiệt tổng thể)

Giá trị U cho biết tốc độ dòng nhiệt do dẫn truyền, đối lưu và các bức xạ qua cửa sổ do sự chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài. Hệ số U càng cao thì lượng nhiệt càng cao bị mất qua cửa sổ vào mùa đông.

Đơn vị của giá trị U là: BTU/(h °F ft ²)

Các hệ số của giá trị U thường nằm trong khoảng 1.3 (đối với cửa sổ bằng khung nhôm đơn thông thường) tới khoảng 0.2 (đối với các cửa sổ có hiệu suất ca, đa lớp với lớp phủ phát xạ thấp và khung cách nhiệt).

Một cửa sổ có hệ số U là 0.6 sẽ mất gấp đôi nhiệt dưới các điều kiện tương tự so với cửa sổ có giá trị U là 0.3.

Hệ số hấp thụ năng lượng mặt trời (SHGC)

SHGC cho biết lượng năng lượng mặt trời chiếu vào được truyền qua cửa sổ dưới dạng nhiệt. Khi SHGC tăng lên, tiềm năng hấp thụ năng lượng mặt trời thông qua cửa sổ cũng tăng lên.

Giá trị HSGC dao động giữa 0 và 1. Nếu HSGC = 0 tức là không có sự hấp thu năng lượng mặt trời nào truyền được qua cửa sổ dưới dạng nhiệt. Nếu HSGC = 1 tức là tất cả năng lượng mặt trời truyền đến hoàn toàn xuyên qua cửa sổ dưới dạng nhiệt.

Một cửa sổ có SHGC = 0.6 đồng nghĩa nó hấp thu nhiệt lượng gấp đôi so với cửa sổ có SHGC là 0.3.

Thông thường các cửa sổ có giá trị SHGC thấp là mong muốn của các tòa nhà có nhu cầu sử dụng điều hòa làm mát cao trong khi các cửa sổ có SHGC cao là mong muốn trong các tòa nhà cần năng lượng mặt trời thụ động.

Thuật ngữ “SHGC” tương đối mới và được dùng để thay thế cụm từ “hệ số che nắng (SC)”.

Độ xuyên sáng (VLT)

Độ xuyên sáng cho biết phần trăm ánh sáng nhìn thấy được của quang phổ mặt trời được quyền qua một tấm kính.

Ánh sáng mặt trời là 1 dạng trao đổi năng lượng điện từ giữa mặt trời và trái đất. Nó bao gồm một loạt các bước sóng điện tử, thường được phân loại là tia cực tím (UV), ánh sáng khả kiến, và tia hồng ngoại (IR) được gọi chung là quang phổ mặt trời.

Các tia có bước sóng ngắn, UV là vô hình với mắt thường nhưng thường chịu trách nhiệm cho sự phai màu và tổn thương da. Ánh sáng nhìn thấy được tạo thành từ những dải quang phổ có bước sóng có thể phát hiện bằng mắt người. Ánh sáng này chứa khoảng 47% năng lượng trong ánh sáng mặt trời. Các bước sóng tia hồng ngoại dài hơn và cũng vô hình nhưng chúng ta có thể cảm nhận được bằng nhiệt, chúng chiếm khoảng 46% năng lượng trong ánh sáng mặt trời.

Sắc thái kính và các lớp phủ

Các đặc tính của một thủy tinh có thể được thay đổi bằng cách pha màu hoặc bằng cách phủ hợp chất đặc biệt hoặc dán phim lên bề mặt tấm kính.

Kính màu thường là kết quả của chất nhuộm màu được thêm vào trong quá trình sản xuất. Một số loại kính màu cũng được sản xuất bằng cách thêm lớp màng phim vào tấm kính sau khi sản xuất.

Kính màu thường được lựa chọn cho mục đích thẩm mỹ. Một số loại kính màu cũng giúp giảm sự hấp thụ năng lượng mặt trời.

Các lớp phủ, thường ở dạng oxit kim loại cũng có thể được áp dụng cho thủy tinh trong quá trình sản xuất. Một số lớp phủ này được gọi là “phản xạ thấp” hoặc kính low-e, giúp giảm sự truyền nhiệt bức xạ giữa các tấm kính bằng cách ngăn chặn một số hoặc tất cả các bức xạ hồng ngoại. Những lớp phủ này có thể làm giảm đáng kể hệ số truyền nhiệt U của cửa sổ.

Cần chú ý trong việc chỉ định các sắc thái và lớp phủ, vì ứng dụng của chúng có thể ảnh hưởng đáng kể đến sự mất nhiệt của cửa sổ và tăng nhiệt.

Một số khuyến nghị cho việc xác định cửa sổ kính bao gồm:

– Thông thường, giá trị U thấp (<0.4) được chỉ định cho các ứng dụng dân cư. Ngay cả các giá trị thấp hơn có thể được mong muốn trong vùng khí hậu cực nóng.

– Cần xem xét toàn bộ giá trị hiệu suất cho toàn bộ sản phẩm đối với U và SHCG chứ không riêng gì mặt kính.

– Ở vùng khí hậu thường xuyên thay đổi, nên chọn cửa sổ có giá trị SHGC thấp (<0.4).

– Tỷ lệ xuyên sáng cao (>70%) đặc biệt phù hợp cho những ứng dụng đòi hỏi ánh sáng tự nhiên cao.

– Đối với các tòa nhà thương mại kết hợp với các chiến lược ánh sáng ban ngày, hãy phân tích sự cân bằng giữa kính tiêu chuẩn và kính có khả năng chọn lọc quang phổ và kiểm soát nhiệt. Kính chọn lọc quang phổ có độ xuyên sáng tương đối cao và SHGC tương đối thấp.

– Các cửa sổ có chỉ số SHGC thấp nên được xem xét để lắp kính hướng Đông và Tây như một phương tiện để kiểm soát nhiệt năng lượng mặt trời và tăng sự thoải mái cho người sử dụng. Đối với các kiến trúc thương mại và xây dựng lớn, nên lắp đặt cửa sổ có SHGC thấp ở mặt tiền Đông, Nam và Tây. SHDC cho cửa sổ hướng về phía Bắc hầu như không quan trọng đối với công trình tại Mỹ.

– Với các tòa nhà cần năng lượng mặt trời thụ động để sưởi ấm, các cửa sổ hướng về phía Nam nên có SHGC cao đồng thời chỉ sổ U thấp.

– Chọn những cửa sổ giúp bạn cảm thấy thoải mái. Các cửa sổ được sản xuất với kỹ thuật chuyên biệt có thể giúp nhiệt độ bức xạ trung bình (MRT) cao hơn vào mùa đông và thấp hơn vào mùa hè, mang đến cảm giác thoải mái và tăng năng suất làm việc. MRT đại diện cho nhiệt độ trung bình mà người cư ngụ cảm thấy từ sự trao đổi nhiệt bức xạ với môi trường xung quanh.

  1. Thông số kỹ thuật tiêu biểu
Loại kính Độ dày (INCHES) Độ xuyên sáng

(%)

U SHGC
Kính 1 lớp (trong suốt) 0.25 89 1.09 0.81
Kính trắng nhiều lớp/ Lớp phủ cách nhiệt

(Southwall California Series®)

0.25 73 1.06 0.46
Kính 2 lớp (trong suốt) 0.25 79 0.48 0.70
Kính 2 lớp phản quang

(LOF Eclipse®)

0.25 21 0.48 0.35
Kính 3 lớp (trong suốt) 0.125 74 0.36 0.67
Kính low-e 2 lớp phản quang

(LOF Clear Low-e®)

0.125 75 0.33 0.71
Kính low-e phủ mềm 2 lớp

(PPG Sungate® 100 Clear)

0.25 73 0.26 0.57
Kính Low-e hiệu suất cao

(Solarscreen 2000 VEI-2M™)

0.25 70 0.29 0.37
Suspended Coated Film

(Heat Mirror66 Clear)

0.125 55 0.25 0.35
Suspended Coated Film w/ Argon gas fill

(Azurlite® Heat Mirror SC75)

0.125 53 0.19 0.27
Double Suspended Coated Films w/ Krypton

(Heat Mirror77 Superglass)

0.125 55 0.10 0.34

(Thông tin hiệu suất được tính toán bằng chương trình phân tích trên máy tính của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley WINDOW)

  1. Các đặc tính khác

Các đặc tính khác của hệ thống cửa sổ và cửa kính bao gồm:

– Lớp không khí: các khí trơ như Argon và Krypton thường được nạp vào khoảng không giữa các lớp kính để giảm sự dẫn truyền và đối lưu. Các chi phí thấp, khí này làm giảm giá trị U mà không làm ảnh hưởng đến độ xuyên sáng.

– Men gốm: hỗn hợp men gốm có thể được phủ lên bề mặt thủy tinh để tạo ra nhiều kiểu dáng, màu sắc khác nhau.

– Kính an toàn và an ninh: Để thay thế cho kính tiêu chuẩn thông thường, kính an toàn được thiết kế để cung cấp bảo mật cao hơn và giảm nguy cơ chấn thương do kính vỡ.

– Phim cửa sổ: Có thể lắp đặt phim cửa sổ lên bề mặt kính để làm tăng hiệu suất các cửa sổ, mang lại những lợi ích bao gồm: giảm sức nóng mặt trời xuyên vào phòng qua cửa sổ, ngăn chặn bức xạ tia UV có hại, giảm sự quá tải hệ thống sưởi ấm và làm mát HVAC đồng thời tiết kiệm chi phí hóa đơn tiền điện… Để biết thêm những ưu điểm và nhược điểm của phim được trang bị thêm cho hệ thống cửa sổ, cửa kính, hãy truy cập ….

  1. Một số lưu ý kiểm soát năng lượng qua cửa kính

Một số điều cần lưu ý về đặc điểm kỹ thuật và ứng dụng của hệ thống cửa sổ kính bao gồm:

– Sử dụng các cửa sổ hiệu suất cao có thể làm giảm mức tiêu thụ năng lượng làm mát/sưởi ấm đáng kể.

– Hệ thống cửa sổ với lớp phủ low-e có thể ngăn chặn các tia UV gây hại trong ánh nắng mặt trời và tăng tuổi thọ của đồ nội thất.

– Tối ưu sự bố trí cửa sổ hợp lý có thể đem lại ánh sáng tự nhiên trong các tòa nhà thương mại/công trình xây dựng để giảm nhu cầu chiếu sáng nhân tạo và nhu cầu sưởi ấm từ năng lượng mặt trời thụ động, từ đó giúp tiết kiệm chi phí vận hành và bảo dưỡng.

– Nên lựa chọn sản phẩm có các giá trị hiệu suất năng lượng được chứng nhận

– Tất cả các lớp phủ low-e đều không giống nhau! Nếu các lớp phủ low-e đã được xác định để chắc chắn làm tăng hiệu suất kính, hãy đảm bảo lớp phủ này phù hợp với ngôi nhà, tòa nhà của bạn.

– Luôn luôn xem xét tiêu chí kiểm soát ánh sáng chói, đặc biệt là trong các ứng dụng thương mại và công nghiệp. Hạn chế tỷ lệ tương phản và cung cấp sự thoải mái cho thị giác được xem là rất quan trọng.

– Tránh các vấn đề ngưng tụ sương: Ngưng tụ xảy ra khi nhiệt độ bề mặt kính rơi xuống dưới điểm sương của không khí trong phòng. Nó có thể làm cản tầm trở tầm nhìn qua cửa sổ.