太陽能資源區建筑如何選擇節能玻璃

江蘇省徐州市新型建筑技術應用中心 ■ 何水清

江蘇省徐州市墻改辦公室 ■ 何勁波

江蘇省新沂市規劃局 ■ 毛希元

一 太陽能資源分布情況

太陽能高值中心在青藏高原，而低值中心是四川盆地。太陽能利用條件較好的地方如：西藏、青海、新疆、甘肅、內蒙、山西、陜西、河北、山東、遼寧、吉林、廣東、福建、海南等省(自治區)，太陽能輻射量較大，尤其是青藏高原地區太陽能資源最為豐富。按接收太陽能輻射量的大小，全國大致上可分為五類地區：一、二、三類地區，年日照時數大于2200h以上，年輻射總量高于1620kWh/m2，面積較大，約占全國總面積的2/3以上；四、五類地區，雖然太陽能資源條件較差，但仍有一定的利用價值。

我國劃分的氣候區，即嚴寒地區、寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區及溫和地區，太陽能資源分布區氣候條件相差不大。因各氣候區條件的差異，其建筑也所不同。

二 各氣候區熱工設計條件

嚴寒地區必須充分滿足冬季保溫要求，一般不考慮夏季隔熱；寒冷地區應滿足冬季保溫要求，部分地區兼顧夏季隔熱；夏熱冬冷地區必須滿足夏季隔熱要求，適當兼顧冬季保溫；夏熱冬暖地區必須充分滿足夏季隔熱要求，一般不考慮冬季保溫；溫和地區有2種情況，一種是波峰地區應考慮冬季保溫，一般不考慮夏季隔熱；另外一種是溫和地區的部分地區應考慮冬季保溫，一般不考慮夏季隔熱。這樣不同地區對太陽輻射的利用(限制)就有不同的要求，嚴寒(寒冷)地區要充分利用太陽輻射熱，并使已進入室內的太陽輻射熱最大限度地留在室內；而對夏熱冬暖(冬冷)地區，夏季要限制太陽輻射熱進入室內。窗玻璃的透光系數(透明玻璃)在72%(19mm)～89%(2mm)之間。透明玻璃在透光的同時，太陽熱也輻射入室內?，F在可采用鍍膜玻璃，使太陽可見光部分透射室內，將太陽輻射熱部分反射，以減少進入室內的太陽熱。陽光控制膜玻璃SS-8可見光透射率為8%，太陽能反射率為33%；SS-20可見光透射率為20%，太陽能反射率為18%；CG-8可見光透射率為8%，太陽能反射率為49%；CG-20可見光透射率為20%，太陽能反射率為39%；而低輻射LOW-E玻璃對紅外、遠紅外線有較強的反射功能，一般在50%。當一個物體本身有較高溫度時，它以遠紅外線向外輻射熱量；嚴寒(寒冷)地區，白天太陽輻射熱通過窗玻璃進入室內，被室內物體吸收(儲存)，當太陽落山后，室內溫度高于室外(還有室內采暖設備的熱量)就以遠紅外線通過窗戶向室外輻射，如果采用低輻射膜玻璃，白天將太陽輻射熱吸收到室內(約90%)，晚上又能將遠紅外輻射部分反射回室內。因此，對不同熱工設計分區的窗應選不同種類的鍍膜玻璃，即冬季采暖為主地區，宜選用LOW-E玻璃，以夏季隔熱為主的地區，宜選用陽光控制膜玻璃。

夏熱冬暖地區太陽輻射強烈，太陽高度角大，必須充分考慮夏季隔熱，可不考慮冬季防寒、保溫。建筑能耗主要為室內外溫差傳熱耗能和太陽輻射耗能，太陽輻射耗能占建筑能耗的大部分，是夏季得熱的最主要因素，直接影響室內溫度變化。因此，該地區應最大限度地控制進入室內的太陽能。選擇窗玻璃，主要考慮玻璃的折射系數，盡量選擇Sc較小的玻璃。一般而言，單片吸熱玻璃或熱反射玻璃、Low-E玻璃、Solar-E玻璃遮陽系數較小，能取得一定節能效果，但傳熱系數較大，節能效果有限?？蛇x擇中空玻璃，外片采用吸熱玻璃、熱反射玻璃、吸熱的Low-E玻璃和Solar-E玻璃，內片采用透明玻璃、Low-E玻璃等。這樣的組合(外片玻璃吸收絕大部分的太陽輻射熱，而空氣層將外片玻璃的熱輻射阻擋在外而不對室內產生二次輻射和傳熱)遮陽系數小、傳熱系數低，是夏熱冬暖地區的最好選擇。

三 節能玻璃的主要種類介紹

按熱工性能分，在玻璃原片中加一些元素，可制成吸熱玻璃。在玻璃的一面鍍膜可制成熱反射玻璃、低輻射(Low-E)玻璃，目前試驗出的真空玻璃重量比中空玻璃輕一半，厚度僅為中空玻璃的1/3～1/4，其保溫隔熱性能更優于中空玻璃。這些玻璃熱工性能各不相同，差異很大。

1 吸熱玻璃

組成中空玻璃的類型有：吸熱玻璃、陽光控制膜玻璃、Low-E玻璃等。吸熱玻璃通過本體著色減少太陽光熱量的透過率、增大吸收率，從而減少太陽輻射熱進入室內的程度。不同的顏色類型、不同深淺的吸熱玻璃，都會使玻璃的SHGC值和可見光透過率發生很大改變。但各種顏色系列的吸熱玻璃，其輻射率都與普通白玻璃相同，約為0.84。

對太陽輻射的吸收系數，不同的顏色有不同的透光率和吸熱率，如8mm厚的茶色玻璃的總透射系數只有46.3%，這些顏色的玻璃又因為不同的摻雜含量而出現顏色的深淺變化，5mm的吸熱玻璃其吸熱率一般都在30%左右。所以在相同厚度的情況下，組成中空玻璃時傳熱系數K值是相同的。選取不同廠商的幾種有代表性的6mm白玻，表1列出了各項節能特性參數。計算結果表明，吸熱玻璃僅能控制太陽輻射的熱量傳遞，不能改變由于溫度差引起的熱量傳遞。

表1 不同類型玻璃節能特性的對比

2 陽光控制鍍膜玻璃

它是在玻璃表面鍍上一層金屬或金屬化合物膜，膜色不僅使玻璃呈現豐富的色彩，而且更主要的作用就是降低玻璃的太陽得熱系數SHGC值，限制太陽輻射熱直接進入室內。不同類型的膜層會使玻璃的SHGC值和可見光透過率發生很大變化，但對遠紅外熱輻射沒有明顯的反射作用，所以陽光控制鍍膜玻璃單片或中空使用時，K值與白玻相近。

3 低輻射玻璃(Low-E玻璃)

Low-E玻璃是一種對波長范圍4.5～25μm的遠紅外線有很高反射比的鍍膜玻璃。在周圍環境中，由于溫度差引起的熱量傳遞主要集中在遠紅外波段上，白玻、吸熱玻璃、陽光控制膜玻璃對遠紅外熱輻射的反射率很小，吸熱率很高。吸收的熱量將會使玻璃自身的溫度提高，這樣就導致熱量再次向溫度低的一側傳遞。與之相反，Low-E玻璃可將溫度高的一側傳遞過來的80%以上的遠紅外熱輻射反射回，從而避免由于自身溫度提高產生的二次熱傳遞，所以Low-E玻璃具有很低的傳熱系數。以耀華生產的在線Low-E玻璃為例，與其他類型玻璃的對比見表1。其中耀華Low-E組合成中空時，傳熱系數可以達到1.9W/(m2·K)，比普通的白玻中空K值降低了30%，并且Low-E中空玻璃的SHGC值和可見透過率可按照節能的需要在生產時進行調節，嚴寒地區使用時可采用可見光高透型的Low-E中空玻璃。

Low-E玻璃之所以節能，因為它有以下特性：一是紅外線反射率高，可直接反射遠紅外輻射；二是表面輻射率低(≤ 0.15)，吸收外來能量的能力小，從而再輻射出的熱量少；三是遮陽系數范圍廣，可根據需要控制太陽能的透過量，適應不同地區的需要。

紅外線(熱輻射)反射率高，表明反射熱輻射的能力強，冬季可有效地阻止室內暖氣和人體發出的熱輻射散向室外；夏季可有效阻止室外道路及建筑物發出的熱輻射進入室內，具有阻止熱輻射直接透過的作用，Low-E玻璃的節能效果是冬暖夏涼。

4 Solar-E玻璃

它是一種特殊的低輻射玻璃，比Low-E玻璃有更好的太陽輻射隔絕能力，除具有低輻射性能外，還具有陽光控制性能。

5 中空玻璃

建筑節能用中空玻璃，在諸多的性能指標中，能用來判別節能特性的主要有傳熱系數K和太陽得熱系數SHGC，建筑節能設計標準中，是通過限定K和SHGC組合條件來使窗戶達到規定的節能效果。如K值越低，說明中空玻璃的保溫隔熱性能越好，在使用時節能效果越顯著。太陽得熱系數SHGC是在太陽輻射相同的條件下，太陽輻射能量透過窗玻璃進入室內的量與通過相同尺寸但無玻璃的開口進入室內的太陽熱量的比率。玻璃的SHGC值增大時，意味著可有更多的太陽直射熱量進入室內，減小時則更多的太陽直射熱量被阻擋在室外。

中空玻璃由于兩片玻璃之間形成了一定厚度并限制了流動空氣或其他氣體層，從而減少玻璃的對流和傳導傳熱中，因此它具有較好的隔熱能力。例如，由兩片5mm普通玻璃和中間厚度為10mm的空氣層組成的中間玻璃，在熱流垂直于玻璃進行傳遞時對流傳熱、傳導傳熱、輻射傳熱各占總傳熱的約2%、38%、60%，同時中空玻璃的單片還可采用鍍膜玻璃和其他節能玻璃，能將這些玻璃的優點都集中到中空玻璃上。也就是說中空玻璃還可集本身和鍍膜玻璃的優點于一身，從而發揮更好的節能作用，如用一層5mm厚、表面輻射率為0.2的低輻射玻璃和一層厚度為5mm的普通玻璃、空氣層為9mm組成的中空玻璃其K值約2.1W/(m2·K)，而同樣結構的普通中空玻璃K值為3.0W/(m2·K)，單層5mm普通玻璃K為5.9W/(m2·K)。

如果使用輻射率為0.08的低輻射玻璃并且將空氣層中的空氣用氬氣置換，空氣層的厚度選擇12mm，其K值可達到1.4W/(m2·K)。如果在中空玻璃的外片選擇熱反射玻璃，它還具有控制太陽能的作用。

說到中空玻璃的傳熱系數，與玻璃的熱阻(玻璃的熱阻為1m2·K/W)和玻璃厚度的乘積有著直接關系。對具有12mm空氣間隔層的普通中空玻璃進行計算，當兩片玻璃為3mm白玻時，K=2.745W/(m2·K)，都為10mm白玻時，K=2.64W/(m2·K)，約降低了3.8%，且K值的變化與玻璃厚度的變化基本為線性關系。從計算結果也可以看出，增加玻璃厚度對降低中空玻璃K值的作用較小，8+12+8的組合方式比常用的6+12+6組合K值又降低了0.03W/(m2·K)，對建筑耗能的影響甚微，所以在下面的其他因素分析中將以常用的6mm玻璃為主。

圖1 中空玻璃K值與玻璃厚度關系

當玻璃厚度增加時，太陽光穿透玻璃進入室內的能量將會隨之減少，從而導致中空玻璃太陽得熱系數降低。如圖2所示，在由兩片白玻組成的中空玻璃，單片玻璃厚度由3mm增加到10mm，SHGC值降低了16%；由綠玻(選用典型參數)+白玻組成中空玻璃，降低了37%。不同廠商、不同顏色的玻璃其影響程度有所不同，但同一類型中，玻璃的厚度對SHGC值影響較大，同時對可見光透過率的影響也很大。

圖2 SHGC值與玻璃厚度關系

6 夾層玻璃

夾層玻璃是由兩片或兩片以上的玻璃，由中間層與玻璃牢固的韌性粘結合成的復合玻璃制品。中間層一般為透明的有機材料。夾層玻璃具有很高的抗沖擊和抗貫穿性能。一般情況下，還能保持一定的可見度，從而起到安全防護作用。因此，又稱為夾層安全玻璃。

夾層玻璃與一般的建筑玻璃相比，除了不褪色、光亮鑒人、抗風化性強、經久耐用、價格低廉等眾多優點外，還具有獨特的多功能性，因此，越來越廣泛地應用在現代建筑設計中。夾層玻璃有幾種優異功能：

(1)安全功能

夾層玻璃可減少碎片的散發以及對人體的傷害，即使在破裂的情況下，夾層玻璃仍能起到良好的保護作用。另外，用于建筑物中的玻璃，雖然都具有抗風能力，并符合建筑法規定的規定，但是這些玻璃仍有可能，甚至在遭受低于設計水平的風力情況下發生破碎。這是因為風中常夾有其他物質，撞擊玻璃導致破碎。新型建筑夾層玻璃具有極好的抗風性能，即將在破碎的情況下，它仍然能保持完整，繼續保護著建筑物的內部不受侵擾。

(2)保安功能

夾層玻璃可承受榔頭、撬棒、磚頭、切割工具的破壞，甚至還能抵擋炸藥的巨大震動和防御子彈的穿透，這是一般玻璃不可能具有的。

(3)控制噪聲功能

眾所周知，建筑物中阻隔外界噪聲的薄弱環節是窗戶。由于聲音是各種不同頻率的聲能混合。為了有效地達到控制噪聲的目的，必須在一個寬廣的頻率范圍內降低聲級。聲音頻率在1000～2000Hz范圍內，建筑夾層玻璃可非常有效地減少聲音共鳴現象，從而創造一個對人體健康有利的聲學環境。

(4)調節陽光的功能

采用建筑夾層玻璃可明顯減弱陽光的照射，不僅可防止耀眼的眩光，而且也可將有害的紫外光拒之窗外。紫外光線是對建筑物內的家具、器具及物品等損害最為嚴重的光線，其波長為380nm以下。

建筑夾層玻璃可阻斷紫外光線的透射，且對室內的花卉等植物生長均無副作用。因為這些植物的感光細胞吸收周圍環境中波長為450nm、660nm和730nm的可見光，而這些光不會被夾層玻璃所阻斷。

以調節陽光為目標的建筑夾層玻璃可用各種耐熱、耐光的著色塑料膜來制造。

(5)結構功能

建筑夾層玻璃的強度是由許多因素決定的，如原片玻璃的類型、玻璃表面和玻璃邊緣的情況、玻璃的幾何形狀、安裝時的支承條件及玻璃在使用中的載荷特點等，影響夾層玻璃強度還有厚度、應用部位、長寬比及氣候環境等因素。

在遭到正面沖力(例如風力時)，夾層玻璃彎曲應力和薄膜應力都將增大。當玻璃伸展以適應風的沖力時，就會使薄膜產生作用力。

新型SGP夾層玻璃在玻璃采光頂和玻璃外窗、幕墻應用前景廣闊、良好。特別是夾膠節能玻璃，它的SGP膜能與金屬有著很好的粘結力，可與在線Low-E玻璃結合而成為夾膠節能玻璃，既有防飛濺的安全性，又有Low-E玻璃的節能性，有望替代Low-E中空玻璃。

7 普通透明玻璃

普通透明玻璃對可見光和近紅外波段透射率超過80%，單片透明玻璃的遮陽系數Sc為0.99，意味著對陽光輻射抵抗能力很差，在透過可見光的同時，絕大部分太陽輻射熱透過玻璃進入室內。同時，其熱阻力小，傳熱系數較大，3mm厚的透明玻璃傳熱系數在6.0W/(m2·K)以上。從節能的角度考慮，使用透明玻璃，夏季制冷和冬季采暖會耗能較大。

8 真空玻璃

真空玻璃是目前節能效果最好的玻璃。真空玻璃是將間隙為0.1～0.2mm的兩塊玻璃的四周密封，然后抽成真空，真空度要達到并保持在0.1Pa以上，從而使玻璃與玻璃之間的傳導熱接近于0，由于真空玻璃消除了氣體對流傳熱和傳導傳熱，因此其保溫隔熱性能良好。經測試，用3mm浮法玻璃制造的普通真空玻璃的傳熱系數可達到2.23W/(m2·K)，而用5mm普通浮法玻璃制造的中空玻璃的傳熱系數為3.09W/(m2·K)(5F+12A+5F)。用低輻射膜玻璃制造的真空玻璃的傳熱系數可達到1.33W/(m2·K)(4L+0.12+4F)，而用低輻射膜玻璃制造的中空玻璃的傳熱系數為1.96W/(m2·K)(5F+12A+5L)和 2.20W/(m2·K)(8F+9A+8L)。

日本已建成真空玻璃生產線，年產真空玻璃達到50萬m2。我國新立基技術有限公司建成生產試驗線，生產600mm×1500mm的真空玻璃產品，中國建筑科學研究院和北京新立基真空玻璃研究所對其產品的隔熱性能進行了測定(見表2)。

表2 幾種真空玻璃的熱導

從表2可以看出，真空玻璃的保溫隔熱性能優于中空玻璃的保溫隔熱性能。

有關真空玻璃在建筑節能中的效果方面，中國建筑科學研究院以實測熱阻為依據，對建筑物上采用真空玻璃的節能效果進行計算。表3為磚混結構通用設計能耗指標計算結果列表，同時也列出了采用其他玻璃的計算結果。

從表3可以看出，真空玻璃窗的傳熱系數，以雙面低輻射真空玻璃傳熱系數最小。真空玻璃的傳熱耗熱占建筑物總耗熱的比例比雙玻璃窗減少了7.4%，建筑物節能率提高了6.5%。以10000m2建筑物為例，采用真空玻璃塑鋼窗每年可以節約暖能耗相當于1220t標準煤。由此可見，真空玻璃提高了窗戶保溫隔熱性能，為建筑大幅度節能創造了條件。

表3 北京地區80住-2-4磚混建筑窗戶耗熱計算結果

四 玻璃節能評價的主要參數

自然界中熱量的傳遞通常有對流、輻射和傳導三種形式。由于玻璃是透明材料，通過玻璃的傳熱除了上述三種形式外，還有太陽能量以光輻射形式的直接透過。衡量通過玻璃進行能量傳播的參數有熱傳導率即K值(在美國成為U值)、太陽能透過率、遮敝系數、相對熱增益等。

1 熱能傳送參數——K值

K值表示的是在一定條件下熱量通過玻璃時，在單位面積(通常是1m2)、單位溫差(通常指室內溫度與室外溫度之差1℃或者1K)，單位時間(1s)內通過玻璃所傳遞熱量的焦耳數。單位通常是W/(m2·K)。K值是玻璃的傳導熱、對流熱和輻射熱的函數，它是這三種傳熱方式的綜合體現。玻璃的K值越大，它的隔熱能力就越差，通過玻璃的能量損失就越多。

2 太陽能傳遞參數

通過玻璃傳遞的太陽能其實有兩部分：一是太陽光直接透過玻璃而通過的能量；二是太陽光在通過玻璃時，部分能量被玻璃吸收轉化為熱能，該熱能中的一部分又通過傳導和輻射的形式進入室內。通常用三個概念來定義。

(1)太陽能透過率

太陽光以正常入射角通過玻璃直接傳遞的能量占太陽光總入射量的百分數。

(2)太陽能總的透過率

太陽光直射透過玻璃進入室內的能量與太陽光被琉璃吸收轉化為熱能后二次進入室內的能量之和占太陽光總入射能的百分數。

(3)太陽能反射率

太陽光被所有表面(單位玻璃有兩個表面，中空玻璃有至少四個表面)反射后的能量占太陽光總入射能的百分數。

3 遮敝系數

遮敝系數是相對于3mm無色透明玻璃而定義的，它是以3mm無色透明玻璃總的太陽能透過率視為1時(3mm無色透明玻璃的總太陽透過率是0.87)其他玻璃與其形式的相對值，即玻璃的總太陽能透過率除以0.87。

4 相對熱增益

用于反映玻璃綜合節能的指標是相對熱增益。它是指在一定條件下即室內外溫度差8℃、透過單位面積(通常為1m2)、玻璃處于地球緯度30?處海平面、被檢測玻璃相對于3mm透明玻璃，太陽能透過玻璃而進入室內的熱量與室外傳導到室內熱量之和。也就是室內溫差在8℃ 時透過玻璃的傳熱加上地球緯度為30?太陽的輻射熱628W/m2與遮敝系數Sc的積。也可表示為相對熱增益等于夏季U值(W/m2·K)×8(℃)+遮敝系數×628(W/m2)。相對熱增益越大，說明在夏季外界進入室內的熱量越多，玻璃的節能效果越差，這項指標可作為低緯度地區選擇節能玻璃的比較指標，它只有在夏季玻璃使用時才更有意義。對于玻璃真實的熱增益是由建筑所處的地球緯度、季節、玻璃與太陽光所形成的夾角及玻璃的性能共同決定的。影響熱增益的因素主要是玻璃對太陽能的控制能力即遮敝系數的隔熱能力。

相對熱增益特別適合于衡量低緯度且日照時間較長地區向陽面玻璃的適用情況，因為該指標反映的是室外溫度高于室內溫度時室外熱流流向室內且太陽能量也同時進入室內的情況下而給定的。

近年來有一些科研和生產單位研發了太陽能玻璃。多功能太陽能節能玻璃具有隔熱、發電、自動清潔三種功能，被業界稱為“奇跡玻璃”。這種玻璃由半導體層、真空層和隔熱層三種結構組成，其中的半導體片可吸收自然70%熱能，安裝于建筑上夏季可節約整體房屋50%的電能損耗，冬季可節約30%的暖氣供應。

[1] 何水清, 魏德林. 節能玻璃品種及選擇與節能玻璃評價主要參數分析[J]. 門窗, 2007, (8): 11－17.