Low—E玻璃原理及應(yīng)用

朱人杰　詹鳴

【摘 要】本文通過對(duì)普通單片玻璃、中空玻璃、中空或真空Low-E玻璃組件傳熱模型的分析，根據(jù)基本光熱概念，闡明Low-E玻璃組件的節(jié)能原理，便于不同性能Low-E玻璃組件的選用。

【關(guān)鍵詞】傳熱系數(shù)；Low-E玻璃；中空玻璃；輻射率

中圖分類號(hào)： TQ171.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：2095-2457（2018）08-0173-002

Low-E glass principle and application

ZHU Ren-jie ZHAN Ming

（School of Architecture， Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan 450001，China）

【Abstract】Based on the analysis of the heat transfer model of common monolithic glass， hollow glass， hollow or vacuum Low-E glass components， the energy saving principle of Low-E glass components is elucidated according to the basic concept of light and heat， which is convenient for different performances. Low-E Selection of glass components.

【Key words】Heat transfer coefficient； Low-E glass； Hollow glass； Emissivity

0 引言

綠色節(jié)能是建筑發(fā)展的必然方向。被動(dòng)房是將自然通風(fēng)、自然采光、太陽能輻射和室內(nèi)非供暖熱源得熱等各種被動(dòng)式節(jié)能手段與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)高效節(jié)能技術(shù)相結(jié)合建造而成的低能耗建筑。這種建筑在顯著提高室內(nèi)環(huán)境舒適性的同時(shí)，可大幅度減少建筑使用能耗，最大限度地降低對(duì)主動(dòng)式機(jī)械采暖和制冷系統(tǒng)的依賴，節(jié)能效果可達(dá)到普通建筑的90%。被動(dòng)房屋節(jié)能的關(guān)鍵是采用高性能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，通過極低的傳熱系數(shù)和良好的密封性減少熱量的傳遞，在冬季可以憑借房屋自然得熱維持室內(nèi)溫度達(dá)到20度以上，在夏季則足以抵抗太陽熱輻射不傳到室內(nèi)。

窗戶是普通建筑隔熱保溫的薄弱環(huán)節(jié)，要達(dá)到被動(dòng)房的節(jié)能、舒適指標(biāo)要求，必須嚴(yán)格窗戶的設(shè)計(jì)、選材、施工等各個(gè)環(huán)節(jié)。外窗的隔熱性能通常用整窗傳熱系數(shù)描述，其計(jì)算包括玻璃傳熱、窗框傳熱和玻璃-窗框之間傳熱等部分，對(duì)于被動(dòng)房，通常要求整窗傳熱系數(shù)不大于1W/（m2·K）。窗戶的玻璃透明部分占窗戶面積的70%以上，玻璃的傳熱是外窗傳熱的主要部分，要滿足整窗傳熱系數(shù)指標(biāo)，玻璃必須達(dá)到更低的傳熱系數(shù)，一般要求不大于0.8W/（m2·K）。因此采用具有先進(jìn)光熱性能的新型玻璃材料，即Low-E玻璃是解決問題的關(guān)鍵。本文通過對(duì)普通單片玻璃、中空玻璃、中空或真空Low-E玻璃組件傳熱模型的分析，根據(jù)基本光熱概念，闡明Low-E玻璃組件的節(jié)能原理，便于不同性能Low-E玻璃組件的選用。

1 玻璃傳熱模型

1.1 普通單片玻璃

我們從普通單片玻璃出發(fā)分析玻璃傳熱。設(shè)想玻璃隔開室內(nèi)、外空氣，室內(nèi)溫度低于室外，不考慮太陽光輻射。這相當(dāng)于冬夜場(chǎng)景，主要關(guān)心的是室內(nèi)保溫，即減少室內(nèi)的熱量散失。不可避免地，熱量通過對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射三種形式，由高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞。由于空氣的流動(dòng)，室內(nèi)空氣主體各部分保持恒定的溫度，靠近玻璃處通過對(duì)流傳熱。但靠近玻璃內(nèi)表面的一薄層空氣可視為沒有宏觀流動(dòng)，熱量通過空氣傳導(dǎo)至玻璃內(nèi)表面。然后，熱量從玻璃內(nèi)表面通過傳導(dǎo)傳遞至玻璃外表面，然后與室內(nèi)空氣類似，通過空氣的傳導(dǎo)和對(duì)流傳至室外低溫空氣。另外還需考慮室內(nèi)空氣的輻射散熱。任何高于絕對(duì)零度的材料都會(huì)輻射電磁波，但對(duì)于通常室內(nèi)溫度，其輻射主要位于遠(yuǎn)紅外區(qū)。由于普通玻璃對(duì)遠(yuǎn)紅外線有強(qiáng)烈吸收，數(shù)毫米厚的玻璃即可完全吸收遠(yuǎn)紅外線，因此，室內(nèi)熱量難于通過玻璃直接輻射傳至室外。理論上，玻璃吸收遠(yuǎn)紅外線會(huì)引起溫度升高，并進(jìn)一步通過傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射將熱量傳至室外。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算和便于比較，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)通常將上述傳熱過程分為三部分，即室內(nèi)空氣-玻璃傳熱、玻璃傳熱、玻璃-室外空氣傳熱，并給定室內(nèi)、外溫度和風(fēng)速等條件，從而給出了特定的室內(nèi)、外空氣傳熱系數(shù)。這樣，單片玻璃的傳熱系數(shù)僅取決于玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)和玻璃的厚度。因?yàn)椴ＡЬ哂邢喈?dāng)大的導(dǎo)熱系數(shù)（約1W/（m·K）），經(jīng)計(jì)算，常用普通透明玻璃的傳熱系數(shù)約為5-6W/（m2·K），與被動(dòng)房要求的窗玻璃傳熱系數(shù)不大于0.8W/（m2·K）相距甚遠(yuǎn)。

冬季白天除考慮外窗的保溫性能外，還希望充分利用太陽輻射，一方面提供良好采光，另一方面提高室內(nèi)溫度，降低采暖能耗。太陽光輻射能量中的近紫外部分（波長(zhǎng)300-380 nm）約占13%，可見光部分（波長(zhǎng)380-780 nm）約占43%，近紅外部分（波長(zhǎng)780-2500 nm）約占41%，中、遠(yuǎn)紅外光（波長(zhǎng)大于2500nm）僅占3%左右。普通玻璃有相當(dāng)好的可見光透過性，這可用可見光透射比衡量。所謂可見光透射比，指在太陽光可見光譜（380nm-780nm）范圍內(nèi)，透過玻璃或其它透光材料的可見光對(duì)入射可見光的比值。3mm和6mm普通透明玻璃的可見光透射比分別為0.83和0.77，透明性良好。然而太陽輻射能量的近紅外線部分也占有很大比重，近紅外線的良好透過性也是室內(nèi)得熱的主要方面。室內(nèi)得熱可用太陽光總透射比來衡量，其含義為由太陽輻射的室內(nèi)得熱與照射到窗上的太陽輻射熱之比，包括直接輻射和窗戶的二次輻射，也稱為太陽能得熱系數(shù)（SHGC， solar heat gain coefficient）。普通玻璃的總透射比也相當(dāng)大，3mm和6mm普通透明玻璃總透射比分別為0.87和0.82，顯然，對(duì)于夏季需要阻隔強(qiáng)烈太陽輻射時(shí)普通玻璃難于勝任。

1.2 中空玻璃

兩片普通玻璃之間用薄空氣層隔開即構(gòu)成中空玻璃。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)（約0.0249W/（m·K））遠(yuǎn)低于玻璃，而空氣層的對(duì)流傳熱一般可忽略，作為一個(gè)整體，相當(dāng)于大幅度降低了玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)，理應(yīng)獲得很低的傳熱系數(shù)。但實(shí)際的傳熱系數(shù)并不低，這是因?yàn)檫€有一個(gè)傳熱方式不能忽略，即兩玻璃之間的輻射傳熱。

前已述及，任何高于絕對(duì)零度的材料都會(huì)輻射電磁波，中空玻璃兩內(nèi)表面都會(huì)輻射遠(yuǎn)紅外線，但總的輻射傳熱方向仍是高溫表面?zhèn)飨虻蜏乇砻妗Ｓ绊戄椛鋫鳠岬囊蛩赜袃蓚€(gè)，一個(gè)是兩表面溫度差，另一個(gè)是兩表面的輻射率。材料對(duì)電磁波的輻射和吸收是兩個(gè)相關(guān)的概念，如材料對(duì)所有輻射均完全吸收，即是所謂黑體，這只是理論上存在，同時(shí)，黑體也具有理論上的最強(qiáng)輻射能力。實(shí)際材料的輻射能力與材料本身性質(zhì)和表面形貌有關(guān)，但低于同溫度下的黑體，其比值就是輻射率。普通玻璃的輻射率相當(dāng)大，約為0.9，故中空玻璃兩內(nèi)表面的輻射傳熱是制約玻璃傳熱系數(shù)的重要因素。例如中空玻璃（6透明+12空氣+6透明）的傳熱系數(shù)為2.8W/（m2·K），仍難以滿足被動(dòng)房窗玻璃的指標(biāo)要求。

另外，中空玻璃對(duì)太陽輻射的影響與普通玻璃區(qū)別不大，例如中空玻璃（6透明+12空氣+6透明）的可見光透射比為0.71，太陽光總透射比為0.75，僅略低于普通玻璃，因此也不利于夏季對(duì)太陽輻射的遮擋。

1.3 Low-E玻璃組件

進(jìn)一步降低中空玻璃傳熱系數(shù)的關(guān)鍵就是降低玻璃內(nèi)表面的輻射率，顯而易見的方案就是采用低輻射率鍍膜。銀膜的輻射率只有0.02，遠(yuǎn)低于普通玻璃的0.91，以銀膜為主要功能膜的鍍膜玻璃就是Low-E玻璃，即低輻射（Low emission）玻璃。只要中空玻璃的兩玻璃之一采用Low-E玻璃，即可大大降低玻璃表面的輻射傳熱。如果再用導(dǎo)熱系數(shù)更低的惰性氣體例如氬氣（約0.01680.0249W/（m·K））代替空氣，則可進(jìn)一步降低玻璃間熱傳導(dǎo)，則傳熱系數(shù)可降至2W/（m2·K）以下，但一般仍高于1W/（m2·K）。采用兩片Low-E玻璃的三玻兩腔組件、無氣體填充的真空玻璃組件等，能進(jìn)一步降低傳熱系數(shù)至0.8W/（m2·K）以下，完全滿足被動(dòng)房的要求。

Low-E玻璃的優(yōu)勢(shì)不僅是其超低傳熱系數(shù)帶來的優(yōu)良保溫性能，對(duì)太陽輻射的選擇利用是其另一特點(diǎn)。冬季型的Low-E玻璃對(duì)可見光和近紅外光均有良好的透過性，有利于冬季室內(nèi)采光和得熱。但冬季型Low-E玻璃顯然不利于夏季遮擋強(qiáng)陽光輻射，夏季理想的狀況應(yīng)該是盡可能阻擋近紅外光造成的室內(nèi)得熱，適當(dāng)阻擋可見光避免炫光，但不影響正常采光。增加銀膜的層數(shù)可以提高Low-E玻璃的可見光選擇性，采用多層銀膜等方式，得到所謂雙銀、三銀Low-E玻璃，使其適當(dāng)反射可見光，但反射大部分近紅外光，使攝入室內(nèi)的陽光沒有明顯熱感，這就是所謂夏季型Low-E玻璃。

2 Low-E玻璃組件的選用

通過不同性能玻璃的組合可獲得具有特定光熱特性的Low-E玻璃組件，以適應(yīng)不同的氣候環(huán)境。衡量玻璃性能的指標(biāo)除了傳熱系數(shù)、可見光透射比、太陽光總透射比外，常用的還有遮陽系數(shù)和光熱比。遮陽系數(shù)是總透射比與3mm普通透明玻璃總透射比的比值，反映了玻璃對(duì)陽光輻射熱的總體遮蔽效果。該數(shù)值越小，則遮陽效果越強(qiáng)，但過小的遮陽系數(shù)也使玻璃可見光透過性變差，即影響玻璃透明，容易給人以壓抑感，也會(huì)增加室內(nèi)照明耗能。光熱比則是可見光透射比與太陽光總透射比的比值，反映了相同太陽得熱條件下可見光的透過性，該數(shù)值越大，可見光透過性越好。玻璃的這兩個(gè)指標(biāo)需綜合考慮才能獲得預(yù)期的隔熱和采光效果。

表1列出了一些典型玻璃的光熱參數(shù)。表2是中國(guó)建筑玻璃與工業(yè)玻璃協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《被動(dòng)式低能耗建筑透明部分用玻璃》（HB002-2014）對(duì)被動(dòng)房玻璃的部分指標(biāo)要求。我國(guó)地域廣大，氣候條件多樣，宜根據(jù)氣候特點(diǎn)，抓住主要矛盾，根據(jù)實(shí)際需要求選用合適玻璃組件，達(dá)到即滿足節(jié)能、舒適要求，又降低成本的目的。

3 結(jié)論

Low-E玻璃能滿足被動(dòng)房的節(jié)能舒適要求。Low-E玻璃及其組件的低輻射性是其保溫隔熱的關(guān)鍵，其可調(diào)的可見光和近紅外光透過性能便于對(duì)太陽輻射的合理控制，使其可用于不同氣候地區(qū)。

表2 不同地區(qū)被動(dòng)房透明部分用玻璃光熱參數(shù)

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