常规镀膜玻璃的节能特性和参数

-1-常规镀膜玻璃的节能特性和参数一、概述现代建筑，不论是商厦还是住宅，都趋向于大面积采光。但是，普通透明玻璃对太阳能辐射和远红外热辐射没有控制，其面积越大，夏季进入室内的热量越多，冬季室内散失的热量越多。为此，必须对玻璃表面进行处理，于是产生了有节能功能的镀膜玻璃。早期的镀膜玻璃主要是热反射镀膜玻璃（或称阳光控制膜玻璃），其作用是限制太阳能辐射直接进入室内。用于建筑幕墙玻璃时，除具有亮丽的外观装饰效果外，还可降低冷气设备的运行费用。但这种玻璃与普通玻璃一样，会吸收远红外热辐射而使其自身的温度升高，最终仍有相当部分的热能透过了玻璃，其隔热性能也受到了极大的限制。选用什么材料？采用何种工艺镀膜才能有效地阻挡远红外热辐射？研究的结果诞生了低辐射镀膜玻璃（简称Low-E玻璃）。这种玻璃的最大特点是将远红外热辐射反射出去，使其不能透过玻璃从而起到节能隔热的作用。因此，目前世界上公认Low-E玻璃是最理想的窗玻璃材料。Low-E玻璃在国外已有近二十年的使用历史，我国因受到设备和生产工艺技术方面限制，同时也因节能观念的落后而起步较晚。可喜的是，自南玻集团于1997年推出Low-E玻璃并在全国范围内大力推介后，目前已为众多设计师和用户所认同并采用。规模化采用Low-E玻璃时代已经到来，这必将对我国的建筑节能材料应用产生影响并作出贡献。关于镀膜玻璃，包括LOW-E玻璃的节能特性，已有许多文章或专著论述过，在大多数文章或企业的产品介绍中都列出了完整的参数，但理解这些参数须具备一定的专业知识。对用户来说更关心的是：哪些参数与节能性直接相关？怎样才能区别不同玻璃之间节能性的优劣？如何根据这些参数选择适用的玻璃？本文拟深入浅出地回答这些问题。二、热能的形式及窗玻璃组件的传热1、自然环境中的热能自然环境中的热能主要是太阳辐射能，其能量的98%分布在0.3至3µm波长之间。除了太阳直接辐射的能量外（能量分布在），还存在着大量的远红外线热辐射-2-能，其能量分布在3至40µm波长之间。在室外，这部分热能是由太阳照射到物体上被物体吸收后再辐射出来的，夏季成为来自室外的主要热源之一。在室内，这部分热能是由暖气、家用电器、被阳光照射后的家具及人体所产生的，冬季成为来自室内的主要热源。需要说明的是，在通常情况下来自室内、室外的热辐射可同时存在，只不过夏季来自室外的热辐射远大于室内的热辐射，而冬季来自室内的热辐射又远大于室外的热辐射。因此，选择玻璃时必须考虑建筑物所处的地理环境，以便所选择的玻璃能有效地阻挡来自主要热源的热能。2.热量的传递过程照射到玻璃上的太阳辐射能，一部分被玻璃所吸收或反射，另一部分透过玻璃成为直接透过的能量（图1）。当玻璃吸收太阳能后温度升高，吸收的能量通过与空气对流及向外辐射远红外线（即热辐射）而散失。因此，被吸收的能量最终仍有约50%透过了物体，这可归结为对流传导形式的传递。图1.太阳能量透过玻璃示意图远红外热辐射也能透过物体或被物体所吸收。一般工程材料，例如普通平板玻璃，不能透过远红外热辐射，只能反射它或吸收它，反射和吸收能力因材料而不同。吸收率（=辐射率E）低的物体，则必然反射率高（反射率+吸收率=1），这种物体不易吸收外来的热辐射能量，其隔热性能就好。辐射率E高的物体吸收的热辐射多，图.2远红外热辐射透过玻璃示意它再次向外辐射出的热量也多，相当于透过该物体的热量多。因此，远红外热辐射透过物体物体的传热，是通过对流传导传体现的。低辐射玻璃正是限制了这一部分太阳直接辐射透过对流传导透过辐射、对流传导透过-3-的传热。通过对两类热源传热过程的分析，可将热量的传递可归结为两种方式：辐射直接透过传热、对流传导传热。3．窗玻璃传热的定量表达对流传导所传递的热能为Q1，这其中还包括玻璃吸收各波段的辐射后再放出的热量。太阳能直接辐射透过的热能为Q2，这部分热能仅指可见光、近红外辐射直接透过的能量。透过玻璃传递的总热能Q可由下式表示：Q=U（T内—T外）+太阳辐射系数Sc（式-1）Q1对流传导部分Q2太阳直接辐射部分U-----玻璃的传热系数，单位为W/m2℃。在相同的室内外温差下，U值越低则通过对流传导传递的热能越少。玻璃的U值与玻璃的辐射率E有关，辐射率E越低U值也越低。降低U值的两种有效方法是：在玻璃表面上镀低辐射膜，或将窗玻璃合成中空玻璃结构。Sc-----玻璃的遮阳系数，反映玻璃对阳光的遮蔽效果。Sc高则意味着透过玻璃的太阳能多，反之则少。控制玻璃Sc的有效方法是：在玻璃表面上镀膜，或在制造玻璃的过程中加入色剂形成着色玻璃。但着色玻璃属于吸热玻璃，其吸收率偏高因而U值也高，所以它是以增大对流传导传热为代价来降低太阳能直接透过的。太阳辐射系数-----为一常数630w/m2，可理解为太阳照射到地面的能量强度(注：实际强度为783w/m2，透过3mm普通白玻璃后为630w/m2，Sc的定义如此)。T内—T外---玻璃两侧的温度差，即室内、室外的的温度差。从上式可看出，玻璃节能性的优劣由U和Sc这两个参数就完全可以判定，但实际上考虑到玻璃的透光率，Sc不可能选的太低，否则室内采光极差。U和Sc是玻璃的重要参数，在产品说明书中一般是给出的。特殊结构的产品如中空玻璃、夹层玻璃等需个别测量并计算得出。中国南玻集团置有测量仪器和计算软件包，可提供实测参数。根据供应商提供的U、Sc值，及设定室内外的温度条件后，可由上式计算出玻璃的传热量，从而比较各种玻璃的节能特性。三、不同玻璃的传热特性及参数1、几种玻璃的参数对比-4-以下列出几种玻璃的传热系数U、遮阳系数Sc，随后对比说明各自的传热特性及其优劣。其它参数暂不论及。表-1几种玻璃的主要光热参数玻璃名称玻璃种类、结构透光率（%）遮阳系数Sc传热系数U夏（w/m2℃）传热系数U冬（w/m2℃）单片白玻6c890.995.746.17白玻中空6c+12A+6c810.873.092.75单片热反射镀膜6CTS140400.555.725.66热反射镀膜中空玻璃6CTS140+12A+6c370.443.042.58LOW-E中空玻璃6CEB12+12A+6c390.311.701.66说明：白玻指普通透明玻璃，6c表示6mm透明玻璃，CTS140是热反射镀膜玻璃型号，CEB12是Low-E玻璃型号。U是ASHERA标准条件下的传热系数。2、单片透明玻璃单片透明玻璃的遮阳系数Sc=0.99，这意味着它对阳光辐射阻挡能力很差，绝大部分的太阳辐射热能透过玻璃进入了室内，夏季白天进入室内的太阳辐射热能远大于玻璃向外辐射散发的热能，因此使室内温度升高。单片透明玻璃的传热系数U冬=6.17w/m2℃，若室内外温差为25℃，则因对流传导而透过每平方米玻璃的热能就达154瓦。冬季夜间和阴雨天气，由于没有阳光辐射，玻璃吸收室内热辐射后向外散热成为主流，因此使室内温度降低。即使在冬季的阳光天气，虽然阳光辐射的透过率相当高，但由于室内外温差大，对流传导散热仍是主流，室内大量的热辐射会透过玻璃泄向室外。3、透明中空玻璃(白玻中空)与单片透明玻璃相比，透明中空玻璃仅改善了对流传导部分的传热，即通过降低U值而使对流传导热Q1减少，但对辐射直接透过和吸收部分没有明显的改善。由于玻璃表面没有镀膜，故U值的降低也是有限的。因此，采用中空玻璃的结构来增加隔热性能只能隔绝一部分的传热，其效果是有限的。需要说明的是，中空玻璃的U值与其空气层的厚度关系密切，且随厚度的变化比较明显。在空气层小于13mm时，空气层越厚U值越低，在13mm左右达到最低极限，此后U值随厚度增加。这是由于在13mm以上的厚度下，内部空气会形成闭-5-环对流，增大了热量的传递。若在中空玻璃中充入Ar气等惰性气体还会更进一步地降低U值。4、单片热反射镀膜玻璃热反射镀膜玻璃是在玻璃的表面镀上介质、金属或金属氧化物膜，在使玻璃呈显不同色彩的同时，还具有了新的光、热性能。它的主要作用就是降低玻璃的遮阳系数Sc，限制太阳辐射的直接透过，因此称其为阳光控制玻璃更为确切。由于所镀的膜仍是一般工程材料，故对改善U值没有大的贡献。在夏季白天和光照强的地区，其隔热作用十分明显，可有效限制进入室内的太阳热能。但在不存在阳光的环境中，如夜晚或阴雨天气，其隔热作用与白玻璃无异。由此可见它不适用于寒冷地区，因为这些地区需要阳光进入室内采暖。在北方寒冷地区采用这种玻璃的唯一目的就是追求装饰效果。需要指出的是，热反射镀膜玻璃在有效降低Sc的同时，也大大地降低了玻璃的透光率，从而影响到室内的采光。若要提高透光率就不得不损失隔热性，这是个矛盾的选择，而这一矛盾是热反射玻璃镀膜玻璃所无法解决的。5、热反射中空玻璃将热反射镀膜玻璃合成中空玻璃后，可集两种优点于一身，即不但对太阳直接辐射有所控制，同时也限制了对流传导传热。这种玻璃结构是一种比较理想的搭配，基本上可适用于我国的绝大部分地区。需要说明的是，这种玻璃U值的降低是通过中空玻璃结构实现的，因而也是有限的。6、LOW-E中空玻璃Low-E玻璃的表面辐射率低E0.15、红外线(热辐射)反射率高，这意味着它同室内外空气接触后吸热少、升温低、再放出的热量少，即隔热性能好；仅单片LOW-E玻璃的U值就低于热反射玻璃，合成LOW-E中空玻璃后这一优势更加突出，因此这是最理想的玻璃结构搭配。Low-E玻璃的另一特点是透光率偏高(33%～72%)，而遮阳系数Sc选择范围大（0.25～0.68）。与热反射玻璃相比，在同样的透光率下Low-E玻璃具有更低的Sc，这解决了热反射玻璃所遇到的矛盾，即在保证室内高透光的前提下不损失隔热性（见表-1）。冬季Low-E玻璃可有效地阻止室内暖气和人体发出的热辐射泄向室外，夏季则可有效地阻挡室外道路及建筑物发出的热辐射进入室内。Low-E玻璃的这种阻挡热-6-辐射透过的作用与季节无关。换句话说，Low-E玻璃是一种良好的绝热材料。7、传热量对比在以下条件下对上述几种玻璃的传热量按（式-1）进行计算，计算结果列入表-2中：夏季白天室外35℃、室内20℃，冬季夜晚室外－10℃、室内温度15℃。表-2透过玻璃传递的热能（功率）玻璃种类、结构夏季传入室内的热量冬季传出室内的热量单片6mm白玻710w/m2154w/m2白玻中空594w/m269w/m2单片热反射玻璃432w/m2141w/m2热反射中空玻璃323w/m265w/m2Low-E中空玻璃221w/m242w/m2从表中数据可以看出，在夏季白天，采用Low-E中空玻璃比采用同样透光率的热反射中空玻璃，可使透过每平方米玻璃进入室内的热能减少102W。而在冬季则可使透过每平方米玻璃泄出室内的热能少23W。若整个建筑物朝南向的采光窗为1000m2，全天太阳的平均照射功率为最大功率的1/3，每天开机10小时，夏季开机3个月，则一个夏季可节省25500度电（未考虑电致冷转换率），节能效率达30%以上。冬季也可用同样方法估算出节能量。与其它玻璃的比较可按同样的计算方式得出。由此可见Low-E玻璃优良的节能特性。四、传热系数U与K的区别传热系数是重要的热工设计参数之一，我国的设计师已习惯于用K值进行热工计算。自20世纪80年代中期引进国外镀膜玻璃生产技术及产品后，目前较多技术资料提供的传热系数已不是中国国家标准GB10294条件下的K值（等同采用日本标准），而是美国ASHREA标准条件下的U值，或欧洲标准EN673条件下的K值。这三种传热系数之间有什么区别？各有什么特点？相互之间是否存在换算关系？以下就此进行说明。1、传热系数的定义传热系数（导热系数）是衡量物体导热性能的物理量，它的定义是：在规定的-7-标准温度条件下，单位时间内从单位面积的玻璃组件一侧空气到另一侧空气所传输的热量。按此定义透过玻璃组件传导的热量Q可用下式表示：Q=传热系数×（T内—T外）（式—2）其中T内、T外分别是玻璃两侧的温度，或室内、室外的温度。2、传热系数的单位传热系数的公制单位为：W/m2℃，其中W--瓦（热功率），m2--平方米（玻璃面积），℃--摄氏温度。传热系数的英制单位为：BYU/hft2℉，其中