Low—E玻璃原理及應用

朱人杰　詹鳴

【摘 要】本文通過對普通單片玻璃、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。

【關鍵詞】傳熱系數(shù)；Low-E玻璃；中空玻璃；輻射率

中圖分類號： TQ171.11 文獻標識碼： A 文章編號：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。被動房是將自然通風、自然采光、太陽能輻射和室內非供暖熱源得熱等各種被動式節(jié)能手段與建筑圍護結構高效節(jié)能技術相結合建造而成的低能耗建筑。這種建筑在顯著提高室內環(huán)境舒適性的同時，可大幅度減少建筑使用能耗，最大限度地降低對主動式機械采暖和制冷系統(tǒng)的依賴，節(jié)能效果可達到普通建筑的90%。被動房屋節(jié)能的關鍵是采用高性能的圍護結構，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溫度達到20度以上，在夏季則足以抵抗太陽熱輻射不傳到室內。

窗戶是普通建筑隔熱保溫的薄弱環(huán)節(jié)，要達到被動房的節(jié)能、舒適指標要求，必須嚴格窗戶的設計、選材、施工等各個環(huán)節(jié)。外窗的隔熱性能通常用整窗傳熱系數(shù)描述，其計算包括玻璃傳熱、窗框傳熱和玻璃-窗框之間傳熱等部分，對于被動房，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，玻璃必須達到更低的傳熱系數(shù)，一般要求不大于0.8W/（m2·K）。因此采用具有先進光熱性能的新型玻璃材料，即Low-E玻璃是解決問題的關鍵。本文通過對普通單片玻璃、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。設想玻璃隔開室內、外空氣，室內溫度低于室外，不考慮太陽光輻射。這相當于冬夜場景，主要關心的是室內保溫，即減少室內的熱量散失。不可避免地，熱量通過對流、傳導和輻射三種形式，由高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞。由于空氣的流動，室內空氣主體各部分保持恒定的溫度，靠近玻璃處通過對流傳熱。但靠近玻璃內表面的一薄層空氣可視為沒有宏觀流動，熱量通過空氣傳導至玻璃內表面。然后，熱量從玻璃內表面通過傳導傳遞至玻璃外表面，然后與室內空氣類似，通過空氣的傳導和對流傳至室外低溫空氣。另外還需考慮室內空氣的輻射散熱。任何高于絕對零度的材料都會輻射電磁波，但對于通常室內溫度，其輻射主要位于遠紅外區(qū)。由于普通玻璃對遠紅外線有強烈吸收，數(shù)毫米厚的玻璃即可完全吸收遠紅外線，因此，室內熱量難于通過玻璃直接輻射傳至室外。理論上，玻璃吸收遠紅外線會引起溫度升高，并進一步通過傳導、對流和輻射將熱量傳至室外。

為了簡化計算和便于比較，相關標準通常將上述傳熱過程分為三部分，即室內空氣-玻璃傳熱、玻璃傳熱、玻璃-室外空氣傳熱，并給定室內、外溫度和風速等條件，從而給出了特定的室內、外空氣傳熱系數(shù)。這樣，單片玻璃的傳熱系數(shù)僅取決于玻璃的導熱系數(shù)和玻璃的厚度。因為玻璃具有相當大的導熱系數(shù)（約1W/（m·K）），經計算，常用普通透明玻璃的傳熱系數(shù)約為5-6W/（m2·K），與被動房要求的窗玻璃傳熱系數(shù)不大于0.8W/（m2·K）相距甚遠。

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，另一方面提高室內溫度，降低采暖能耗。太陽光輻射能量中的近紫外部分（波長300-380 nm）約占13%，可見光部分（波長380-780 nm）約占43%，近紅外部分（波長780-2500 nm）約占41%，中、遠紅外光（波長大于2500nm）僅占3%左右。普通玻璃有相當好的可見光透過性，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，透過玻璃或其它透光材料的可見光對入射可見光的比值。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得熱的主要方面。室內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，對于夏季需要阻隔強烈太陽輻射時普通玻璃難于勝任。

1.2 中空玻璃

兩片普通玻璃之間用薄空氣層隔開即構成中空玻璃。由于空氣的導熱系數(shù)（約0.0249W/（m·K））遠低于玻璃，而空氣層的對流傳熱一般可忽略，作為一個整體，相當于大幅度降低了玻璃的導熱系數(shù)，理應獲得很低的傳熱系數(shù)。但實際的傳熱系數(shù)并不低，這是因為還有一個傳熱方式不能忽略，即兩玻璃之間的輻射傳熱。

前已述及，任何高于絕對零度的材料都會輻射電磁波，中空玻璃兩內表面都會輻射遠紅外線，但總的輻射傳熱方向仍是高溫表面?zhèn)飨虻蜏乇砻?。影響輻射傳熱的因素有兩個，一個是兩表面溫度差，另一個是兩表面的輻射率。材料對電磁波的輻射和吸收是兩個相關的概念，如材料對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，黑體也具有理論上的最強輻射能力。實際材料的輻射能力與材料本身性質和表面形貌有關，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大，約為0.9，故中空玻璃兩內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），仍難以滿足被動房窗玻璃的指標要求。

另外，中空玻璃對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太陽輻射的遮擋。

1.3 Low-E玻璃組件

進一步降低中空玻璃傳熱系數(shù)的關鍵就是降低玻璃內表面的輻射率，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，則可進一步降低玻璃間熱傳導，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，能進一步降低傳熱系數(shù)至0.8W/（m2·K）以下，完全滿足被動房的要求。

Low-E玻璃的優(yōu)勢不僅是其超低傳熱系數(shù)帶來的優(yōu)良保溫性能，對太陽輻射的選擇利用是其另一特點。冬季型的Low-E玻璃對可見光和近紅外光均有良好的透過性，有利于冬季室內采光和得熱。但冬季型Low-E玻璃顯然不利于夏季遮擋強陽光輻射，夏季理想的狀況應該是盡可能阻擋近紅外光造成的室內得熱，適當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，使其適當反射可見光，但反射大部分近紅外光，使攝入室內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，以適應不同的氣候環(huán)境。衡量玻璃性能的指標除了傳熱系數(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，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，也會增加室內照明耗能。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。玻璃的這兩個指標需綜合考慮才能獲得預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是中國建筑玻璃與工業(yè)玻璃協(xié)會標準《被動式低能耗建筑透明部分用玻璃》（HB002-2014）對被動房玻璃的部分指標要求。我國地域廣大，氣候條件多樣，宜根據(jù)氣候特點，抓住主要矛盾，根據(jù)實際需要求選用合適玻璃組件，達到即滿足節(jié)能、舒適要求，又降低成本的目的。

3 結論

Low-E玻璃能滿足被動房的節(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鍵，其可調的可見光和近紅外光透過性能便于對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)被動房透明部分用玻璃光熱參數(shù)

【參考文獻】

[1]張小玲.被動房——房屋發(fā)展的必然趨勢[J].動感：生態(tài)城市與綠色建筑，2015（1）：46-49.

[2]王世忠.低輻射玻璃的概念與應用問題的討論[J].玻璃， 2011，38（7）：3-9.

[3]董子忠，王體，溫永玲，等.Low—E 鍍膜玻璃的熱工性能[J].新型建筑材料，2003（3）：50-54.

[4]許威，唐健正，唐曉蓓.被動房門窗玻璃優(yōu)選高品質真空玻璃[J].建設科技，2016（4）：33-35.

[5]許威，唐健正.關于被動房用外窗玻璃的幾點建議[J].建設科技，2016（17）：49-51.