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一、建筑節(jié)能對玻璃性能的要求
隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度的提高，建筑能耗在社會總能耗中的所占比例越來越大，目前西方發(fā)達(dá)國家約為30%~45%，盡管我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和生活水平都還不高，但這一比例已達(dá)到20%~25%，正逐步上升到30%。在一些大城市，夏季空調(diào)已成為電力高峰負(fù)荷的主要組成部分。不論西方發(fā)達(dá)國家，還是我國，建筑能耗狀況都是牽動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展全局的大問題。按照1986年制定的我國建筑節(jié)能分三步走的計劃，當(dāng)前政府各級節(jié)能管理部門正在積極啟動實現(xiàn)第三步節(jié)能65%目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)編制工作。而在影響建筑能耗的門窗、墻體、屋面、地面四大圍護(hù)部件中，門窗的絕熱性能最差，是影響室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量和建筑節(jié)能的主要因素之一。就我國目前典型的圍護(hù)部件而言，門窗的能耗約占建筑圍護(hù)部件總能耗的40%~50%。據(jù)統(tǒng)計，在采暖或空調(diào)的條件下，冬季單玻窗所損失的熱量約占供熱負(fù)荷的30%~50%，夏季因太陽輻射熱透過單玻窗射入室內(nèi)而消耗的冷量約占空調(diào)負(fù)荷的20%~30%。因此，增強(qiáng)門窗的保溫隔熱性能，減少門窗的能耗，是改善室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量和提高建筑節(jié)能水平的重要環(huán)節(jié)。
中空玻璃具有突出的保溫隔熱性能，是提高門窗節(jié)能水平的重要材料，近些年已經(jīng)在建筑上得到了極其廣泛的使用。但隨著節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，普通的中空玻璃已不能完全滿足節(jié)能設(shè)計的技術(shù)要求。例如在夏熱冬冷地區(qū)的節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中，對大窗墻比的外窗傳熱系數(shù)限制指標(biāo)到了2.5W/m2K，夏熱冬暖地區(qū)這一指標(biāo)在部分條件下到了2.0W/m2K。所以我們應(yīng)該一方面大力推廣Low-E中空玻璃這種具有優(yōu)良節(jié)能特性的新產(chǎn)品，另一方面要深入分析和掌握中空玻璃節(jié)能性能的各個影響因素，從玻璃原片、間隔組成和使用環(huán)境等方面保證中空玻璃能夠發(fā)揮它最佳的節(jié)能性能。
二、中空玻璃節(jié)能特性的基本指標(biāo)
在建筑用中空玻璃諸多的性能指標(biāo)中，能夠用來判別其節(jié)能特性的主要有傳熱系數(shù)K和太陽得熱系數(shù)SHGC。中空玻璃的傳熱系數(shù)K是指在穩(wěn)定傳熱條件下，玻璃兩側(cè)空氣溫度差為1℃時，單位時間內(nèi)通過1平方米中空玻璃的傳熱量，以W/m2K表示。K值越低，說明中空玻璃的保溫隔熱性能越好，在使用時的節(jié)能效果越顯著。太陽得熱系數(shù)SHGC是指在太陽輻射相同的條件下，太陽輻射能量透過窗玻璃進(jìn)入室內(nèi)的量與通過相同尺寸但無玻璃的開口進(jìn)入室內(nèi)的太陽熱量的比率。玻璃的SHGC值增大時，意味著可以有更多的太陽直射熱量進(jìn)入室內(nèi)，減小時則將更多的太陽直射熱量阻擋在室外。SHGC值對節(jié)能效果的影響是與建筑物所處的不同氣候條件相聯(lián)系的，在炎熱氣候條件下，應(yīng)該減少太陽輻射熱量對室內(nèi)溫度的影響，此時需要玻璃具有相對低的SHGC值；在寒冷氣候條件下，應(yīng)充分利用太陽輻射熱量來提高室內(nèi)的溫度，此時需要高SHGC值的玻璃。在K值與SHGC值之間，前者主要衡量的是由于溫度差而產(chǎn)生的傳熱過程，后者主要衡量的是由太陽輻射產(chǎn)生的熱量傳遞，實際生活環(huán)境中兩種影響同時存在，所以在各建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中，是通過限定K和SHGC的組合條件來使窗戶達(dá)到規(guī)定的節(jié)能效果。
目前，中空玻璃的K值是通過實驗室實際測量得出的，SHGC值是對光譜數(shù)據(jù)計算得出的。因為K值的實際測量受成本限制難以收集各種類型的大量數(shù)據(jù)，所以本文的分析過程將采用美國勞倫斯伯克利實驗室開發(fā)的Window5.2軟件進(jìn)行模擬計算。該軟件能夠計算出各種類型玻璃的K值和SHGC值等相關(guān)參數(shù)，其計算結(jié)果可以近似代替實際測量值。為了保證計算結(jié)果的一致性，除特殊說明以外，本文在計算分析中采用NFRC系列標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境條件設(shè)置數(shù)據(jù)。
三、節(jié)能指標(biāo)的影響因素分析
1、玻璃的厚度：
中空玻璃的傳熱系數(shù)，與玻璃的熱阻（玻璃的熱阻為1mK/W）和玻璃厚度的乘積有著直接的聯(lián)系。當(dāng)增加玻璃厚度時，必然會增大該片玻璃對熱量傳遞的阻擋能力，從而降低整個中空玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)。對具有12mm空氣間隔層的普通中空玻璃進(jìn)行計算，當(dāng)兩片玻璃都為3mm白玻時，K=2.745W/m2K，都為10mm白玻時，K=2.64W/m2K，降低了3.8%左右，且K值的變化與玻璃厚度的變化基本為直線關(guān)系。從計算結(jié)果也可以看出，增加玻璃厚度對降低中空玻璃K值的作用不是很大，8+12+8的組合方式比常用的6+12+6組合K值僅降低0.03W/m2K，對建筑能耗的影響甚微。由吸熱玻璃或鍍膜玻璃組成的中空系統(tǒng)，其變化情況與白玻相近，所以在下面的其它因素分析中將以常用的6mm玻璃為主。
當(dāng)玻璃厚度增加時，太陽光穿透玻璃進(jìn)入室內(nèi)的能量將會隨之而減少，從而導(dǎo)致中空玻璃太陽得熱系數(shù)的降低。如圖2所示，在由兩片白玻組成中空時，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(shù)）+白玻組成中空時，降低了37%左右。不同廠商、不同顏色的吸熱玻璃影響程度將會有所不同，但同一類型中，玻璃厚度對SHGC值的影響都會比較大，同時對可見光透過率的影響也很大。所以，建筑上選用吸熱玻璃組成的中空玻璃時，應(yīng)根據(jù)建筑物能耗的設(shè)計參數(shù)，在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，考慮玻璃厚度對室內(nèi)獲得太陽能強(qiáng)度的影響程度。在鍍膜玻璃組成中空時，厚度會依基片的種類而產(chǎn)生不同程度的影響，但主要的因素將會是膜層的類型。
2、玻璃的類型：
組成中空的玻璃類型有白玻、吸熱玻璃、陽光控制鍍膜、Low-E玻璃等，以及由這些玻璃所產(chǎn)生的深加工產(chǎn)品。玻璃被熱彎、鋼化后的光學(xué)熱工特性會有微小的改變，但不會對中空系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的變化，所以此處僅分析未進(jìn)行深加工的玻璃原片。不同類型的玻璃，在單片使用時的節(jié)能特性就有很大的差別，當(dāng)合成中空時，各種形式的組合也會呈現(xiàn)出不同的變化特性。
吸熱玻璃是通過本體著色減小太陽光熱量的透過率、增大吸收率，由于室外玻璃表面的空氣流動速度會大于室內(nèi)，所以能更多地帶走玻璃本身的熱量，從而減少了太陽輻射熱進(jìn)入室內(nèi)的程度。不同顏色類型、不同深淺程度的吸熱玻璃，都會使玻璃的SHGC值和可見光透過率發(fā)生很大的改變。但各種顏色系列的吸熱玻璃，其輻射率都與普通白玻相同，約為0.84。所以在相同厚度的情況下，組成中空玻璃時傳熱系數(shù)K值是相同的。選取不同廠商的幾種有代表性的6mm厚度吸熱玻璃，中空組合方式為吸熱玻璃+12mm空氣+6mm白玻，表1列出了各項節(jié)能特性參數(shù)。計算結(jié)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 不同類型吸熱玻璃對中空節(jié)能特性的影響 玻璃類型生產(chǎn)廠商K值SHGC值可見光透過率
白 玻普通2.703W/m2K0.7010.786
灰 色PPG2.704W/m2K0.4540.395
綠 色PPG2.704W/m2K0.4040.598
茶 色Pilkington2.704W/m2K0.5110.482
藍(lán)綠色Pilkington2.704W/m2K0.5090.673
陽光控制鍍膜玻璃是在玻璃表面鍍上一層金屬或金屬化合物膜，膜層不僅使玻璃呈現(xiàn)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(shù)SHGC值，限制太陽熱輻射直接進(jìn)入室內(nèi)。不同類型的膜層會使玻璃的SHGC值和可見光透過率發(fā)生很大的變化，但對遠(yuǎn)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。
Low-E玻璃是一種對波長范圍4.5~25微米的遠(yuǎn)紅外線有很高反射比的鍍膜玻璃。在我們周圍的環(huán)境中，由于溫度差引起的熱量傳遞主要集中在遠(yuǎn)紅外波段上，白玻、吸熱玻璃、陽光控制鍍膜玻璃對遠(yuǎn)紅外熱輻射的反射率很小，吸收率很高，吸收的熱量將會使玻璃自身的溫度提高，這樣就導(dǎo)致熱量再次向溫度低的一側(cè)傳遞。與之相反，Low-E玻璃可以將溫度高的一側(cè)傳遞過來的80%以上的遠(yuǎn)紅外熱輻射反射回去，從而避免了由于自身溫度提高產(chǎn)生的二次熱傳遞，所以Low-E玻璃具有很低的傳熱系數(shù)。以耀華生產(chǎn)的在線Low-E玻璃為例，與其它類型玻璃的對比見表2，其中耀華Low-E組合成中空時，傳熱系數(shù)可以達(dá)到1.9W/m2K，比普通的白玻中空K值降低了30%。并且Low-E中空玻璃的SHGC值和可見光透過率可以按照節(jié)能的需要在生產(chǎn)時進(jìn)行調(diào)節(jié)，嚴(yán)寒地區(qū)使用時可以采用可見光高透型的耀華Low-E中空玻璃，在炎熱地區(qū)可以采用具有遮陽效果的耀華Sun-E中空玻璃。
表2不同類型玻璃節(jié)能特性的對比 玻璃種類單片K值中空組合中空K值SHGC（%）
透明玻璃5.86白玻+12+6白玻2.772
吸熱玻璃5.86藍(lán)玻+12+6白玻2.743
熱反射玻璃5.46反射+12+6白玻2.634
耀華Low-E3.86白玻+12+6Low-E1.966
耀華Sun-E3.76Sun-E+12+6白玻1.838
3、Low-E玻璃的輻射率：
Low-E玻璃的傳熱系數(shù)與其膜面的輻射率有著直接的聯(lián)系。輻射率越小時，對遠(yuǎn)紅外線的反射率越高，玻璃的傳熱系數(shù)也會越低。例如，當(dāng)6mm單片Low-E玻璃的膜面輻射率為0.2時，傳熱系數(shù)為3.80W/m2K；輻射率為0.1時，傳熱系數(shù)為3.45W/m2K。單片玻璃K值的變化必然會引起中空玻璃K值的變化，所以Low-E中空玻璃的傳熱系數(shù)會隨著低輻射膜層輻射率的變化而改變。圖3所示的數(shù)據(jù)為白玻與Low-E玻璃采用6+12+6的組合時，中空K值受膜面輻射率變化的情況。可以看出，當(dāng)輻射率從0.2降低到0.1時，K值僅降低了0.17W/m2K。這說明與單片Low-E的變化相比，Low-E中空的K值變化受輻射率的影響不是非常顯著。
4、Low-E玻璃鍍膜面位置：
由于Low-E玻璃膜面所具有的獨特的低輻射特性，所以在組成中空玻璃時，鍍膜面放置位置的不同將使中空玻璃產(chǎn)生不同的光學(xué)特性。以耀華Low-E為例，按照與白玻進(jìn)行6+12+6的組合方式計算，將鍍膜面放置在4個不同的位置上時（室外為1#位置，室內(nèi)為4#位置），中空玻璃節(jié)能特性的變化如表3所示。根據(jù)結(jié)果顯示，膜面位置在2#或3#時的中空玻璃K值最小，即保溫隔熱性能最好。3#位置時的太陽得熱系數(shù)要大于2#位置，這一區(qū)別是在不同氣候條件下使用Low-E玻璃時要注意的關(guān)鍵因素。寒冷氣候條件下，在對室內(nèi)保溫的同時人們希望更多地獲得太陽輻射熱量，此時鍍膜面應(yīng)位于3#位置；炎熱氣候條件下，人們希望進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射熱量越少越好，此時鍍膜面應(yīng)位于2#位置。
表3Low-E玻璃膜面位置對節(jié)能的影響 鍍膜面位置（室外）1#2#3#4#（室內(nèi)）
白玻組合K值（W/m2K）2.6771.9231.9232.041
SHGC值0.6320.6250.6760.640
吸熱玻璃組合(以淺綠為例)K值（W/m2K）2.6801.9251.9252.042
SHGC值0.4160.5860.3470.345
如果為了建筑節(jié)能或顏色裝飾的設(shè)計需要，在炎熱地區(qū)采用吸熱玻璃與Low-E玻璃組成中空時，從表3中可以看出，膜面在2#或3#位置時的傳熱系數(shù)都是最小，但3#位置的太陽得熱系數(shù)比2#位置小得多，此時Low-E膜層應(yīng)該位于3#位置。
5、間隔氣體的類型
中空玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)比單片玻璃低1半左右，這主要是氣體間隔層的作用。中空玻璃內(nèi)部充填的氣體除空氣以外，還有氬氣、氪氣等惰性氣體。由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很低（空氣0.024W/mK；氬氣0.016W/mK），因此極大地提高了中空玻璃的熱阻性能。6+12+6的白玻中空組合，當(dāng)充填空氣時K值約為2.7W/m2K，充填90%氬氣時K值約為2.55W/m2K，充填100%氬氣時約為2.53W/m2K，充填100%氪氣時K值約為2.47W/m2K。兩種惰性氣體相比，氬氣在空氣中的含量豐富，提取比較容易，使用成本低，所以應(yīng)用較為廣泛。不論填充何種氣體，相同厚度情況下，中空玻璃的SHGC值和可見光透過率基本保持不變。
6、氣體間隔層的厚度：
常用的中空玻璃間隔層厚度為6mm、9mm、12mm等。氣體間隔層的厚薄與傳熱阻的大小有著直接的聯(lián)系。在玻璃材質(zhì)、密封構(gòu)造相同的情況下，氣體間隔層越大，傳熱阻越大。但氣體層的厚度達(dá)到一定程度后，傳熱阻的增長率就很小了。因為當(dāng)氣體層厚度增達(dá)到一定程度后，氣體在玻璃之間溫差的作用下就會產(chǎn)生一定的對流過程，從而減低了氣體層增厚的作用。如圖4所示，氣體層從1mm增加到9mm時，白玻中空充填空氣時K值下降37%，Low-E中空玻璃充填空氣時K值下降53%,充填氬氣時下降59%。從9mm增加到13mm時，下降速度都開始變緩。13mm以后，K值反而有輕微的回升。所以，對于6mm厚度玻璃中空組合，超過13mm的氣體間隔層厚度再增大不會產(chǎn)生明顯的節(jié)能效果。
氣體間隔層增加時，Low-E中空玻璃K值的下降速度比普通中空玻璃要快。這種特性使得在組成三玻中空玻璃時，如果必須采用兩個氣體層不一樣厚度的特殊組合時，Low-E部位的間隔層厚度應(yīng)不小于白玻部位的間隔層厚度。例如，6mm玻璃中空組合時，白玻+6mm+白玻+12mm+Low-E的K值為1.48W/m2K；白玻+9mm+白玻+9mm+Low-E的K值為1.54W/m2K；白玻+12mm+白玻+6mm+Low-E的K值為1.70W/m2K。
7、間隔條的類型：
中空玻璃邊部密封材料的性能對中空玻璃的K值有一定影響。通常情況下，大多數(shù)間隔使用鋁條法，雖然重量輕，加工簡單，但其導(dǎo)熱系數(shù)大，導(dǎo)致中空玻璃的邊部熱阻降低。在室外氣溫特別寒冷時，室內(nèi)的玻璃邊部會產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象。以Swiggle膠條為代表的暖邊密封系統(tǒng)具有更優(yōu)異的隔熱性能，大大降低了中空玻璃邊部的傳熱系數(shù)，有效地較少了邊部結(jié)霜現(xiàn)象，同時可以將白玻中空的中央K值降低5%以上，Low-E中空的中央K值降低9%以上。
表4各種邊部密封材料的導(dǎo)熱系數(shù) 邊部材料雙封鋁條熱熔丁基/U形鋁帶 Swiggle不銹鋼Swiggle
導(dǎo)熱系數(shù)W/mK10.84.433.061.36
8、中空玻璃的安裝角度：
一般情況下，中空玻璃都是垂直放置使用，但目前中空玻璃的應(yīng)用范圍越來越廣泛，如果應(yīng)用于溫室或斜坡屋頂時，其角度將會發(fā)生改變。當(dāng)角度變化時，內(nèi)部氣體的對流狀態(tài)也會隨之而改變，這必將影響氣體對熱量的傳遞效果，最終導(dǎo)致中空玻璃的傳熱系數(shù)發(fā)生變化。以常用的6+12+6白?？諝馓畛浣M合形式為例，圖5顯示了不同角度的中空玻璃K值變化情況（注：受不同角度范圍采用不同的計算公式影響，圖中數(shù)據(jù)僅供分析參考），常用的垂直放置（90°）狀態(tài)K值為2.70W/m2K，水平放置（0°）時K值為3.26W/m2K，增加了21%。所以，當(dāng)中空玻璃被水平放置使用時，必須考慮K值變大對建筑節(jié)能效果的影響。但應(yīng)注意圖5中的K值變化趨勢是指在室內(nèi)溫度大于室外溫度的環(huán)境條件下，相反條件時變化并不明顯。
9、室外風(fēng)速的變化：
在按照國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)測試或計算一塊中空玻璃的傳熱系數(shù)時，一般都將室內(nèi)表面的對流換熱設(shè)置為自然對流狀態(tài)，室外表面為風(fēng)速在3~5m/s左右的強(qiáng)制對流狀態(tài)。但實際安裝到高層建筑上時，玻璃外表面的風(fēng)速將會隨著高度的增加而增大，使玻璃外表面的換熱能力加強(qiáng)，中空玻璃的傳熱系數(shù)會略有增大。對比圖6中的數(shù)據(jù)，當(dāng)風(fēng)速從測試標(biāo)準(zhǔn)采用的5m/s加大到15m/s時，白玻中空的K值增加了0.16W/m2K，Low-E中空的K值增加了0.1W/m2K。對于窗墻比數(shù)值較小的高層建筑結(jié)構(gòu)，上述K值的變化對節(jié)能效果不會產(chǎn)生大的影響，但對于純幕墻的高層建筑來說，為了使頂層房間也能保持良好的熱環(huán)境，就應(yīng)該考慮高空風(fēng)速變大對節(jié)能效果的影響。
10、采用不同標(biāo)準(zhǔn)的變化：
中空玻璃傳熱系數(shù)和SHGC值的測試或模擬計算條件在各個國家的標(biāo)準(zhǔn)中略有不同。美國采用NFRC100和NFRC200，國際ISO標(biāo)準(zhǔn)為ISO15099，歐洲的prENISO10077和prEN13363標(biāo)準(zhǔn)主要采用了ISO的有關(guān)規(guī)定，我國的玻璃傳熱系數(shù)測試標(biāo)準(zhǔn)為GB8484，在JGJ113-2003中加入了等效于ISO10292的傳熱系數(shù)計算條件，按照GB/T2680可以測試或計算玻璃的光學(xué)熱工性能。這些標(biāo)準(zhǔn)在測試或模擬計算的環(huán)境條件設(shè)置上，主要是在室內(nèi)外溫度差、對流換熱系數(shù)（或風(fēng)速）、太陽輻射強(qiáng)度等方面不完全相同。這將對最終的測試或模擬計算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，但通過采用不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模擬計算的對比表明，不同標(biāo)準(zhǔn)對SHGC值的影響甚微，對傳熱系數(shù)K值略有影響。以6+12+6空氣填充的Low-E中空玻璃為例，依據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境設(shè)置，使用Window5.2計算出的K值結(jié)果如表5。
表5 不同標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置對K值的影響室內(nèi)溫度室內(nèi)對流(W/m2K)室外溫度太陽輻射(W/m2)風(fēng)速(m/s)室外對流(W/m2K)Low-E中空K值變化
NFRC100-2001Winter21℃-18℃05.526.01.923
ASHRAEWinter21.1°C-17.8°C06.725.41.943
ISO15099Winter20℃3.60℃300--20.01.958
ISO15099Russia21℃3.6-26.6℃300--20.01.998
GB848418℃-20℃03.0測試標(biāo)準(zhǔn)
四、結(jié)束語
中空玻璃的廣泛應(yīng)用大大促進(jìn)了建筑節(jié)能的發(fā)展步伐，同時建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)要求的逐步提高也必將促使中空玻璃不斷實現(xiàn)更加優(yōu)良的節(jié)能特性。通過以上對中空玻璃的原片組合、間隔類型、使用環(huán)境的詳細(xì)數(shù)據(jù)分析可以得出，影響中空玻璃節(jié)能特性的重要因素是玻璃原片的類型和間隔層的厚度及種類。其中，Low-E玻璃以其優(yōu)異的光學(xué)熱工特性使中空玻璃的節(jié)能效果得到了巨大的飛躍。全世界Low-E玻璃的年均用量已達(dá)1.2億m2，歐洲部分國家正在立法鼓勵使用Low-E玻璃，日本和美國的行業(yè)協(xié)會都采取一定的措施，鼓勵加大Low-E玻璃的普及程度。我國建筑行業(yè)Low-E中空玻璃的應(yīng)用也處于迅猛發(fā)展的勢頭，由耀華生產(chǎn)的在線Low-E系列產(chǎn)品和由南玻、耀皮生產(chǎn)的離線Low-E產(chǎn)品已經(jīng)在實際應(yīng)用中實現(xiàn)了良好的節(jié)能效果。隨著可持續(xù)發(fā)展觀念和建筑節(jié)能意識的逐步深入，高性能的中空玻璃產(chǎn)品必將得到不斷的發(fā)展和擁有更加廣闊的市場前景。
