影響中空玻璃性能的因素及其對建筑節能的意義

[摘要] 本文闡述了中空玻璃產品的發展及對建筑節能的意義，通過對各種類型中空玻璃的傳熱系數和太陽得熱系數進行大量模擬計算，分析了原片組合、間隔類型、使用環境等各方面的相關因素對中空玻璃節能指標的影響趨勢及程度。在此基礎上，探討了建筑和生產設計中，應正確選用的、能達到最佳節能效果的中空玻璃組合方式及使用條件。

[關鍵詞] 中空玻璃 傳熱系數 太陽得熱系數 建筑節能

一、中空玻璃性能對建筑節能對的意義

中空玻璃在經過一個多世紀的發展特別是本世紀50年代中空玻璃獲得了大量的應用，尤其七十年代發生石油危機以后，西方各發達國家認識到了能源的緊張，節能成為一項長期的目標。建筑節能產品的應用成為國際建筑行業的主流。許多發達國家從產品技術開發，技術指導，應用推廣到立法等方面引導、鼓勵和規范建筑建材市場，節能型建材產品的應用有了廣闊的空間。在我國能源的發展速度遠遠落后于經濟的發展速度，外墻的能耗提高建筑門窗，外墻的隔熱性、氣密性是我們面臨的緊迫問題，這就為中空玻璃產品的開發和推廣應用提供了政策基礎。

二、中空玻璃節能特性的基本指標

在建筑用中空玻璃諸多的性能指標中，能夠用來判別其節能特性的主要有傳熱系數K和太陽得熱系數SHGC。中空玻璃的傳熱系數K是指在穩定傳熱條件下，玻璃兩側空氣溫度差為1℃時，單位時間內通過1平方米中空玻璃的傳熱量，以W/m2K 表示。太陽得熱系數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。

目前，中空玻璃的K值是通過實驗室實際測量得出的，SHGC值是對光譜數據計算得出的。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據，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的Window5.2軟件進行模擬計算。為了保證計算結果的一致性，除特殊說明以外，本文在計算分析中采用NFRC系列標準的環境條件設置數據。

三、節能指標的影響因素分析

1、玻璃的厚度：

中空玻璃的傳熱系數，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系。當增加玻璃厚度時，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的傳熱系數。對具有12 mm空氣間隔層的普通中空玻璃進行計算，當兩片玻璃都為3mm白玻時，K=2.745W/m2K，都為10mm白玻時，K=2.64 W/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0.03 W/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，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。

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生的深加工產品。不同類型的玻璃，在單片使用時的節能特性就有很大的差別，當合成中空時，各種形式的組合也會呈現出不同的變化特性。

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，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入室內的程度。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。

3、Low-E玻璃的輻射率：

Low-E玻璃的傳熱系數與其膜面的輻射率有著直接的聯系。輻射率越小時，對遠紅外線的反射率越高，玻璃的傳熱系數也會越低。例如，當6mm單片Low-E玻璃的膜面輻射率為0.2時，傳熱系數為3.80 W/m2K；輻射率為0.1時，傳熱系數為3.45 W/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會隨著低輻射膜層輻射率的變化而改變。

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生不同的光學特性。以耀華Low-E為例，按照與白玻進行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，室內為4#位置），中空玻璃節能特性的變化如表3所示。根據結果顯示，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要大于2#位置，這一區別是在不同氣候條件下使用Low-E玻璃時要注意的關鍵因素。寒冷氣候條件下，在對室內保溫的同時人們希望更多地獲得太陽輻射熱量，此時鍍膜面應位于3#位置；炎熱氣候條件下，人們希望進入室內的太陽輻射熱量越少越好，此時鍍膜面應位于2#位置。

如果為了建筑節能或顏色裝飾的設計需要，在炎熱地區采用吸熱玻璃與Low-E玻璃組成中空時，從表3中可以看出，膜面在2#或3#位置時的傳熱系數都是最小，但3#位置的太陽得熱系數比2#位置小得多，此時Low-E膜層應該位于3#位置。

5、間隔氣體的類型

中空玻璃的導熱系數比單片玻璃低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。由于氣體的導熱系數很低（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，當充填空氣時K值約為2.7 W/m2K，充填90%氬氣時K值約為2.55 W/m2K，充填100%氬氣時約為2.53 W/m2K，充填100%氪氣時K值約為2.47 W/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系。在玻璃材質、密封構造相同的情況下，氣體間隔層越大，傳熱阻越大。但氣體層的厚度達到一定程度后，傳熱阻的增長率就很小了。因為當氣體層厚度增達到一定程度后，氣體在玻璃之間溫差的作用下就會產生一定的對流過程，從而減低了氣體層增厚的作用。

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，大多數間隔使用鋁條法，雖然重量輕，加工簡單，但其導熱系數大，導致中空玻璃的邊部熱阻降低。在室外氣溫特別寒冷時，室內的玻璃邊部會產生結霜現象。以Swiggle膠條為代表的暖邊密封系統具有更優異的隔熱性能，大大降低了中空玻璃邊部的傳熱系數，有效地較少了邊部結霜現象，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熱系數

邊部材料雙封鋁條熱熔丁基/U形鋁帶Swiggle不銹鋼Swiggle

導熱系數W/mK10.84.433.061.36

參考文獻：

Penster，中空玻璃節能特性的影響因素分析.玻璃技術交流.2006 .10.09

作者簡介：

張浩，工程師，沈陽產品質量監督檢驗院。

楊芳，遼寧省建設科學研究院。