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，根據基本光熱概念，闡明Low-E玻璃組件的節能原理，便于不同性能Low-E玻璃組件的選用。

【關鍵詞】傳熱系數；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

綠色節能是建筑發展的必然方向。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能手段與建筑圍護結構高效節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的依賴，節能效果可達到普通建筑的90%。被動房屋節能的關鍵是采用高性能的圍護結構，通過極低的傳熱系數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節，要達到被動房的節能、舒適指標要求，必須嚴格窗戶的設計、選材、施工等各個環節。外窗的隔熱性能通常用整窗傳熱系數描述，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指標，玻璃必須達到更低的傳熱系數，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，根據基本光熱概念，闡明Low-E玻璃組件的節能原理，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，由高溫區向低溫區傳遞。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。由于普通玻璃對遠紅外線有強烈吸收，數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。這樣，單片玻璃的傳熱系數僅取決于玻璃的導熱系數和玻璃的厚度。因為玻璃具有相當大的導熱系數（約1W/（m·K）），經計算，常用普通透明玻璃的傳熱系數約為5-6W/（m2·K），與被動房要求的窗玻璃傳熱系數不大于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（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（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，理應獲得很低的傳熱系數。但實際的傳熱系數并不低，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傳向低溫表面。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至0.8W/（m2·K）以下，完全滿足被動房的要求。

Low-E玻璃的優勢不僅是其超低傳熱系數帶來的優良保溫性能，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境。衡量玻璃性能的指標除了傳熱系數、可見光透射比、太陽光總透射比外，常用的還有遮陽系數和光熱比。遮陽系數是總透射比與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。該數值越小，則遮陽效果越強，但過小的遮陽系數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。表2是中國建筑玻璃與工業玻璃協會標準《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，宜根據氣候特點，抓住主要矛盾，根據實際需要求選用合適玻璃組件，達到即滿足節能、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。

表2 不同地區被動房透明部分用玻璃光熱參數

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