建筑玻璃光學及熱工性能檢測方法分析

李 慧 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

1 引言

在以往的能源發展與利用過程中，能源的消耗量極大，且利用率較低。隨著高質量發展時代的到來，傳統的能源發展模式已經無法適應當前節能減排等方面的要求。鑒于此，各行各業相繼提出了相應的節能減排措施和計劃，建筑行業作為資源消耗量巨大的典型行業，亦需要做出相應的改革與調整。對于門窗和玻璃幕墻而言，它是建筑結構的重要組成部分，它們的使用不僅可以對室內環境做出調節，同時還能降低照明工具的使用量，并且還可以作為圍護結構，對熱量傳遞起到阻隔作用。因此，當前應做好建筑玻璃光學及熱工性能的檢測，進而為節能材料的選擇提供理論與依據。

2 光學及熱工性能參數的介紹

2.1 可見光透射比

大量試驗研究表明，波長介于280～3500nm 的光譜，能夠集聚太陽光97%左右的能量。同時，這些光譜同樣是建筑工程圍護機構中輻射與熱量輻射的重要來源之一。由于外界太陽光的入射量，再加之太陽光的反射量、吸收量，就得到了太陽光的入射量。由此能夠看出，玻璃的入射、反射量，對于玻璃的吸收能力有著直接的影響。玻璃吸收熱量之后，能夠進一步傳遞到建筑室內，另一部分可以通過輻射作用傳遞到室內。因此，建筑項目圍護結構與外墻上的玻璃的光學性能有著重要的聯系。在進行建筑項目建設各種期間，應結合實際情況選擇合理類型的玻璃，進而達到節能減排的目的[1]。一般來說，透光系數的定義為兩項參數的比值，即透過玻璃與入射在玻璃表面上的可見光通量之間的比值。設計與施工過程中，可以通過調節上述參數，進而實現對室內明暗程度的調整。上述兩項參數的調整，也關系到室內照明能量的消耗情況。鑒于此，應通過科學的方式對玻璃的光學性能參數進行控制。

圖1 太陽光入射圖

2.2 遮陽系數

對于遮陽系數而言，它與玻璃阻擋陽光輻射的能力呈反比關系。遮陽系數包含兩部分，其一是太陽光的直接透射，其二為二次熱傳遞。在不同的地區，應當選擇不同遮陽系數的玻璃材料。如果遮陽系數較高，那么透過玻璃進入到室內環境的太陽能輻射就比較多，這對于降低冬季的取暖費用有著重要的意義，在一些冬季時間長的北方地區，主要用到此類玻璃。對于遮陽系數低的玻璃，主要應用在夏季時間較長的南方地區。

2.3 太陽能總透射比

這一概念主要是指玻璃及其構件吸收的太陽光直接透射與輻射，在介質傳熱作用之后，進入到建筑室內的能量。隨著進入室內能量的不斷增多，室內溫度將會出現大幅的升高，尤其在夏季會導致空調制冷消耗的能量增多[2]。因此，在進行玻璃的選擇時，太陽能總透射比也是一項重要的參數。

2.4 傳熱系數

傳熱系數是指在穩定的一個傳熱條件下，圍護結構兩側空氣溫差為1 度（K或℃），單位時間通過單位面積傳遞的熱量。建筑玻璃的U 值通俗解釋，即在標準條件下，單位時間內從單位面積的玻璃組件一側空氣到另一側空氣的傳輸熱量。其是衡量材料隔熱性能的物理量。

除此之外，對于門窗與幕墻玻璃的選擇，還應考慮太陽光直接反射比、可見光反射比光傳熱系數等相關的參數，由于篇幅所限，這里不再對其基本概念進行詳細的解說。

3 光學及熱工性能檢測技術分析

3.1 玻璃系統厚度檢測

在受到外界環境溫度等因素的影響下，所用的中空玻璃氣體間隔層將會發生熱脹冷縮的問題，因而應當考慮玻璃系統構造的厚度。為避免厚度受到溫度等因素的影響而出現變化，應當對靠近玻璃邊角的地方做出厚度測量。對于玻璃系統構造厚度而言，測量過程中應當注意以下問題：其一，在使用激光測厚儀或者是超聲波測厚儀進行檢測時，分辨率不大于0.5mm；其二，檢測時應當在玻璃的四角位置選取4 個不同的測點，并對其構造厚度以及每層的厚度、氣體間層厚度等參數進行測量。需要注意的是，測點位置與玻璃邊部的距離應當控制在50～120mm[3]；其三，對于所測得的4 個測點的厚度參數，應當取其算術平均值，當作厚度檢測值。該數值主要用于驗收工作中的尺寸核驗，同時在熱工參數的計算過程中也需要用到該參數，測量結果要修正至0.1mm；其四，如果玻璃結構是異形，那么應當分別選取距邊頂點50～120mm 的測點做出相應的測量，并且要保證測點的數量超過3個。

圖2 玻璃測厚儀及工作原理圖

對于玻璃系統的平均厚度而言，是針對實際使用環境中的玻璃所測量得到的厚度參數，并利用上述厚度值，計算得到相應的熱工參數。該參數主要用于節能評估。玻璃的平均厚度將對傳熱系數的計算產生重要的影響。尤其在冬季時間較長的北方地區，且建筑的節能要求較高，那么應當在冬季進行玻璃平均厚度的測量。需要注意的是，應當使用等面積均分方式，對檢測區域做出劃分，進而確保玻璃檢測結果的精確性。在進行平均厚度的測量工作期間，應注意以下幾點問題：其一，對于平均厚度的測量，要結合節能性能評估方面的具體要求，同時還要在當地典型氣候條件下做出相應的測量；其二，如果待測玻璃是矩形，檢測過程中應當對每個邊界進行均等劃分。劃分期間，每個邊長不能超過500mm。其三，結合劃分的結果，對不同分區域的中點處厚度進行測量。其四，對于每層玻璃的厚度、氣體間層厚度也要做出測量。其五，如果玻璃是三角形，那么要對各邊的中點進行連接，進而把玻璃劃分成為4 個不同的區域，再對每個區域的中點位置進行總厚度的測量，同時還要對每層玻璃的厚度以及氣體間層厚度做出相應的測量。需要注意的是，每個分區域的邊長不能超過500mm。

3.2 中空玻璃惰性氣體含量檢測

在受到外界環境溫度以及安裝角度等諸多因素的影響下，空氣間層內的惰性氣體分布具有不均勻性，因此應當均勻地選取測量點，并對測量結果求取平均值，以此作為中空玻璃氣體含量的重要參數。現階段，在開展現場無損檢測工作期間，對于中空玻璃的惰性氣體含量檢測方法主要分為兩種：首先，采用等離子體發射光譜法進行檢測；其次，采用半導體激光吸收光譜法進行檢測。具體檢測過程中，應當注意以下兩點問題：一方面，在玻璃的兩側，應當分別選取5 個不同的測點，且測點的選取要均勻，距離玻璃邊部100mm 左右；另一方面，對于所測的10 個測點的結果，要求取平均值。

3.3 半球輻射率檢測

在開展建筑工程驗收工作以及節能評估等工作時，需要進行熱工參數的計算，這一過程中需要用到膜面位置以及膜面半球輻射率值等相關參數。為了避免被測玻璃邊部金屬材料對測量儀的使用產生不利影響，因而所選測點應當距離玻璃邊部100mm 以上，確保測量數據的準確性。具體測量過程中，應當注意以下兩點問題：其一，所選擇的測點應當盡可能遠離玻璃的邊部，并且要確保距離超過100mm[3]，同時，所選測點的數量要超過3 個；其二，對于膜面半球輻射率的檢測值，應當對每個測點的檢測結果進行平均值處理。

半球輻射率檢測結果 表1

4 玻璃光學熱工參數的檢測流程與方法分析

通常情況下，在進行遮陽系數的檢測時，主要選擇的設備有兩種，即分光光度計、紅外光譜測量儀。在本文中，主要使用分光光度計等設備，對波長250～2500nm 的光譜進行檢測。所選擇的紅外光譜測量儀為傅里葉變換光譜儀，借助于該設備，能夠對波長為2500～25000nm 的玻璃做出測定與檢測。其中，圖3 為單（左）、雙（右）層玻璃檢測的流程與方法示意圖。

圖3 單層、雙層玻璃檢測流程與方法示意圖

第一，具體測量期間，試樣表面法線和照明光束光軸之間的夾角不能超過10°。在進行樣品的放置過程中，要確保樣品與檢測面緊貼，進而保證檢測設備光線的入射角度，并保證檢測數據具有良好的精準效果。第二，對于傳熱系數的計算，要利用冬季標準進行計算，這一過程中應當保證太陽輻射Is=0。在進行太陽光總透射比以及遮陽系數的計算過程中，要選擇夏季標準。第三，做好玻璃每一面位置的標明工作。由于玻璃材質的不同，那么遮陽系數會存在較大的差距，尤其是鍍膜玻璃。在進行每一片玻璃的檢測時，要對每一面進行標明，同時還要根據現場實際情況，保證室內、外檢測樣品的數據具有真實性。在進行中空玻璃的檢測工作時，應當對每一片玻璃的紫外、紅外光做出測試，以獲取精確的參數。第四，在進行中空玻璃的檢測時，由于膜面會受到潮氣、氧化劑等因素的影響，因而在進行測試工作期間，要在拆分之后盡快做出檢測，拆分與檢測之間的時間不能超過12h[4]。第五，對于分光光度計的使用，在經過長途運輸之后，要對其進行校正。第六，要做好反射附件的保存。

5 檢測方法實際應用案例及結果分析

建筑門窗幕墻行業中，常見玻璃的種類主要有鋼化玻璃、夾層玻璃、低輻射鍍膜玻璃（Low-E 玻璃）、中空玻璃等。不同品種玻璃的光學、節能以及安全性能都有著比較大的差異。現就安徽中部地區某項目工程的幾種不同規格玻璃取樣，按照單層、雙層玻璃檢測流程進行試驗并數據比較，并分析其光學及熱工性能。

該工程中玻璃主要采用規格為6Low-Emm+12A+6mm 中空玻璃，部分區域使用6mm+12A+6mm 中空玻璃，為對比不同規格樣品的光學差異，先將樣品重新分組成單層玻璃樣品1/2，中空玻璃3/4/5進行試驗并進行數據比對。根據分光光度計掃描的光譜圖譜（圖4），由于低輻射鍍膜玻璃膜層具有對可見光高透過及對中遠紅外線高反射的特性，樣品1 和樣品2 在380nm～780nm的可見光區域都有著較高的透過率，但在波長范圍800nm～2500nm 的紅外光區域，樣品2比樣品1有著較高的反射作用，其U 值也相對更低，隔熱效果比較明顯。而把兩片玻璃以有效支撐均勻隔開并周邊粘接密封，制成玻璃層間形成有限干燥氣體空間的中空玻璃，再按照雙層玻璃檢測流程進行試驗，樣品1 和樣品3 對比，可以發現較單層玻璃，中空玻璃的U 值和SC 值更低，其隔熱性和保溫性能得到明顯提升（表2）。熱傳遞有三種方式，分別為熱輻射、熱對流和熱對導。中空玻璃兩片玻璃之間采取了密封結構，玻璃中間間隔層內的氣體處于靜止狀態，從而基本上解決了熱傳遞中的熱對流，而熱對流的熱輻射占熱傳遞熱輻射的20%～25%，熱傳遞的阻隔決定了其保溫性能。為進一步探究中空玻璃保溫性能，我們將中空玻璃的中空腔內氣體填充成氬氣，通過樣品4和樣品5數據對比可以發現，其U 值持續下降，隔熱效果更好。這是由于惰性氣體有更高的穩定性，中空腔內分子運動少，中空玻璃的保溫性能得到了進一步提升。因項目地點屬安徽中部地區，氣候條件為夏熱冬冷，其項目玻璃設計要求為遮陽型，6Low-Emm+12A+6mm可見光透射比工程設計值為0.50，遮陽系數設計值為0.48，經樣品4 試驗數據可判定，該樣品滿足設計要求。

不同種類玻璃光學參數統計表 表2

圖4 6mm透明玻璃和6LOW-E鍍膜玻璃光譜圖

6 結語

通過分析與研究可以發現，不同類型的玻璃在光學、熱工性能方面存在著較大的差別。為提高建筑行業的節能減排效果，在進行玻璃的選用時要遵循因地適宜的基本原則，同時還要對不同的環境要求、建筑要求做出分析，最終選擇比較適合的玻璃材料，以此提高建筑項目的節能減排效果。