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1、常规镀膜玻璃的节能特性和参数一、概述现代建筑,不论是商厦还是住宅,都趋向于大面积采光。但是,普通透明玻璃对太阳能辐射和远红外热辐射没有控制,其面积越大,夏季进入室内的热量越多,冬季室内散失的热量越多。为此,必须对玻璃表面进行处理,于是产生了有节能功能的镀膜玻璃。早期的镀膜玻璃主要是热反射镀膜玻璃（或称阳光控制膜玻璃,其作用是限制太阳能辐射直接进入室内。用于建筑幕墙玻璃时,除具有亮丽的外观装饰效果外,还可降低冷气设备的运行费用。但这种玻璃与普通玻璃一样,会吸收远红外热辐射而使其自身的温度升高,最终仍有相当部分的热能透过了玻璃,其隔热性能也受到了极大的限制。选用什么材料?采用何种工艺镀膜才能有效地
2、阻挡远红外热辐射?研究的结果诞生了低辐射镀膜玻璃（简称LoWE玻璃。这种玻璃的最大特点是将远红外热辐射反射出去，使其不能透过玻璃从而起到节能隔热的作用。因此,目前世界上公认LOW-E玻璃是最理想的窗玻璃材料。Low-E玻璃在国外已有近二十年的使用历史，我国因受到设备和生产工艺技术方面限制,同时也因节能观念的落后而起步较晚。可喜的是,自南玻集团于1997年推出Low-E玻璃并在全国范围内大力推介后,目前已为众多设计师和用户所认同并采用。规模化采用LOW-E玻璃时代已经到来，这必将对我国的建筑节能材料应用产生影响并作出贡献。关于镀膜玻璃，包括LoW-E玻璃的节能特性,已有许多文章或专著论述过，在大
3、多数文章或企业的产品介绍中都列出了完整的参数,但理解这些参数须具备一定的专业知识。对用户来说更关心的是:哪些参数与节能性直接相关?怎样才能区别不同玻璃之间节能性的优劣?如何根据这些参数选择适用的玻璃?本文拟深入浅出地回答这些问题。二、热能的形式及窗玻璃组件的传热1、自然环境中的热能自然环境中的热能主要是太阳辐射能，其能量的98%分布在0.3至3pm波长之间。除了太阳直接辐射的能量外（能量分布在,还存在着大量的远红外线热辐射能,其能量分布在3至40Pm波长之间。在室外，这部分热能是由太阳照射到物体上被物体吸收后再辐射出来的,夏季成为来自室外的主要热源之一。在室内,这部分热能是由暖气、家用电器、被
4、阳光照射后的家具及人体所产生的,冬季成为来自室内的主要热源。需要说明的是,在通常情况下来自室内、室外的热辐射可同时存在,只不过夏季来自室外的热辐射远大于室内的热辐射,而冬季来自室内的热辐射又远大于室外的热辐射。因此,选择玻璃时必须考虑建筑物所处的地理环境,以便所选择的玻璃能有效地阻挡来自主要热源的热能。2.热量的传递过程照射到玻璃上的太阳辐射能,一部分被玻璃所吸收或反射,另一部分透过玻璃成为直接透过的能量（图1。当玻璃吸收太阳能后温度升高,吸收的能量通过与空气对流及向外辐射远红外线（即热辐射而散失。因此,被吸收的能量最终仍有约50%透过了物体,这可归结为对流传导形式的传递。辐射、对流传导通过辐
5、射、对流传导选过图1.远红外热辐射也能透过物体或被物体所吸收。一般工程材料,例如普通平板玻璃,不能透过远红外热辐射，只能反射它或吸收它，反射和吸收能力因材料而不同。吸收率（=辐射率E低的物体，则必然反射率高（反射率+吸收率=1,这种物体不易吸收外来的热辐射能量，其隔热性能就好。辐射率E高的物体吸收的热辐射多,图.2远红外热辐射透过玻璃示意它再次向外辐射出的热量也多,相当于透过该物体的热量多。因此,远红外热辐射透过物体物体的传热,是通过对流传导传体现的。低辐射玻璃正是限制了这一部分的传热。通过对两类热源传热过程的分析,可将热量的传递可归结为两种方式:辐射直接透过传热、对流传导传热。3.窗玻璃传热
6、的定量表达对流传导所传递的热能为QL这其中还包括玻璃吸收各波段的辐射后再放出的热量。太阳能直接辐射透过的热能为Q2,这部分热能仅指可见光、近红外辐射直接透过的能量。透过玻璃传递的总热能Q可由下式表示：Q=Ux(T内一T外+太阳辐射系数XSc(式-1Ql对流传导部分Q2太阳直接辐射部分U-玻璃的传热系数,单位为Wm2C.在相同的室内外温差下,U值越低则通过对流传导传递的热能越少。玻璃的U值与玻璃的辐射率E有关,辐射率E越低U值也越低。降低U值的两种有效方法是:在玻璃表面上镀低辐射膜，或将窗玻璃合成中空玻璃结构。SC-玻璃的遮阳系数,反映玻璃对阳光的遮蔽效果。SC高则意味着透过玻璃的太阳能多，反之
7、则少。控制玻璃SC的有效方法是:在玻璃表面上镀膜，或在制造玻璃的过程中加入色剂形成着色玻璃。但着色玻璃属于吸热玻璃,其吸收率偏高因而U值也高，所以它是以增大对流传导传热为代价来降低太阳能直接透过的。太阳辐射系数-为一常数630wm2,可理解为太阳照射到地面的能量强度（注：实际强度为783wm2,透过3mm普通白玻璃后为630wm2,Sc的定义如此。T内一T外一玻璃两侧的温度差,即室内、室外的的温度差。从上式可看出，玻璃节能性的优劣由U和SC这两个参数就完全可以判定，但实际上考虑到玻璃的透光率,Sc不可能选的太低,否则室内采光极差。U和SC是玻璃的重要参数,在产品说明书中一般是给出的。特殊结构的
8、产品如中空玻璃、夹层玻璃等需个别测量并计算得出。中国南玻集团置有测量仪器和计算软件包,可提供实测参数。根据供应商提供的U、SC值,及设定室内外的温度条件后,可由上式计算出玻璃的传热量,从而比较各种玻璃的节能特性。三、不同玻璃的传热特性及参数1、儿种玻璃的参数对比以下列出几种玻璃的传热系数U、遮阳系数Sc,随后对比说明各自的传热特性及其优劣。其它参数暂不论及。表1几种玻璃的主要光热参数被播名称玻璃种类.结构透光率(%)遮阳系数Sc传热系数,U夏(wmaC)传热系数U冬单片白玻6c簿0.995.746.17白玻中空6c+14+6cBl0.873.092.75单片热反射镀朦6CTS140轲.555.
9、725.66热反射镀膜中空玻璃6CTSI40+i2A-h6c的b.443.042.58LOW-E中空玻阚6CEBI2+12-b6c031L70L66型号,CEB12是LOW-E玻璃型号。U是ASHERA标准条件下的传热系数。2、单片透明玻璃单片透明玻璃的遮阳系数Se=O.99,这意味着它对阳光辐射阻挡能力很差，绝大部分的太阳辐射热能透过玻璃进入了室内,夏季白天进入室内的太阳辐射热能远大于玻璃向外辐射散发的热能,因此使室内温度升高。单片透明玻璃的传热系数U冬=6.17wm2c若室内外温差为25c则因对流传导而透过每平方米玻璃的热能就达154瓦。冬季夜间和阴雨天气,由于没有阳光辐射,玻璃吸收室内热
10、辐射后向外散热成为主流,因此使室内温度降低。即使在冬季的阳光天气,虽然阳光辐射的透过率相当高,但由于室内外温差大,对流传导散热仍是主流,室内大量的热辐射会透过玻璃泄向室外。3、透明中空玻璃(白玻中空与单片透明玻璃相比,透明中空玻璃仅改善了对流传导部分的传热,即通过降低U值而使对流传导热Ql减少，但对辐射直接透过和吸收部分没有明显的改善。由于玻璃表面没有镀膜，故U值的降低也是有限的。因此，采用中空玻璃的结构来增加隔热性能只能隔绝一部分的传热,其效果是有限的。需要说明的是，中空玻璃的U值与其空气层的厚度关系密切，且随厚度的变化比较明显。在空气层小于13mm时,空气层越厚U值越低，在13mm左右达到
11、最低极限此后U值随厚度增加。这是由于在13mm以上的厚度下，内部空气会形成闭环对流，增大了热量的传递。若在中空玻璃中充入Ar气等惰性气体还会更进一步地降低U值。4、单片热反射镀膜玻璃热反射镀膜玻璃是在玻璃的表面镀上介质、金属或金属氧化物膜,在使玻璃呈显不同色彩的同时,还具有了新的光、热性能。它的主要作用就是降低玻璃的遮阳系数Sc,限制太阳辐射的直接透过,因此称其为阳光控制玻璃更为确切。由于所镀的膜仍是一般工程材料，故对改善U值没有大的贡献。在夏季白天和光照强的地区,其隔热作用十分明显,可有效限制进入室内的太阳热能。但在不存在阳光的环境中,如夜晚或阴雨天气,其隔热作用与白玻璃无异。由此可见它不适
12、用于寒冷地区,因为这些地区需要阳光进入室内采暖。在北方寒冷地区采用这种玻璃的唯一目的就是追求装饰效果。需要指出的是，热反射镀膜玻璃在有效降低SC的同时，也大大地降低了玻璃的透光率，从而影响到室内的采光。若要提高透光率就不得不损失隔热性,这是个矛盾的选择,而这一矛盾是热反射玻璃镀膜玻璃所无法解决的。5、热反射中空玻璃将热反射镀膜玻璃合成中空玻璃后,可集两种优点于一身,即不但对太阳直接辐射有所控制,同时也限制了对流传导传热。这种玻璃结构是一种比较理想的搭配,基本上可适用于我国的绝大部分地区。需要说明的是，这种玻璃U值的降低是通过中空玻璃结构实现的,因而也是有限的。6、LOW-E中空玻璃LOW-E玻
13、璃的表面辐射率低E0.15、红外线（热辐射反射率高，这意味着它同室内外空气接触后吸热少、升温低、再放出的热量少，即隔热性能好;仅单片LoW-E玻璃的U值就低于热反射玻璃，合成LoW-E中空玻璃后这一优势更加突出,因此这是最理想的玻璃结构搭配。LoWE玻璃的另一特点是透光率偏高（33%72%,而遮阳系数SC选择范围大（0.257）.68。与热反射玻璃相比，在同样的透光率下LoW-E玻璃具有更低的Sc,这解决了热反射玻璃所遇到的矛盾,即在保证室内高透光的前提下不损失隔热性（见表-1。冬季LoW-E玻璃可有效地阻止室内暖气和人体发出的热辐射泄向室外,夏季则可有效地阻挡室外道路及建筑物发出的热辐射进入
14、室内。LOW-E玻璃的这种阻挡热辐射透过的作用与季节无关。换句话说,Low-E玻璃是一种良好的绝热材料。7、传热量对比在以下条件下对上述几种玻璃的传热量按（式进行计算,计算结果列入表_2中:夏季白天室外35、室内20,冬季夜晚室外0、室内温度15。表2透过玻璃传递的热能（功率玻璃种类、结构夏季传入室内的热量冬季传出室内的热量卑片6mm白玻710wm2154w/in白玻中空594wm269w/nr单片热反射玻璃432wZm2141wni-然反射中空玻璃323wm265wiu-Low-E中空玻胸221wm242wm-从表中数据可以看出，在夏季白天，采用LOW-E中空玻璃比采用同样透光率的热反射中空
15、玻璃，可使透过每平方米玻璃进入室内的热能减少102W。而在冬季则可使透过每平方米玻璃泄出室内的热能少23Wo若整个建筑物朝南向的采光窗为Iooom2,全天太阳的平均照射功率为最大功率的1/3,每天开机10小时，夏季开机3个月,则一个夏季可节省25500度电（未考虑电致冷转换率,节能效率达30%以上。冬季也可用同样方法估算出节能量。与其它玻璃的比较可按同样的计算方式得出。由此可见LoW-E玻璃优良的节能特性。四、传热系数U与K的区别传热系数是重要的热工设计参数之一，我国的设计师已习惯于用K值进行热工计算。自20世纪80年代中期引进国外镀膜玻璃生产技术及产品后,目前较多技术资料提供的传热系数已不是
16、中国国家标准GB10294条件下的K值（等同采用日本标准，而是美国ASHREA标准条件下的U值，或欧洲标准EN673条件下的K值。这三种传热系数之间有什么区别?各有什么特点?相互之间是否存在换算关系？以下就此进行说明。1、传热系数的定义传热系数（导热系数是衡量物体导热性能的物理量,它的定义是:在规定的标准温度条件下,单位时间内从单位面积的玻璃组件一侧空气到另一侧空气所传输的热量。按此定义透过玻璃组件传导的热量Q可用下式表示：Q二传热系数X（T内一T外（式一2其中T内、T外分别是玻璃两侧的温度,或室内、室外的温度。2、传热系数的单位传热系数的公制单位为:Wm2C,其中W-瓦（热功率,m2-平方米
17、（玻璃面积摄氏温度。传热系数的英制单位为:BYUhft2F,其中BTU-英制热量单位,h-小时,ft2-平方英尺（玻璃面积,。F-华氏温度。两种单位之间的换算关系为：1BYUhft2F=5.68Wm2C3、传热系数的体系（标准测试条件常见的传热系数体系有三种,不同体系规定的测试条件不同,因而结果必然不同，分别列于下表：表一3三种传热系数的体系执行标准传熬系数：符号测试条件室外温度匕室内温度r室外气流n/s室内气流ni/s阳光强度wrf中国10294标准K5-20183.0自然对流二0,欧洲EN673标准k-1013自然对流自然对流0美国A5HRAE标准,U金,-17.821.16.7自然对流a
18、uy:31:723.93.4，e自然对流783由表-3可知，美国ASHRAE标准将U值的测试条件分为冬、夏两季，而中国及欧洲的标准中则有冬季条件（阳光强度=0,因此在实际使用中美国的U值更接近真实情况。如果类比的话,中国及欧洲的K值仅相当于美国的U冬,下面我们将看到他们在数值上也是不同的,因此无法比较。4、不同传热系数的对比同一种结构的玻璃,采用不同体系的传热系数具有不同的结果。以下给出几种玻璃结构的三种传热系数：表一4几种结构玻璃的不同传热系数表示测试条件U婆6c白般5.445.025.746:17&十12A十6c白破中空2.582.51332.756CTSI40热反射玻璃5.034.645
19、.725.666CTSI40+126c热反射中空.2.412363.D42.586CEB12+i2A十&LowE中空L57L49L701.66由表中数据可知，对同一种玻璃而言，欧洲的k值N中国的K值N美国的U值。因此比较某一玻璃的K或U值时，必须指明所给的何种体系下的传热系数，否则其数值是没有可比性的。由于不同测试条件下的结果是非线性的,因此不同传热系数之间,即U与K及中国的K与欧洲的k之间不存在换算关系。通常若U值满足设计要求，则K及k必然满足要求。5、应用注意事项K值、U值本质上没有区别,都是玻璃的传热系数，但在数值上是有区别的。市场上各种技术资料中的传热系数,无论用U值还是K值表示，都已
20、注明是何种标准条件下的值，使用中务必注意。目前中国国内采用比较多的是美国ASHRAE标准条件下的U值，部分欧洲进口的玻璃采用的是欧洲的k值，不明白这一点就会得出错误的结论,似乎欧洲的玻璃优于美国或中国玻璃。五、镀膜玻璃的选择1、外观颜色选择外观颜色的选择与设计师的整体考虑有关,涉及到建筑风格、外墙颜色搭配、周边环境色等。颜色的选择属建筑艺术范畴,本文不拟多论,仅提示一般的选择原则：政府机构办公楼一突出庄重、沉稳,以中性色,如灰色、蓝灰色、浅蓝色、墨绿色为好；宾馆及商务写字楼追求轰动、注目的效果,拟选择色泽亮丽的颜色,如亮绿色、蓝色、蓝绿色、金色等。住宅楼一注重实用、坚固外观,拟选择浅色、透光率
21、高及反射率高的镀膜玻璃,这样即可保证室内采光良好、光线柔和舒适,又可屏蔽外界的视线而具有私密性,同时能显示出楼宇外观清丽、品味高雅。2、透光率选择玻璃透光率的高低涉及到室内工作、生活环境的舒适性。对不需要遮蔽内部建筑构件的楼宇,在保证外观颜色满足的前提下,应尽可能地选择透光率高的镀膜玻璃,保证室内良好的采光以营造舒适宜人的环境。镀膜玻璃的的透光率以30%55%为好。选择时注意,玻璃的透光率越高一般而言颜色越淡,透光率应与颜色综合考虑。若需要玻璃遮蔽内部的建筑构件,则所选玻璃的透光率以20%左右为好,这样即可保证遮蔽效果又能最大限度地兼顾采光。需要说明的是,低透光率的玻璃一般来说颜色较为浓重,选
22、择时应注意。目前国外建筑审美的发展趋势是,颜色趋于清淡,透光率趋于偏高,有些建筑选择的镀膜玻璃透光率甚至高达70%o3、节能性选择玻璃U值的选择:U值越低玻璃的隔热性能越好。玻璃SC的选择与使用地区有关，不同地区应选择不同的Sc:北方寒冷地区冬季时间长,室内采暖成为主要考虑因素，选择Sc(15的玻璃可使更多的太阳能进入室内以利于采暖,尽管这会影响到夏季室内的致冷,但夏季时间短可以忽略其损失。南方炎热地区夏季时间长，室内空调致冷成为主要考虑因素，选择ScO.3左右的玻璃可限制进入室内的太阳能,从而节省空调的电耗。对于冬季寒冷、夏季也炎热的大部分地区应综合考虑，选择Sc-O.3至0.5玻璃较为合适
23、,可兼顾冬季和夏季的需要。六、对LOW-E玻璃认识上误区自南玻集团1997年始在中国生产并重点推介LOW-E玻璃以来，市场已接受了节能玻璃的观念。笔者在推广的过程中，遇到一些常见的对LoWE玻璃认识上的误区，以下就此进行澄清。1、夏季室内热量出不去入夏季的现实是室外温度高于室内,室内以空调维持适宜的温度,尽管室内也有热源,但室外的热源远远大于室内,热量的净流向是由室外的高温区域流向室内的低温区域,就象水往地处流一样。因此,问题成为如何限制室外的热量进入室内,此时LoW-E玻璃的作用就象一堵隔热墙，有效阻止室外的热能进入室内。实际上室内所产生的有限热量被空调消化了,只要能挡住室外的大量的热能进入
24、,就可有效节省空调的能耗。通俗地讲就是进来的比出去的多,此时最好的措施就是使热量即不进也不出即隔绝热量流通。“采用LoW-E玻璃后夏季室内热量出不去”，这是某些销售商对客户不负责任的误导。各位试想,在气温38C的夏季,为了让室内的热量出去把玻璃窗去掉会怎样？结论不言而喻。2、LoW-E不适用于南方地区早期的LOW.E玻璃是为解决寒冷地区的保暖而推出的，它的透光率很高,遮阳系数也很高约为0.68,这样可使更多的阳光透过玻璃进入室内以利于采暖,例如目前进口的大多数在线LOW-E玻璃就属于此类，这种玻璃确实不太适用于南方地区,但尽管如此它也比普通白玻璃好的多。自南玻集团引进国外技术开始生产LoWE玻
25、璃以来，就根据中国地域范围广的特点推出了具有热反射功能的LoW-E玻璃,这种玻璃的遮阳系数可低至0.3左右，能非常有效地将进入室内的太阳热能过滤掉75%,因而极适合南方地区使用。“Low-E不适用于南方地区”的观念已经过时，是否适用于南方地区与玻璃名称无关,而取决选用什么参数的玻璃，表一1中所列举的LoW-E玻璃参数充分说明了这一点。这就象说“电脑不适于上网”一样,对早期的286电脑确实如此,但对现在的电脑而言,再这么说就只能是“科盲了”。3、LoW-E膜面的位置中空玻璃共有四个表面,由室外向室内数分别为1#面、2#而、3#而、4#面。在中空玻璃中LOW-E膜面应位于哪个面合适，第2#面还是第
26、3#面？2#面3#面图3.中空玻璃膜面示意图国外的资料认为:南方地区应位于第2#面,以便第一时间挡住来自室外的热量。北方地区则应位于第3#面,以便第一时间挡住来自室内的热量。直观地看这是有道理的，但实际结果如何呢？对两种组装方式的实际测量结果表明，两者的冬季U值相等，而夏季U值相差2%左右。因此，仅从节能的角度看，无论LOW.E膜面位于中空玻璃的第2#或第3#面影响极为微小，几乎可以忽视。建议不要仅从节能的角度考虑膜面位置。需要引起注意的、更为重要的是，LoW-E膜位于这两个不同的面所造成的外观颜色效果截然不同，不同型号的LoWE玻璃所具有的这种颜色效果区别很大，这一点在选择时应给予足够的重视
27、。一般而言，制造商在生产中注重控制玻璃面的颜色一致，因此建议采用处于第2#面的LOWE中空玻璃为好。欧美设计师喜欢采用的另外一种搭配是，中空玻璃的外片玻璃采用热反射玻璃，内片玻璃采用无色LoW-E玻璃，这种设计习惯也是历史的原因形成的，因为早期几乎没有其它颜色的LoW-E玻璃，只能通过这种方式追求外观装饰效果。4、LOW-E属全新的型建筑材料吗？为什么会提出这个问题？因为建设部对采用新型建筑材料有特殊的规定，即要求生产商提供专家鉴定结论、权威机构的检测报告、政府颁发的生产许可证等。规定的本意是规范新型材料的使用，控制不成熟的、有安全隐患的、对人体有害的建筑材料投入使用，例如新的涂料是否有毒、新的符合材料是否防火、强度是否满足安全指标等。笔者在市场上曾遇到过用户提出的这种要求，LOWE玻璃是否适于这一范畴？。前面已述及LoW-E玻璃是镀膜玻璃的一个种类，本质上它是传统的玻璃材料经真空镀膜工艺在表面上镀金属及金属氧化物膜而成，因此严格地说LoW-E玻璃只是一种新型功能材料，应按使用镀膜玻璃的有关标准对待，制造商仅须提供性能检测报告即可。-11-
