建筑窗体玻璃节能研究

孙秀竹，邓庆尧

(中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580)

0 引言

建筑节能是节能减排的重要内容之一。目前，发达国家的建筑能耗占社会总能耗的43%，中国占到40%;门窗能耗通常占建筑能耗的45% ～50%，占社会总能耗的15%～20%。欧洲现行门窗标准中要求，门窗的传热系数K值为1.3，而我国现行标准要求的门窗平均传热系数K值约为3.5左右，按我国现有城镇建筑面积约430亿平方米，如果采取有效的建筑构造措施，达到欧洲现行门窗标准，使每年每平米建筑因门窗部分可节约10千克标准煤，则我国每年可节省标准煤4.3亿吨，约为中国全年煤炭产量的20%，门窗节能的重要性足以显现。

1 门窗热量传递及节能分析

门窗是室内外沟通的主要渠道，它首先要满足人们日常需要的采光、日照、通风、视野等要求，同时还要具备保温、隔热、隔声等性能。作为建筑外围护构件之一，在建筑被动节能方面，窗户的保温能力是最低的。对于寒冷地区采暖建筑的窗户，其热量传递方式包括三个方面:一是对流传热，由于气体存在温度差，气体各部分之间发生相对位移，冷热气体相互掺混所引起的热量传递。对流只在门窗空隙间热冷气流的循环流动，带动热量交换产生热量损失。二是热传导，物体之间不发生相对位移，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。热传导通过物体本身的一个面把热量传导至另一个相对的面。在门窗中，热传导只发生在框扇与玻璃之间。在传热中，导热现象总结为傅里叶定律，这条定律说在单位时间内通过该层面的导热量与当地温度变化率及平板面积成正比。三是辐射传热，物体通过电磁波以射线的方式进行能量传递。辐射传热是建筑窗体热传导的主要途径之一。透明玻璃厚度在10 mm以内时，其辐射传热占总能力的71.9%以上。

窗户由窗框和玻璃组成，窗框面积仅占窗总面积的15% ～30%，窗的面积越大，框所占比例越小，玻璃面积占窗面积的70% ～85%，因此玻璃是保温隔热节能的关键。不同的玻璃与窗框，其光学与热工性能是不同的。建筑中常用的玻璃有普通透明玻璃、吸热玻璃、反射玻璃、高透光型Low－E玻璃及遮阳型Low－E玻璃等种类。图1为普通透明玻璃光热传导性能。

图1 透明玻璃光学和热工性能

图2 吸热反射镀膜玻璃的光热传导性能

从图1中看出，6 mm厚的普通透明玻璃，对太阳辐射能具有79%的透过率，这说明来自室外的太阳辐射能量大部分可透过;但夜晚或阴雨天气时，室外无太阳辐射能，透明玻璃吸收室内物体热辐射能量的79%，使玻璃自身温度升高，然后再通过自身向室内、外辐射和对流交换其热量，使室内热量通过这种方式泄向室外，从而减低和消耗了室内热量。

吸热玻璃是能吸收大量红外线辐射能、并保持较高可见光透过率的平板玻璃。吸热玻璃与普通平板玻璃相比具有如下特点:(1)对太阳辐射热的吸收率很高。以6 mm厚的普通透明浮法玻璃为例，在太阳光照射下总透过热为84%，而同样条件下吸热玻璃的总透过热量为60%。吸热玻璃的颜色和厚度不同，对太阳辐射热的吸收程度也不同。(2)可以吸收太阳的可见光，减弱太阳光的强度，起到反眩作用。(3)具有一定的透明度，能吸收一定的紫外线。图2为热反射镀膜玻璃的光热传导性能。从图2看出，太阳能在透过蓝色和铜色玻璃，由玻璃吸收再辐射和对流的能量分别为39.6%和34.6%，与图1中的透明玻璃相比，吸热玻璃有明显的优势。

Low－E(Low－Emissivity)玻璃也称低辐射玻璃。Low－E玻璃是采用真空磁控溅射方法在玻璃表面镀上含有一层或两层银层的膜系，来降低能量吸收或控制室内外能量交换，保障生活、工作的舒适性，并以此达到环保节能的目的。太阳辐射能量的波长97%以上集中在波长为0.3～2.5 μm的波段范围以内;而室内的物体温度均在100℃以下，其辐射能量集中在波长2.5 μm以上的长波段。如果将窗户作为物体热量传递的界面，那么我们希望我国北方的高纬度地区，室外的辐射能量传进来，而室内的辐射能量不要辐射出去。以辐射的波长为界时，室内、室外辐射能的分界点就在2.5 μm波长处。

Low－E玻璃不同于其他玻璃的突出特点是:它对0.3～2.5 μm的太阳能辐射具有60%以上的透过率，也就是说，晴天来自室外的太阳辐射能量可大部分透过Low－E玻璃。但在夜晚和阴雨天气，室外没有太阳辐射能的情况下，与普通的透明玻璃不同的是，Low－E玻璃不是将建筑物室内物体的热辐射的大部分通过自身向室内、外辐射和对流交换其热量，消耗室内热量。而是将约50%以上的辐射热反射回室内，仅有少于15%的热辐射被其吸收后通过再辐射和对流交换散失。这样，Low－E玻璃不仅可以有效地将太阳能辐射进室内，又能阻止室内的热量向室外泄露。

由于Low－E玻璃的这一特性，使其具有控制热能单向流向室内的作用。应用“Low－E”窗玻璃的建筑其室内温度保持相对较高，因此在冬季不结霜，这样也给人们提供了一个较为舒适宜居和节能的室内环境。“Low－E”玻璃也能够阻挡大量的紫外线透射，防止室内的物品退色。图3中几种玻璃在波长大于3.0 μm的波段区其透过率接近于零。而建筑物内外受热面受热后向外辐射的能量其波长都超过3.0 μm，因此，上述几种玻璃都有温室效应，也就是说都能将较多的太阳辐射能透入室内。

2 玻璃的光线特性分析

目前，建筑工程中常用的玻璃有普通透明玻璃、吸热玻璃、反射玻璃、高透光型Low－E玻璃及遮阳型Low－E玻璃。这些玻璃的波长与透射率之间的关系见图3。从图3中可以看出，在可见光波段中，普通透明玻璃的透射率最高，但它在长波段即近红外波段的透射率也相当高。因此，这种玻璃的透光能力很高，透太阳辐射热的能力在这几种材料中也是最高的。高透光型Low－E玻璃在可见光范围内的透射率仅次于普通透明玻璃，但它在近红外波段的透过率很低，有效的阻止了紫外线的照射。根据以上特点，不同地区和不同朝向的建筑门窗应选用不同的玻璃。

图3 吸热玻璃、反射玻璃及Low－E玻璃的透射曲线

对于冬季阳光充足的地区，在南向的窗户用普通透明玻璃效果较好，因为冬天太阳的高度角低，房间内能得到大量的太阳辐射热，在夏天，太阳的高度角高而容易被遮挡，没有大量的辐射热投射进去，起到了冬暖夏凉的作用。对于面向东西的窗，由于夏天东西向的太阳高度角偏小，为防止过多的热量投射进来，应采用Low－E玻璃，使其只透过可见光部分。

3 结束语

为室内环境提供充足的自然光线与自然通风是门窗的重要属性之一。对于普通透明玻璃、吸热玻璃、反射玻璃、高透光型 Low－E玻璃及遮阳型Low－E玻璃，他们分别适用于不同地区、不同朝向及用途的玻璃。

Low－E玻璃在建筑门窗节能及透光性能中都有其突出的优点。在建筑中，它不仅能将较多的太阳辐射能透入室内，且能阻止室内热能向外辐射，保持室内有一个舒适的热环境。

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