Low—E玻璃原理及应用

朱人杰　詹鸣

【摘 要】本文通过对普通单片玻璃、中空玻璃、中空或真空Low-E玻璃组件传热模型的分析，根据基本光热概念，阐明Low-E玻璃组件的节能原理，便于不同性能Low-E玻璃组件的选用。

【关键词】传热系数；Low-E玻璃；中空玻璃；辐射率

中图分类号： TQ171.11 文献标识码： A 文章編号：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

绿色节能是建筑发展的必然方向。被动房是将自然通风、自然采光、太阳能辐射和室内非供暖热源得热等各种被动式节能手段与建筑围护结构高效节能技术相结合建造而成的低能耗建筑。这种建筑在显著提高室内环境舒适性的同时，可大幅度减少建筑使用能耗，最大限度地降低对主动式机械采暖和制冷系统的依赖，节能效果可达到普通建筑的90%。被动房屋节能的关键是采用高性能的围护结构，通过极低的传热系数和良好的密封性减少热量的传递，在冬季可以凭借房屋自然得热维持室内温度达到20度以上，在夏季则足以抵抗太阳热辐射不传到室内。

窗户是普通建筑隔热保温的薄弱环节，要达到被动房的节能、舒适指标要求，必须严格窗户的设计、选材、施工等各个环节。外窗的隔热性能通常用整窗传热系数描述，其计算包括玻璃传热、窗框传热和玻璃-窗框之间传热等部分，对于被动房，通常要求整窗传热系数不大于1W/（m2·K）。窗户的玻璃透明部分占窗户面积的70%以上，玻璃的传热是外窗传热的主要部分，要满足整窗传热系数指标，玻璃必须达到更低的传热系数，一般要求不大于0.8W/（m2·K）。因此采用具有先进光热性能的新型玻璃材料，即Low-E玻璃是解决问题的关键。本文通过对普通单片玻璃、中空玻璃、中空或真空Low-E玻璃组件传热模型的分析，根据基本光热概念，阐明Low-E玻璃组件的节能原理，便于不同性能Low-E玻璃组件的选用。

1 玻璃传热模型

1.1 普通单片玻璃

我们从普通单片玻璃出发分析玻璃传热。设想玻璃隔开室内、外空气，室内温度低于室外，不考虑太阳光辐射。这相当于冬夜场景，主要关心的是室内保温，即减少室内的热量散失。不可避免地，热量通过对流、传导和辐射三种形式，由高温区向低温区传递。由于空气的流动，室内空气主体各部分保持恒定的温度，靠近玻璃处通过对流传热。但靠近玻璃内表面的一薄层空气可视为没有宏观流动，热量通过空气传导至玻璃内表面。然后，热量从玻璃内表面通过传导传递至玻璃外表面，然后与室内空气类似，通过空气的传导和对流传至室外低温空气。另外还需考虑室内空气的辐射散热。任何高于绝对零度的材料都会辐射电磁波，但对于通常室内温度，其辐射主要位于远红外区。由于普通玻璃对远红外线有强烈吸收，数毫米厚的玻璃即可完全吸收远红外线，因此，室内热量难于通过玻璃直接辐射传至室外。理论上，玻璃吸收远红外线会引起温度升高，并进一步通过传导、对流和辐射将热量传至室外。

为了简化计算和便于比较，相关标准通常将上述传热过程分为三部分，即室内空气-玻璃传热、玻璃传热、玻璃-室外空气传热，并给定室内、外温度和风速等条件，从而给出了特定的室内、外空气传热系数。这样，单片玻璃的传热系数仅取决于玻璃的导热系数和玻璃的厚度。因为玻璃具有相当大的导热系数（约1W/（m·K）），经计算，常用普通透明玻璃的传热系数约为5-6W/（m2·K），与被动房要求的窗玻璃传热系数不大于0.8W/（m2·K）相距甚远。

冬季白天除考虑外窗的保温性能外，还希望充分利用太阳辐射，一方面提供良好采光，另一方面提高室内温度，降低采暖能耗。太阳光辐射能量中的近紫外部分（波长300-380 nm）约占13%，可见光部分（波长380-780 nm）约占43%，近红外部分（波长780-2500 nm）约占41%，中、远红外光（波长大于2500nm）仅占3%左右。普通玻璃有相当好的可见光透过性，这可用可见光透射比衡量。所谓可见光透射比，指在太阳光可见光谱（380nm-780nm）范围内，透过玻璃或其它透光材料的可见光对入射可见光的比值。3mm和6mm普通透明玻璃的可见光透射比分别为0.83和0.77，透明性良好。然而太阳辐射能量的近红外线部分也占有很大比重，近红外线的良好透过性也是室内得热的主要方面。室内得热可用太阳光总透射比来衡量，其含义为由太阳辐射的室内得热与照射到窗上的太阳辐射热之比，包括直接辐射和窗户的二次辐射，也称为太阳能得热系数（SHGC， solar heat gain coefficient）。普通玻璃的总透射比也相当大，3mm和6mm普通透明玻璃总透射比分别为0.87和0.82，显然，对于夏季需要阻隔强烈太阳辐射时普通玻璃难于胜任。

1.2 中空玻璃

两片普通玻璃之间用薄空气层隔开即构成中空玻璃。由于空气的导热系数（约0.0249W/（m·K））远低于玻璃，而空气层的对流传热一般可忽略，作为一个整体，相当于大幅度降低了玻璃的导热系数，理应获得很低的传热系数。但实际的传热系數并不低，这是因为还有一个传热方式不能忽略，即两玻璃之间的辐射传热。

前已述及，任何高于绝对零度的材料都会辐射电磁波，中空玻璃两内表面都会辐射远红外线，但总的辐射传热方向仍是高温表面传向低温表面。影响辐射传热的因素有两个，一个是两表面温度差，另一个是两表面的辐射率。材料对电磁波的辐射和吸收是两个相关的概念，如材料对所有辐射均完全吸收，即是所谓黑体，这只是理论上存在，同时，黑体也具有理论上的最强辐射能力。实际材料的辐射能力与材料本身性质和表面形貌有关，但低于同温度下的黑体，其比值就是辐射率。普通玻璃的辐射率相当大，约为0.9，故中空玻璃两内表面的辐射传热是制约玻璃传热系数的重要因素。例如中空玻璃（6透明+12空气+6透明）的传热系数为2.8W/（m2·K），仍难以满足被动房窗玻璃的指标要求。

另外，中空玻璃对太阳辐射的影响与普通玻璃区别不大，例如中空玻璃（6透明+12空气+6透明）的可见光透射比为0.71，太阳光总透射比为0.75，仅略低于普通玻璃，因此也不利于夏季对太阳辐射的遮挡。

1.3 Low-E玻璃组件

进一步降低中空玻璃传热系数的关键就是降低玻璃内表面的辐射率，显而易见的方案就是采用低辐射率镀膜。银膜的辐射率只有0.02，远低于普通玻璃的0.91，以银膜为主要功能膜的镀膜玻璃就是Low-E玻璃，即低辐射（Low emission）玻璃。只要中空玻璃的两玻璃之一采用Low-E玻璃，即可大大降低玻璃表面的辐射传热。如果再用导热系数更低的惰性气体例如氩气（约0.01680.0249W/（m·K））代替空气，则可进一步降低玻璃间热传导，则传热系数可降至2W/（m2·K）以下，但一般仍高于1W/（m2·K）。采用两片Low-E玻璃的三玻两腔组件、无气体填充的真空玻璃组件等，能进一步降低传热系数至0.8W/（m2·K）以下，完全满足被动房的要求。

Low-E玻璃的优势不仅是其超低传热系数带来的优良保温性能，对太阳辐射的选择利用是其另一特点。冬季型的Low-E玻璃对可见光和近红外光均有良好的透过性，有利于冬季室内采光和得热。但冬季型Low-E玻璃显然不利于夏季遮挡强阳光辐射，夏季理想的状况应该是尽可能阻挡近红外光造成的室内得热，适当阻挡可见光避免炫光，但不影响正常采光。增加银膜的层数可以提高Low-E玻璃的可见光选择性，采用多层银膜等方式，得到所谓双银、三银Low-E玻璃，使其适当反射可见光，但反射大部分近红外光，使摄入室内的阳光没有明显热感，这就是所谓夏季型Low-E玻璃。

2 Low-E玻璃组件的选用

通过不同性能玻璃的组合可获得具有特定光热特性的Low-E玻璃组件，以适应不同的气候环境。衡量玻璃性能的指标除了传热系数、可见光透射比、太阳光总透射比外，常用的还有遮阳系数和光热比。遮阳系数是总透射比与3mm普通透明玻璃总透射比的比值，反映了玻璃对阳光辐射热的总体遮蔽效果。该数值越小，则遮阳效果越强，但过小的遮阳系数也使玻璃可见光透过性变差，即影响玻璃透明，容易给人以压抑感，也会增加室内照明耗能。光热比则是可见光透射比与太阳光总透射比的比值，反映了相同太阳得热条件下可见光的透过性，该数值越大，可见光透过性越好。玻璃的这两个指标需综合考虑才能获得预期的隔热和采光效果。

表1列出了一些典型玻璃的光热参数。表2是中国建筑玻璃与工业玻璃协会标准《被动式低能耗建筑透明部分用玻璃》（HB002-2014）对被动房玻璃的部分指标要求。我国地域广大，气候条件多样，宜根据气候特点，抓住主要矛盾，根据实际需要求选用合适玻璃组件，达到即满足节能、舒适要求，又降低成本的目的。

3 结论

Low-E玻璃能满足被动房的节能舒适要求。Low-E玻璃及其组件的低辐射性是其保温隔热的关键，其可调的可见光和近红外光透过性能便于对太阳辐射的合理控制，使其可用于不同气候地区。

表2 不同地区被动房透明部分用玻璃光热参数

【参考文献】

[1]张小玲.被动房——房屋发展的必然趋势[J].动感：生态城市与绿色建筑，2015（1）：46-49.

[2]王世忠.低辐射玻璃的概念与应用问题的讨论[J].玻璃， 2011，38（7）：3-9.

[3]董子忠，王体，温永玲，等.Low—E 镀膜玻璃的热工性能[J].新型建筑材料，2003（3）：50-54.

[4]许威，唐健正，唐晓蓓.被动房门窗玻璃优选高品质真空玻璃[J].建设科技，2016（4）：33-35.

[5]许威，唐健正.关于被动房用外窗玻璃的几点建议[J].建设科技，2016（17）：49-51.