在线Low-E玻璃在近零能耗建筑中的应用

杨建溥 刘国东

（1. 中国玻璃控股有限公司 威海 264200；2. 中国建筑玻璃与工业玻璃协会 北京 100037）

0 引言

GB/T 51350—2019 《近零能耗建筑技术标准》已发布，超低能耗建筑和零能耗建筑分别被定义为近零能耗的初级和高级表现形式，对建筑外窗提出了更加明确的节能要求。源自德国的被动式超低能耗建筑（被动房）引领了近零能耗建筑的技术发展。被动房由于其舒适、节能效果显著而被市场所接受。北京、河北、山东、辽宁、江苏、湖南、内蒙古、青海、黑龙江、福建等地已建100多万平米，涉及居住、办公、旅馆、纪念馆、工厂、学校、幼儿园、工厂等［1］。

因室内外的环境对Low-E膜层的耐磨性和耐酸碱性要求非常高，被动房用三玻两腔中空玻璃一般将Low-E膜布置在中空腔室内，避免直接暴露于室外或室内空气中。

1 Low-E玻璃节能原理

低辐射镀膜玻璃是通过物理或化学方法在玻璃表面镀制具有低辐射率性能的薄膜制成的，简称低辐射玻璃，英文为Low Emissivity Coating，因此也称Low-E玻璃。目前商业化制造Low-E玻璃有两种成熟工艺技术，即采用物理方法的真空磁控溅射工艺和采用化学方法的化学气相沉积工艺。

Low-E玻璃最重要的特性是节能，以辐射率来表现，辐射率越低，其节能性能越好。国家标准GB/T 18915.2—2013《镀膜玻璃 第2部分：低辐射镀膜玻璃》规定：离线低辐射镀膜玻璃辐射率应小于0.15；在线低辐射镀膜玻璃辐射率应小于0.25。目前被动房市场应用的高透型净色Low-E产品，离线单银Low-E的辐射率介于0.07～0.15，在线Low-E的辐射率介于0.16～0.20。

Low-E玻璃对节能的贡献从两个方面体现，一是Low-E膜可以减少玻璃两侧因温差而引起的热量传递（即温差传热），另一方面Low-E膜能有效阻隔太阳辐射，从而限制太阳照射透过玻璃的辐射热能（即辐射传热）。在实际应用中，Low-E玻璃一般被制成中空玻璃、真空玻璃等结构使用。三玻两腔中空玻璃的热工性能示意见图1，该玻璃的配置及参数见表1，编号规则见图2。

表1 配置及参数

2 中空玻璃传热系数

室内外之间通过玻璃的温差传热分为三个步骤：①室外空气与玻璃表面交换的热量，简称“室外换热”；②透过玻璃本体传递的热量，简称“玻璃传热”；③室内空气与玻璃表面交换的热量，简称“室内换热”。

以往仅在玻璃本体即“玻璃传热”上想办法，例如做成中空、真空玻璃并在内部玻璃表面上镀膜等，这些技术手段只能降低“玻璃传热”。单腔中空玻璃的充气层厚度超过一定数值后（一般12～15 mm），因气体定向环流传热量增多而导致传热系数U值升高。如果插入一片玻璃或其他板材分隔气体层就可以限制气体环流传热，叠加后充气层的总厚度可以很大，既能增加气体总热阻又降低了环流传热量，这就是多腔中空的优势。

被动房普遍使用三玻两腔中空玻璃，一般采用两Low-E或三Low-E的配置方案，离线Low-E因辐射率更低被普遍采用。

3 降低中空玻璃传热系数的途径

要想降低室内外空气与玻璃表面之间的换热量，即降低“室外换热”和“室内换热”，也可采用镀Low-E膜降低表面辐射率实现。因室外的环境对膜层的耐磨性和耐酸碱性要求非常高，目前的技术实现起来有难度，故暂不考虑在室外换热上做文章，但是可用室内面镀Low-E膜减少室内换热。与原来仅靠“玻璃传热”的贡献降低传热系数U值相比，“玻璃传热”加“室内传热”共同贡献来降低U值，其优点在于既不改变玻璃结构又不增加玻璃重量，但可以进一步降低U值。

在线Low-E的优点之一：在高温玻璃表面制成的膜与玻璃结合牢固、耐划伤，因此也称为“硬镀膜”，可单片使用。与此相反，采用金属银作为功能层的离线Low-E的缺点之一：膜层硬度差、不耐腐蚀，因此也称为“软镀膜”，不可单片使用。

因此，无论从理论还是现有技术条件，室内面采用在线Low-E膜来降低U值都具有可行性，三玻两腔Low-E中空玻璃的U值对比见表2。

表2 三玻两腔Low-E中空玻璃U值对比

从表2可以看出，配置2、配置3相比配置1增加了一片Low-E膜，但位置不同。配置2在5#面增加辐射率0.11的离线Low-E膜，U值下降了0.04 W/m2折合5%，配置3在6#面增加辐射率0.18的在线Low-E膜，虽然其辐射率远高于离线Low-E，但U值下降了0.10 W/m2折合12.5%。从模拟计算结果看，室内面增加Low-E膜对中空玻璃U值的降低是非常可观的。

4 热舒适性

热舒适是人对周围热环境所做的主观满意度评价（ISO 7730）。分析某一热环境是否舒适有三个方面：①物理方面：根据人体活动所产生的热量与外界环境作用下穿衣人体的失热量之间的热平衡关系，分析环境对人体舒适的影响及满足人体舒适的条件。②生理方面：研究人体对冷热应力的生理反应如皮肤温度、皮肤湿度、排汗率、血压、体温等并利用生理反应区分环境的舒适程度。③心理方面：分析人在热环境中的主观感觉，用心理学方法区分环境的冷热与舒适程度［2］。本文仅对人体皮肤与玻璃之间因物理方面的热传递导致的热舒适性差异进行研究。

建筑节能设计所强调的是对建筑能耗的降低，也就是针对建筑维持室内物理环境视野水平所需要的设备运行耗能，由此也引出了被动式设计，包括自然通风、天然光利用等策略，其定的潜在目标为建筑的零能耗。相对应的，以舒适为目标的设计集中在建筑使用者的感受上，最为典型的设计类型是基于健康设计目标的寻证设计，其设定的潜在目标为建筑使用者的舒适和满意度。放大二者的设计目标可以发现：一个是能耗最小化，一个则为舒适最大化。如果将二者放置在建筑表皮的关联中，很容易发现表皮材料的特征在节能与舒适的矛盾关系中发挥着非常重要的平衡作用［2］。

被动式房屋的评价体系包含用一次能源表示的“实际能耗”和“室内舒适度”两套指标［1］。菲斯特教授在《德国被动房设计和施工指南》一书中指出“整窗传热系数小于0.85 W/（m2·K）， 是基于内表面平均温度在设计条件下要高于17 ℃”，称之为“热舒适度准则”。此准则明确指出，外窗传热系数是由内表面平均温度来确定的。研究表明，在室内空气温度为20 ℃， 围护结构内表面温度高于17 ℃时，人体才不会感受到明显的来自围护结构的冷辐射。也就是说，外窗的传热系数指标要能保证在所处的环境下外窗内表面平均温度不低于17 ℃，才能达到被动式超低能耗建筑的热舒适度要求［3］。

研究与表2相同的三种配置中空玻璃的热舒适性，相关参数见表3，t6的位置见图2。

表3 三玻两腔中空玻璃热舒适性相关参数对比

从表3可以看出，单纯从玻璃室内面t6温度的高低来判断热舒适性，配置3的温度值是最低的，热舒适性也应该是最低的，但实际情况并非如此。热舒适性实际是人体皮肤表面与室内环境热传递的感受，热传递的途径有三种：传导、对流和辐射。由于人体与玻璃一般相距在几十厘米以上，传导和对流可以认为是近似不变的，只有热辐射与热舒适性相关。

将人体皮肤表面简化为平板，与玻璃平行，可以粗略估算研究人体与玻璃之间的辐射传热。两平行表面之间的辐射传热可由式（1）计算：

表4 人体与玻璃辐射传热

从表4可以看出，配置Ⅱ的单位面积辐射传热仅相当于配置Ⅰ的26%，也就是说，人体皮肤感受到的热量散失是大幅度减少的，热舒适性更佳。

5 结语

在线Low-E膜具备暴露在空气中使用的条件，通过三玻两腔Low-E中空玻璃U值对比，发现将其布置于中空玻璃的室内面，可以获得传热系数更低的中空玻璃解决方案。对三玻两腔Low-E中空玻璃的室内面和室温之间的温度差、单位面积辐射传热进行分析，发现单纯用外窗室内面和室内环境之间的温度差来衡量热舒适性是不准确的，将在线Low-E膜布置于中空玻璃的室内面热舒适性更好。