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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Low-E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3µm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40µm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。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。
    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,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的传热,是通过对流传导体现的。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.窗玻璃传热的定量表达
    对流传导所传递的热能为Q1,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 = U ´(T内—T外)  +  太阳辐射系数 ´ Sc       (式-1)
                                             
         Q1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W/m2℃。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630w/m2,可理解为太阳照射到地面的能量强度(注:实际强度为783 w/m2,透过3mm普通白玻璃后为630 w/m2,Sc的定义如此)。
T内—T外---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。特殊结构的产品如中空玻璃、夹层玻璃等需个别测量并计算得出。
    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。     
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