[摘要]  本文通過對各種類型中空玻璃的傳熱系數(shù)和太陽得熱系數(shù)進(jìn)行大量模擬計(jì)算，分析了原片組合、間隔類型、使用環(huán)境等各方面的相關(guān)因素對中空玻璃節(jié)能指標(biāo)的影響趨勢及程度。在此基礎(chǔ)上，探討了建筑和生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，應(yīng)正確選用的、能達(dá)到較佳節(jié)能效果的中空玻璃組合方式及使用條件。
    [關(guān)鍵詞]  中空玻璃  傳熱系數(shù)  太陽得熱系數(shù)  建筑節(jié)能 
    一、建筑節(jié)能對玻璃性能的要求
    隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度的提高，建筑能耗在社會總能耗中的所占比例越來越大，目前西方發(fā)達(dá)國家約為30%~45%，盡管我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和生活水平都還不高，但這一比例已達(dá)到20%~25%，正逐步上升到30%。在一些大城市，夏季空調(diào)已成為電力高峰負(fù)荷的主要組成部分。不論西方發(fā)達(dá)國家，還是我國，建筑能耗狀況都是牽動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展全局的大問題。按照1986年制定的我國建筑節(jié)能分三步走的計(jì)劃，當(dāng)前相關(guān)部門各級節(jié)能管理部門正在積較啟動實(shí)現(xiàn)第三步節(jié)能65%目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)編制工作。而在影響建筑能耗的門窗、墻體、屋面、地面四大圍護(hù)部件中，門窗的絕熱性能較差，是影響室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量和建筑節(jié)能的主要因素之一。就我國目前典型的圍護(hù)部件而言，門窗的能耗約占建筑圍護(hù)部件總能耗的40%~50%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在采暖或空調(diào)的條件下，冬季單玻窗所損失的熱量約占供熱負(fù)荷的30%~50%，夏季因太陽輻射熱透過單玻窗射入室內(nèi)而消耗的冷量約占空調(diào)負(fù)荷的20%~30%。因此，增強(qiáng)門窗的保溫隔熱性能，減少門窗的能耗，是改善室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量和提高建筑節(jié)能水平的重要環(huán)節(jié)。
    中空玻璃具有突出的保溫隔熱性能，是提高門窗節(jié)能水平的重要材料，近些年已經(jīng)在建筑上得到了較其廣泛的使用。但隨著節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，普通的中空玻璃已不能完全滿足節(jié)能設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。例如在夏熱冬冷地區(qū)的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，對大窗墻比的外窗傳熱系數(shù)限制指標(biāo)到了2.5 W/m²K，夏熱冬暖地區(qū)這一指標(biāo)在部分條件下到了2.0 W/m²K。所以我們應(yīng)該一方面大力推廣Low-E中空玻璃這種具有優(yōu)良節(jié)能特性的新產(chǎn)品，另一方面要深入分析和掌握中空玻璃節(jié)能性能的各個影響因素，從玻璃原片、間隔組成和使用環(huán)境等方面保證中空玻璃能夠發(fā)揮它較佳的節(jié)能性能。
    二、中空玻璃節(jié)能特性的基本指標(biāo)
    在建筑用中空玻璃諸多的性能指標(biāo)中，能夠用來判別其節(jié)能特性的主要有傳熱系數(shù)K和太陽得熱系數(shù)SHGC。中空玻璃的傳熱系數(shù)K是指在穩(wěn)定傳熱條件下，玻璃兩側(cè)空氣溫度差為1℃時，單位時間內(nèi)通過1平方米中空玻璃的傳熱量，以W/m²K 表示。K值越低，說明中空玻璃的保溫隔熱性能越好，在使用時的節(jié)能效果越顯著。太陽得熱系數(shù)SHGC是指在太陽輻射相同的條件下，太陽輻射能量透過窗玻璃進(jìn)入室內(nèi)的量與通過相同尺寸但無玻璃的開口進(jìn)入室內(nèi)的太陽熱量的比率。玻璃的SHGC值加大時，意味著可以有更多的太陽直射熱量進(jìn)入室內(nèi)，減小時則將更多的太陽直射熱量阻擋在室外。SHGC值對節(jié)能效果的影響是與建筑物所處的不同氣候條件相聯(lián)系的，在炎熱氣候條件下，應(yīng)該減少太陽輻射熱量對室內(nèi)溫度的影響，此時需要玻璃具有相對低的SHGC值；在寒冷氣候條件下，應(yīng)充分利用太陽輻射熱量來提高室內(nèi)的溫度，此時需要高SHGC值的玻璃。在K值與SHGC值之間，前者主要衡量的是由于溫度差而產(chǎn)生的傳熱過程，后者主要衡量的是由太陽輻射產(chǎn)生的熱量傳遞，實(shí)際生活環(huán)境中兩種影響同時存在，所以在各建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，是通過限定K和SHGC的組合條件來使窗戶達(dá)到規(guī)定的節(jié)能效果。
    目前，中空玻璃的K值是通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)際測量得出的，SHGC值是對光譜數(shù)據(jù)計(jì)算得出的。因?yàn)镵值的實(shí)際測量受成本限制難以收集各種類型的大量數(shù)據(jù)，所以本文的分析過程將采用美國勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的Window5.2軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。該軟件能夠計(jì)算出各種類型玻璃的K值和SHGC值等相關(guān)參數(shù)，其計(jì)算結(jié)果可以近似代替實(shí)際測量值。為了保證計(jì)算結(jié)果的一致性，除特殊說明以外，本文在計(jì)算分析中采用NFRC系列標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境條件設(shè)置數(shù)據(jù)。
    三、節(jié)能指標(biāo)的影響因素分析
    1、玻璃的厚度：
    中空玻璃的傳熱系數(shù)，與玻璃的熱阻（玻璃的熱阻為1mK/W）和玻璃厚度的乘積有著直接的聯(lián)系。當(dāng)增加玻璃厚度時，必然會加大該片玻璃對熱量傳遞的阻擋能力，從而降低整個中空玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)。對具有12 mm空氣間隔層的普通中空玻璃進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)兩片玻璃都為3mm白玻時，K=2.745W/m²K，都為10mm白玻時，K=2.64 W/m²K，降低了3.8%左右，且K值的變化與玻璃厚度的變化基本為直線關(guān)系。從計(jì)算結(jié)果也可以看出，增加玻璃厚度對降低中空玻璃K值的作用不是很大，8+12+8的組合方式比常用的6+12+6組合K值僅降低0.03 W/m²K，對建筑能耗的影響甚微。由吸熱玻璃或鍍膜玻璃組成的中空系統(tǒng)，其變化情況與白玻相近，所以在下面的其它因素分析中將以常用的6mm玻璃為主。
    當(dāng)玻璃厚度增加時，太陽光穿透玻璃進(jìn)入室內(nèi)的能量將會隨之而減少，從而導(dǎo)致中空玻璃太陽得熱系數(shù)的降低。如圖2所示，在由兩片白玻組成中空時，單片玻璃厚度由3mm增加到10mm，SHGC值降低了16%；由綠玻（選用典型參數(shù)）+白玻組成中空時，降低了37%左右。不同廠商、不同顏色的吸熱玻璃影響程度將會有所不同，但同一類型中，玻璃厚度對SHGC值的影響都會比非常大，同時對可見光透過率的影響也很大。所以，建筑上選用吸熱玻璃組成的中空玻璃時，應(yīng)根據(jù)建筑物能耗的設(shè)計(jì)參數(shù)，在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下，考慮玻璃厚度對室內(nèi)獲得太陽能強(qiáng)度的影響程度。在鍍膜玻璃組成中空時，厚度會依基片的種類而產(chǎn)生不同程度的影響，但主要的因素將會是膜層的類型。
    2、玻璃的類型：
    組成中空的玻璃類型有白玻、吸熱玻璃、陽光控制鍍膜、Low-E玻璃等，以及由這些玻璃所產(chǎn)生的深加工產(chǎn)品。玻璃被熱彎、鋼化后的光學(xué)熱工特性會有微小的改變，但不會對中空系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的變化，所以此處僅分析未進(jìn)行深加工的玻璃原片。不同類型的玻璃，在單片使用時的節(jié)能特性就有很大的差別，當(dāng)合成中空時，各種形式的組合也會呈現(xiàn)出不同的變化特性。
    吸熱玻璃是通過本體著色減小太陽光熱量的透過率、加大吸收率，由于室外玻璃表面的空氣流動速度會大于室內(nèi)，所以能更多地帶走玻璃本身的熱量，從而減少了太陽輻射熱進(jìn)入室內(nèi)的程度。不同顏色類型、不同深淺程度的吸熱玻璃，都會使玻璃的SHGC值和可見光透過率發(fā)生很大的改變。但各種顏色系列的吸熱玻璃，其輻射率都與普通白玻相同，約為0.84。所以在相同厚度的情況下，組成中空玻璃時傳熱系數(shù)K值是相同的。選取不同廠商的幾種有代表性的6mm厚度吸熱玻璃，中空組合方式為吸熱玻璃+12mm空氣+6mm白玻，表1列出了各項(xiàng)節(jié)能特性參數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，吸熱玻璃僅能控制太陽輻射的熱量傳遞，不能改變由于溫度差引起的熱量傳遞。
表1  不同類型吸熱玻璃對中空節(jié)能特性的影響