[摘要]  本文通過(guò)對各種類(lèi)型中空玻璃的傳熱系數和太陽(yáng)得熱系數進(jìn)行大量模擬計算，分析了原片組合、間隔類(lèi)型、使用環(huán)境等各方面的相關(guān)因素對中空玻璃節能指標的影響趨勢及程度。在此基礎上，探討了建筑和生產(chǎn)設計中，應正確選用的、能達到較佳節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  太陽(yáng)得熱系數  建筑節能 
    一、建筑節能對玻璃性能的要求
    隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟發(fā)達程度的提高，建筑能耗在社會(huì )總能耗中的所占比例越來(lái)越大，目前西方發(fā)達國家約為30%~45%，盡管我國經(jīng)濟發(fā)展水平和生活水平都還不高，但這一比例已達到20%~25%，正逐步上升到30%。在一些大城市，夏季空調已成為電力高峰負荷的主要組成部分。不論西方發(fā)達國家，還是我國，建筑能耗狀況都是牽動(dòng)社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展全局的大問(wèn)題。按照1986年制定的我國建筑節能分三步走的計劃，當前相關(guān)部門(mén)各級節能管理部門(mén)正在積較啟動(dòng)實(shí)現第三步節能65%目標的標準編制工作。而在影響建筑能耗的門(mén)窗、墻體、屋面、地面四大圍護部件中，門(mén)窗的絕熱性能較差，是影響室內熱環(huán)境質(zhì)量和建筑節能的主要因素之一。就我國目前典型的圍護部件而言，門(mén)窗的能耗約占建筑圍護部件總能耗的40%~50%。據統計，在采暖或空調的條件下，冬季單玻窗所損失的熱量約占供熱負荷的30%~50%，夏季因太陽(yáng)輻射熱透過(guò)單玻窗射入室內而消耗的冷量約占空調負荷的20%~30%。因此，增強門(mén)窗的保溫隔熱性能，減少門(mén)窗的能耗，是改善室內熱環(huán)境質(zhì)量和提高建筑節能水平的重要環(huán)節。
    中空玻璃具有突出的保溫隔熱性能，是提高門(mén)窗節能水平的重要材料，近些年已經(jīng)在建筑上得到了較其廣泛的使用。但隨著(zhù)節能標準的不斷提高，普通的中空玻璃已不能完全滿(mǎn)足節能設計的技術(shù)要求。例如在夏熱冬冷地區的節能設計標準中，對大窗墻比的外窗傳熱系數限制指標到了2.5 W/m²K，夏熱冬暖地區這一指標在部分條件下到了2.0 W/m²K。所以我們應該一方面大力推廣Low-E中空玻璃這種具有優(yōu)良節能特性的新產(chǎn)品，另一方面要深入分析和掌握中空玻璃節能性能的各個(gè)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)揮它較佳的節能性能。
    二、中空玻璃節能特性的基本指標
    在建筑用中空玻璃諸多的性能指標中，能夠用來(lái)判別其節能特性的主要有傳熱系數K和太陽(yáng)得熱系數SHGC。中空玻璃的傳熱系數K是指在穩定傳熱條件下，玻璃兩側空氣溫度差為1℃時(shí)，單位時(shí)間內通過(guò)1平方米中空玻璃的傳熱量，以W/m²K 表示。K值越低，說(shuō)明中空玻璃的保溫隔熱性能越好，在使用時(shí)的節能效果越顯著(zhù)。太陽(yáng)得熱系數SHGC是指在太陽(yáng)輻射相同的條件下，太陽(yáng)輻射能量透過(guò)窗玻璃進(jìn)入室內的量與通過(guò)相同尺寸但無(wú)玻璃的開(kāi)口進(jìn)入室內的太陽(yáng)熱量的比率。玻璃的SHGC值加大時(shí)，意味著(zhù)可以有更多的太陽(yáng)直射熱量進(jìn)入室內，減小時(shí)則將更多的太陽(yáng)直射熱量阻擋在室外。SHGC值對節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，應該減少太陽(yáng)輻射熱量對室內溫度的影響，此時(shí)需要玻璃具有相對低的SHGC值；在寒冷氣候條件下，應充分利用太陽(yáng)輻射熱量來(lái)提高室內的溫度，此時(shí)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(guò)程，后者主要衡量的是由太陽(yáng)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(shí)存在，所以在各建筑節能設計標準中，是通過(guò)限定K和SHGC的組合條件來(lái)使窗戶(hù)達到規定的節能效果。
    目前，中空玻璃的K值是通過(guò)實(shí)驗室實(shí)際測量得出的，SHGC值是對光譜數據計算得出的。因為K值的實(shí)際測量受成本限制難以收集各種類(lèi)型的大量數據，所以本文的分析過(guò)程將采用美國勞倫斯伯克利實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的Window5.2軟件進(jìn)行模擬計算。該軟件能夠計算出各種類(lèi)型玻璃的K值和SHGC值等相關(guān)參數，其計算結果可以近似代替實(shí)際測量值。為了保證計算結果的一致性，除特殊說(shuō)明以外，本文在計算分析中采用NFRC系列標準的環(huán)境條件設置數據。
    三、節能指標的影響因素分析
    1、玻璃的厚度：
    中空玻璃的傳熱系數，與玻璃的熱阻（玻璃的熱阻為1mK/W）和玻璃厚度的乘積有著(zhù)直接的聯(lián)系。當增加玻璃厚度時(shí)，必然會(huì )加大該片玻璃對熱量傳遞的阻擋能力，從而降低整個(gè)中空玻璃系統的傳熱系數。對具有12 mm空氣間隔層的普通中空玻璃進(jìn)行計算，當兩片玻璃都為3mm白玻時(shí)，K=2.745W/m²K，都為10mm白玻時(shí)，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(xiàn)關(guān)系。從計算結果也可以看出，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，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。
    當玻璃厚度增加時(shí)，太陽(yáng)光穿透玻璃進(jìn)入室內的能量將會(huì )隨之而減少，從而導致中空玻璃太陽(yáng)得熱系數的降低。如圖2所示，在由兩片白玻組成中空時(shí)，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）+白玻組成中空時(shí)，降低了37%左右。不同廠(chǎng)商、不同顏色的吸熱玻璃影響程度將會(huì )有所不同，但同一類(lèi)型中，玻璃厚度對SHGC值的影響都會(huì )比非常大，同時(shí)對可見(jiàn)光透過(guò)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(shí)，應根據建筑物能耗的設計參數，在滿(mǎn)足結構要求的前提下，考慮玻璃厚度對室內獲得太陽(yáng)能強度的影響程度。在鍍膜玻璃組成中空時(shí)，厚度會(huì )依基片的種類(lèi)而產(chǎn)生不同程度的影響，但主要的因素將會(huì )是膜層的類(lèi)型。
    2、玻璃的類(lèi)型：
    組成中空的玻璃類(lèi)型有白玻、吸熱玻璃、陽(yáng)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(huì )有微小的改變，但不會(huì )對中空系統產(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(lèi)型的玻璃，在單片使用時(shí)的節能特性就有很大的差別，當合成中空時(shí)，各種形式的組合也會(huì )呈現出不同的變化特性。
    吸熱玻璃是通過(guò)本體著(zhù)色減小太陽(yáng)光熱量的透過(guò)率、加大吸收率，由于室外玻璃表面的空氣流動(dòng)速度會(huì )大于室內，所以能更多地帶走玻璃本身的熱量，從而減少了太陽(yáng)輻射熱進(jìn)入室內的程度。不同顏色類(lèi)型、不同深淺程度的吸熱玻璃，都會(huì )使玻璃的SHGC值和可見(jiàn)光透過(guò)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(shí)傳熱系數K值是相同的。選取不同廠(chǎng)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列出了各項節能特性參數。計算結果表明，吸熱玻璃僅能控制太陽(yáng)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(lèi)型吸熱玻璃對中空節能特性的影響