节能玻璃在建筑中的应用

当前，能源问题已经成为制约人类生存和发展的关键性因素之一。由于石油﹑天然气﹑煤炭三种传统能源的大量使用，其储备已日趋枯竭，人们将不得不转向成本较高的生物能﹑地热﹑水利﹑太阳能﹑风力等绿色能源，而我国的能源问题也越来越严峻。

建筑节能设计作为建筑节能的源头，是一项综合性的系统工程，而科学合理地使用具有节能、安全、环保特性的加工玻璃则是这一系统工程中极其重要的环节之一，因为越来越多的节能玻璃已被应用于民用和商用建筑之中。如果这一环节不能得到足够的重视和有效的实施，建筑节能工作就难以取得实质性的推进。我国幅员辽阔，气候差异大，有“三北高寒地区”，有“冬冷夏热地区”，有“夏热冬暖”地区等多种气候特征，因此为了满足建筑节能、国家未来能源战略的实施和经济社会可持续发展的要求，必须要研制开发出能适应不同气候特征的节能玻璃产品。

在工程实践中，往往由于忽视了节能玻璃的选择应遵循“因地制宜，外观采光”的原则，以及其他影响其节能性能的因素等环节，因此造成在建筑设计中的选择不当或者没有合理规避影响其节能效果的不利因素，而造成了大量的经济浪费。因此，系统的分析节能玻璃在建筑设计中的应用显得非常必要。

1 建筑节能玻璃的节能原理及性能指标

1. 1 节能原理

建筑节能玻璃包括吸热玻璃﹑热反射玻璃﹑低辐射玻璃﹑中空玻璃、真空玻璃等。目前，应用在建筑节能工程上较多的有热反射玻璃﹑低辐射玻璃﹑中空玻璃，而中空玻璃多是由热反射玻璃和低辐射玻璃加工而成。

自然环境中的太阳能辐射是最大热能，其中可见光的能量仅占1 /3，其余的2 /3 主要是热辐射能。自然界另一种热能形式是远红外辐射能，其能量分布在4 ～50μm 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，在室内这部分热能由暖气、家用电器、阳光照射的家具及人体所产生的，冬季成为来自室内主要热源。

太阳辐射投射到玻璃上，一部分透过玻璃成为直接通过的能量，而另一部分被玻璃吸收或反射，被玻璃吸收的太阳能使温度升高，并通过与空气对流及向外辐射而传递热能，因此最终仍有相当部分透过物体，这可归结为传导、辐射、对流形式的传递。一般而言，来自于暖气的远红外线热辐射，玻璃只能反射式吸收它，而不能直接透过，最终仅以传导、辐射、对流的形式透过玻璃，因此远红外线辐射透过玻璃的传热是通过传导、辐射、及空气对流体现的。

玻璃对远红外线热能的阻挡效果，取决于玻璃吸收能力的强弱。辐射率越低的玻璃，越不易吸收外来的热辐射能量，从而玻璃通过传导、辐射、对流所传递的热能就少。低辐射玻璃能够起到“隔热节能”的效果，正是限制了这一部分的传热。现代建筑多采用中空Low - E 玻璃，其节能效果更加显著，这是因为中空玻璃内部气体处于一个封闭的空间，气体不产生对流，对流换热量很小。同时，空气的导热系数为0.028W/( m·K) ，是玻璃导热系数0.77W/( m·K) 的1 /27，传导传热在中空玻璃的能量传递中也占较小的比例，而采用低辐射玻璃以后，不仅可以直接反射远红外热辐射，而且可以阻挡玻璃吸热升温后以辐射形式向外散热，从而降低了辐射传热，因此，其保温隔热性能要比普通中空玻璃高1 倍。玻璃热损耗示意图如图1所示。

1. 2 性能指标

由于玻璃是透明材料，通过玻璃传热除了传导、辐射、对流这三种形式外，还有太阳能量以光辐射形式的直接透过。衡量建筑节能玻璃节能性能的参数最主要有热传导率即U 值、可见光透过率、遮阳系数( Sc) 等。国家标准也明确规定，此三大性能指标为的幕墙玻璃的强制检测参数，这足以说明了其重要性。

热能传递系数( U 值) : 镀膜玻璃保温隔热性能的代表性指标。它表示在一定条件下热量通过玻璃时，在单位面积( 通常是1m2 ) 、单位温差( 通常是室内温度和室外温度之差l ℃或者1K) 和单位时间( 1s) 内通过玻璃所传递热量的焦耳数，其单位通常是W/(m2·K) 。U 值是玻璃的传导热、对流热和辐射热的函数，它是这三种传热方式的综合体现，U 值越小，它的隔热和保温能力就越好，透过玻璃的能量损失也就越小。在英国单位制中通常用K 值来表示。

可见光透射比( Tvis) : 是指在可见光谱( 380 ～780nm) 范围内，透过玻璃的光强度相对于入射光强度的百分比。在保持同样低辐射性能的条件下，玻璃的可见光透过率越低，室内的采光效果就越差，但进入室内的热量也会相对减少。

遮阳系数( Sc) : 顾名思义是玻璃遮挡或抵御太阳光能的能力，是指太阳辐射总透射比与3mm厚普通无色透明平板玻璃的太阳辐射的比值。遮阳系数越小，阻挡阳光向室内直接辐射热量的性能越好。

这三大性能指标决定了节能玻璃在建筑节能中所起到的作用，因此，在建筑节能设计中，因地制宜，把握好这三大性能指标显得至关重要。

2 建筑节能玻璃的选择应遵循的原则

2. 1 气候地域因素

对于我国不同地区，常年的气候变化情况大不相同，因此，要充分发挥节能玻璃在建筑中的最大节能效果，必须考虑到气候地域的因素。而控制节能玻璃的节能效果，其本质就是控制节能玻璃的三大性能指标。

对于北方寒冷地区而言，主要以控制暖气损耗为主，因此应选择Sc>0. 6 的节能玻璃为宜，使太阳能尽可能多地进入室内; 对于南方炎热地区而言，主要以控制空调损耗为主，应选择Sc<0. 3 的节能玻璃为宜，尽可能的限制太阳能进入室内; 对于中部温冷地区，控制空调、暖气损耗同样重要，因此应选择Sc 为0. 3～0. 6 为宜，兼顾冬、夏需要。

2. 2 采光效果

在现代建筑中，追求大面积采光的玻璃设计成为潮流，在满足节能效果的前提下，室内的视觉舒适度与采光效果密切相关。而在建筑节能设计中，处理好采光效果，就必须解决好与太阳能辐射的矛盾，因为我们知道，采光效果和可见光透过玻璃进入室内的数量有关系，可见光透射率越大，势必太阳能辐射热进入室内的也就越多，因此，在满足“遮蔽热辐射”节能的前提下，尽可能的控制节能玻璃的可见光透射率，才能达到一个理想的室内视觉舒适度。

2. 3 外观效果

对于现代建筑设计而言，要充分考虑两方面的因素: 第一就是建筑的适用性和功能性; 第二就是建筑的美学性，即建筑的外观效果。在建筑节能设计中，由于大面积采用了节能玻璃，因此，建筑的外观效果和建筑节能玻璃的外观效果密切相关。要使整体建筑外观效果达到一个理想的状态，应该注意以下几个方面: 从学术角度来说，外观效果相当于视线的遮蔽性，而基本遮蔽的条件要求反射光强度大于5 倍的透射光强度，对应玻璃的室外反射率约为20%; 要充分考虑节能玻璃的综合反射颜色的构成: 即节能玻璃本体反射+背景天色+透过光色; 避免产生光污染。

3 建筑节能玻璃实现节能的主要因素

3. 1 节能玻璃的类型

节能玻璃的类型直接决定了节能玻璃在建筑中所发挥的效果。节能玻璃包括吸热玻璃( 遮阳玻璃) 、热反射玻璃、低辐射玻璃、中空玻璃、真空玻璃等，不同类型的玻璃，特点各不相同。现代建筑中应用最多的是吸热玻璃、热反射玻璃、低辐射玻璃，它们或单片使用，或搭配组合成中空玻璃使用，就经验而论，中空玻璃的使用率和节能效果最佳，已经被广泛使用，但具体地区还应考虑气候因素和经济因素。

对于热反射玻璃而言，遮阳系数比较低，而可见光反射比、传热系数、辐射率则与普通玻璃差别不大; 低辐射玻璃因其功能层具有较低的辐射率，因此其遮阳系数和传热系数都比较低; 中空玻璃一般是由2 片低辐射玻璃或者低辐射和热反射玻璃中空而成，因此其遮阳系数和传热系数比低辐射玻璃还要低，与普通玻璃相比，其传热系数至少可降低40%，是目前最实用的隔热玻璃。

3. 2 Low-E 玻璃的辐射率

Low-E 玻璃的传热系数与膜面的辐射率有着直接的关系。辐射率越小时，对远红外线的反射率越高，玻璃的传热系数也会越低。例如，当6mm单片Low-E 玻璃的膜面辐射率为0. 2 时，传热系数为3. 80W/( m2·K) ;辐射率为0. 1 时，传热系数为3. 45W/( m2·K) 。

单片玻璃的U 值的变化必然会引起中空玻璃U 值的变化，而辐射率的大小和低辐射玻璃的膜层厚度和功能层( Ag 层) 的层数有密切关系。热反射玻璃的辐射率ε 约0. 6～0. 87; 阳光控制玻璃辐射率ε 约0. 5～0. 8; 双银产品的辐射率ε 一般为0. 05 左右; 而三银产品的辐射率ε 一般小于0. 03，因此三银产品的节能效果最理想。

3. 3 中空玻璃的配置

在使用过程中，不同原片玻璃的组合可以形成不同中空玻璃的光学性能参数。选择合适的中空玻璃原片进行组合，在相等造价的基础上可获得更好的节能效果。几种不同原片玻璃组合( 6mm+12A + 6mm) 的光学性能参数如表1所示。

从表中可以看出，根据需要选用吸热玻璃、热反射玻璃、Low-E 玻璃等作为中空玻璃的基片，可以大大降低传热系数和遮阳系数，同时可见光透过率较高，具有显著的节能效果，是节能玻璃的最佳选择。

3. 4 膜面位置的因素

对于中空玻璃而言，膜面的位置直接影响节能玻璃的Sc 和U 值，而Sc 和U 值又直接影响节能玻璃的节能效果，因此，薄膜位置的选择不容忽视。另外，膜面的选择要根据各地常年的气候状况和建筑的外观设计要求而定。

一般情况下，膜面位置的选择( 见图2) 对于南方地区，膜面大多位于2# 面;对于北方地区，膜面大多位于3# 面两种方式隔热性差异在于: 两种方式的U冬相等，U夏相差2%，2 #面的Sc 低于3# 面10% 以上。而从外观效果角度来看，2#面的外观颜色效果优于3#面。6mm + 12A +6mm 透明Low-E 玻璃和冷灰Low-E中空玻璃的膜面位于2#、3#时遮阳系数Sc 和传热系数的差异如表2 所示。

3. 5 间隔层气体的影响

由于气体间隔层的作用，使得中空玻璃的导热系数比单片玻璃低50% 左右。中空玻璃内部充填的气体除空气外，还有氩气、氪气等惰性气体。中空玻璃具有良好的热阻性能，这归因于气体的导热系数很低( 空气0. 024W/mK; 氩气0.016W/mK) 。对于6mm + 12A + 6mm 的白玻中空组合来说，当间隔层气体为空气时，U 值约为2. 7 W/m2K; 当充填100%氪气时，U 值约为2. 47W/m2K，而充填100%氩气时，U 值约为2. 53W/m2K。相对于氪气而言，因氩气在空气中的含量丰富，容易提取，使用成本较低，因此氩气常作为间隔层气体广泛应用于中空节能玻璃的加工中。

4 结语

节能玻璃是一种高效、实用、美观的建筑材料，在建筑节能系统工程中发挥着不可替代的作用。在建筑节能设计中，节能玻璃的选择应该遵循“因地制宜，外观与采光并重”的原则，根据不同地区的气候特点合理选择适用性能的玻璃，既要考虑外观效果，又要重视采光程度。同时，充分考虑节能玻璃的类型、配置、辐射率、膜面位置、间隔层气体等因素对节能玻璃性能的影响，规避不利因素，使节能玻璃在建筑节能工程中发挥出其最理想的节能效果，从而达到降低能耗的目的。我们相信，随着可持续发展观念和建筑节能意识的逐步深入，高性能的节能玻璃必将得到不断的发展和拥有更加广泛的市场前景。