[摘要]  本文通过对各种类型中空玻璃的传热系数和太阳得热系数进行大量模拟计算，分析了原片组合、间隔类型、使用环境等各方面的相关因素对中空玻璃节能指标的影响趋势及程度。在此基础上，探讨了建筑和生产设计中，应正确选用的、能达到最佳节能效果的中空玻璃组合方式及使用条件。
    [关键词]  中空玻璃  传热系数  太阳得热系数  建筑节能 
    一、建筑节能对玻璃性能的要求
    随着社会经济发达程度的提高，建筑能耗在社会总能耗中的所占比例越来越大，目前西方发达国家约为30%~45%，尽管我国经济发展水平和生活水平都还不高，但这一比例已达到20%~25%，正逐步上升到30%。在一些大城市，夏季空调已成为电力高峰负荷的主要组成部分。不论西方发达国家，还是我国，建筑能耗状况都是牵动社会经济发展全局的大问题。按照1986年制定的我国建筑节能分三步走的计划，当前政府各级节能管理部门正在积极启动实现第三步节能65%目标的标准编制工作。而在影响建筑能耗的门窗、墙体、屋面、地面四大围护部件中，门窗的绝热性能最差，是影响室内热环境质量和建筑节能的主要因素之一。就我国目前典型的围护部件而言，门窗的能耗约占建筑围护部件总能耗的40%~50%。据统计，在采暖或空调的条件下，冬季单玻窗所损失的热量约占供热负荷的30%~50%，夏季因太阳辐射热透过单玻窗射入室内而消耗的冷量约占空调负荷的20%~30%。因此，增强门窗的保温隔热性能，减少门窗的能耗，是改善室内热环境质量和提高建筑节能水平的重要环节。
    中空玻璃具有突出的保温隔热性能，是提高门窗节能水平的重要材料，近些年已经在建筑上得到了极其广泛的使用。但随着节能标准的不断提高，普通的中空玻璃已不能完全满足节能设计的技术要求。例如在夏热冬冷地区的节能设计标准中，对大窗墙比的外窗传热系数限制指标到了2.5 W/m²K，夏热冬暖地区这一指标在部分条件下到了2.0 W/m²K。所以我们应该一方面大力推广Low-E中空玻璃这种具有优良节能特性的新产品，另一方面要深入分析和掌握中空玻璃节能性能的各个影响因素，从玻璃原片、间隔组成和使用环境等方面保证中空玻璃能够发挥它最佳的节能性能。
    二、中空玻璃节能特性的基本指标
    在建筑用中空玻璃诸多的性能指标中，能够用来判别其节能特性的主要有传热系数K和太阳得热系数SHGC。中空玻璃的传热系数K是指在稳定传热条件下，玻璃两侧空气温度差为1℃时，单位时间内通过1平方米中空玻璃的传热量，以W/m²K 表示。K值越低，说明中空玻璃的保温隔热性能越好，在使用时的节能效果越显著。太阳得热系数SHGC是指在太阳辐射相同的条件下，太阳辐射能量透过窗玻璃进入室内的量与通过相同尺寸但无玻璃的开口进入室内的太阳热量的比率。玻璃的SHGC值增大时，意味着可以有更多的太阳直射热量进入室内，减小时则将更多的太阳直射热量阻挡在室外。SHGC值对节能效果的影响是与建筑物所处的不同气候条件相联系的，在炎热气候条件下，应该减少太阳辐射热量对室内温度的影响，此时需要玻璃具有相对低的SHGC值；在寒冷气候条件下，应充分利用太阳辐射热量来提高室内的温度，此时需要高SHGC值的玻璃。在K值与SHGC值之间，前者主要衡量的是由于温度差而产生的传热过程，后者主要衡量的是由太阳辐射产生的热量传递，实际生活环境中两种影响同时存在，所以在各建筑节能设计标准中，是通过限定K和SHGC的组合条件来使窗户达到规定的节能效果。
    目前，中空玻璃的K值是通过实验室实际测量得出的，SHGC值是对光谱数据计算得出的。因为K值的实际测量受成本限制难以收集各种类型的大量数据，所以本文的分析过程将采用美国劳伦斯伯克利实验室开发的Window5.2软件进行模拟计算。该软件能够计算出各种类型玻璃的K值和SHGC值等相关参数，其计算结果可以近似代替实际测量值。为了保证计算结果的一致性，除特殊说明以外，本文在计算分析中采用NFRC系列标准的环境条件设置数据。
    三、节能指标的影响因素分析
    1、玻璃的厚度：
    中空玻璃的传热系数，与玻璃的热阻（玻璃的热阻为1mK/W）和玻璃厚度的乘积有着直接的联系。当增加玻璃厚度时，必然会增大该片玻璃对热量传递的阻挡能力，从而降低整个中空玻璃系统的传热系数。对具有12 mm空气间隔层的普通中空玻璃进行计算，当两片玻璃都为3mm白玻时，K=2.745W/m²K，都为10mm白玻时，K=2.64 W/m²K，降低了3.8%左右，且K值的变化与玻璃厚度的变化基本为直线关系。从计算结果也可以看出，增加玻璃厚度对降低中空玻璃K值的作用不是很大，8+12+8的组合方式比常用的6+12+6组合K值仅降低0.03 W/m²K，对建筑能耗的影响甚微。由吸热玻璃或镀膜玻璃组成的中空系统，其变化情况与白玻相近，所以在下面的其它因素分析中将以常用的6mm玻璃为主。
    当玻璃厚度增加时，太阳光穿透玻璃进入室内的能量将会随之而减少，从而导致中空玻璃太阳得热系数的降低。如图2所示，在由两片白玻组成中空时，单片玻璃厚度由3mm增加到10mm，SHGC值降低了16%；由绿玻（选用典型参数）+白玻组成中空时，降低了37%左右。不同厂商、不同颜色的吸热玻璃影响程度将会有所不同，但同一类型中，玻璃厚度对SHGC值的影响都会比较大，同时对可见光透过率的影响也很大。所以，建筑上选用吸热玻璃组成的中空玻璃时，应根据建筑物能耗的设计参数，在满足结构要求的前提下，考虑玻璃厚度对室内获得太阳能强度的影响程度。在镀膜玻璃组成中空时，厚度会依基片的种类而产生不同程度的影响，但主要的因素将会是膜层的类型。
    2、玻璃的类型：
    组成中空的玻璃类型有白玻、吸热玻璃、阳光控制镀膜、Low-E玻璃等，以及由这些玻璃所产生的深加工产品。玻璃被热弯、钢化后的光学热工特性会有微小的改变，但不会对中空系统产生明显的变化，所以此处仅分析未进行深加工的玻璃原片。不同类型的玻璃，在单片使用时的节能特性就有很大的差别，当合成中空时，各种形式的组合也会呈现出不同的变化特性。
    吸热玻璃是通过本体着色减小太阳光热量的透过率、增大吸收率，由于室外玻璃表面的空气流动速度会大于室内，所以能更多地带走玻璃本身的热量，从而减少了太阳辐射热进入室内的程度。不同颜色类型、不同深浅程度的吸热玻璃，都会使玻璃的SHGC值和可见光透过率发生很大的改变。但各种颜色系列的吸热玻璃，其辐射率都与普通白玻相同，约为0.84。所以在相同厚度的情况下，组成中空玻璃时传热系数K值是相同的。选取不同厂商的几种有代表性的6mm厚度吸热玻璃，中空组合方式为吸热玻璃+12mm空气+6mm白玻，表1列出了各项节能特性参数。计算结果表明，吸热玻璃仅能控制太阳辐射的热量传递，不能改变由于温度差引起的热量传递。
表1  不同类型吸热玻璃对中空节能特性的影响 

    阳光控制镀膜玻璃是在玻璃表面镀上一层金属或金属化合物膜，膜层不仅使玻璃呈现丰富的色彩，而且更主要的作用就是降低玻璃的太阳得热系数SHGC值，限制太阳热辐射直接进入室内。不同类型的膜层会使玻璃的SHGC值和可见光透过率发生很大的变化，但对远红外热辐射没有明显的反射作用，所以阳光控制镀膜玻璃单片或中空使用时，K值与白玻相近。
    Low-E玻璃是一种对波长范围4.5~25微米的远红外线有很高反射比的镀膜玻璃。在我们周围的环境中，由于温度差引起的热量传递主要集中在远红外波段上，白玻、吸热玻璃、阳光控制镀膜玻璃对远红外热辐射的反射率很小，吸收率很高，吸收的热量将会使玻璃自身的温度提高，这样就导致热量再次向温度低的一侧传递。与之相反，Low-E玻璃可以将温度高的一侧传递过来的80%以上的远红外热辐射反射回去，从而避免了由于自身温度提高产生的二次热传递，所以Low-E玻璃具有很低的传热系数。以耀华生产的在线Low-E玻璃为例，与其它类型玻璃的对比见表2，其中耀华Low-E组合成中空时，传热系数可以达到1.9 W/m²K，比普通的白玻中空K值降低了30%。并且Low-E中空玻璃的SHGC值和可见光透过率可以按照节能的需要在生产时进行调节，严寒地区使用时可以采用可见光高透型的耀华Low-E中空玻璃，在炎热地区可以采用具有遮阳效果的耀华Sun-E中空玻璃。
    表2 不同类型玻璃节能特性的对比 

    3、Low-E玻璃的辐射率：
    Low-E玻璃的传热系数与其膜面的辐射率有着直接的联系。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3.80 W/m²K；辐射率为0.1时，传热系数为3.45 W/m²K。单片玻璃K值的变化必然会引起中空玻璃K值的变化，所以Low-E中空玻璃的传热系数会随着低辐射膜层辐射率的变化而改变。图3所示的数据为白玻与Low-E玻璃采用6+12+6的组合时，中空K值受膜面辐射率变化的情况。可以看出，当辐射率从0.2降低到0.1时，K值仅降低了0.17 W/m²K。这说明与单片Low-E的变化相比，Low-E中空的K值变化受辐射率的影响不是非常显著。
    4、Low-E玻璃镀膜面位置：
    由于Low-E玻璃膜面所具有的独特的低辐射特性，所以在组成中空玻璃时，镀膜面放置位置的不同将使中空玻璃产生不同的光学特性。以耀华Low-E为例，按照与白玻进行6+12+6的组合方式计算，将镀膜面放置在4个不同的位置上时（室外为1#位置，室内为4#位置），中空玻璃节能特性的变化如表3所示。根据结果显示，膜面位置在2#或3#时的中空玻璃K值最小，即保温隔热性能最好。3#位置时的太阳得热系数要大于2#位置，这一区别是在不同气候条件下使用Low-E玻璃时要注意的关键因素。寒冷气候条件下，在对室内保温的同时人们希望更多地获得太阳辐射热量，此时镀膜面应位于3#位置；炎热气候条件下，人们希望进入室内的太阳辐射热量越少越好，此时镀膜面应位于2#位置。
    表3 Low-E玻璃膜面位置对节能的影响 

    如果为了建筑节能或颜色装饰的设计需要，在炎热地区采用吸热玻璃与Low-E玻璃组成中空时，从表3中可以看出，膜面在2#或3#位置时的传热系数都是最小，但3#位置的太阳得热系数比2#位置小得多，此时Low-E膜层应该位于3#位置。
    5、间隔气体的类型
    中空玻璃的导热系数比单片玻璃低1半左右，这主要是气体间隔层的作用。中空玻璃内部充填的气体除空气以外，还有氩气、氪气等惰性气体。由于气体的导热系数很低（空气0.024W/mK；氩气0.016W/mK），因此极大地提高了中空玻璃的热阻性能。6+12+6的白玻中空组合，当充填空气时K值约为2.7 W/m²K，充填90%氩气时K值约为2.55 W/m²K，充填100%氩气时约为2.53 W/m²K，充填100%氪气时K值约为2.47 W/m²K。两种惰性气体相比，氩气在空气中的含量丰富，提取比较容易，使用成本低，所以应用较为广泛。不论填充何种气体，相同厚度情况下，中空玻璃的SHGC值和可见光透过率基本保持不变。
    6、气体间隔层的厚度：
    常用的中空玻璃间隔层厚度为6mm、9mm、12mm等。气体间隔层的厚薄与传热阻的大小有着直接的联系。在玻璃材质、密封构造相同的情况下，气体间隔层越大，传热阻越大。但气体层的厚度达到一定程度后，传热阻的增长率就很小了。因为当气体层厚度增达到一定程度后，气体在玻璃之间温差的作用下就会产生一定的对流过程，从而减低了气体层增厚的作用。如图4所示，气体层从1mm增加到9mm时，白玻中空充填空气时K值下降37%，Low-E中空玻璃充填空气时K值下降53%,充填氩气时下降59%。从9mm增加到13mm时，下降速度都开始变缓。13mm以后，K值反而有轻微的回升。所以，对于6mm厚度玻璃中空组合，超过13mm的气体间隔层厚度再增大不会产生明显的节能效果。
    从图4中我们也可以看出，气体间隔层增加时，Low-E中空玻璃K值的下降速度比普通中空玻璃要快。这种特性使得在组成三玻中空玻璃时，如果必须采用两个气体层不一样厚度的特殊组合时，Low-E部位的间隔层厚度应不小于白玻部位的间隔层厚度。例如，6mm玻璃中空组合时，白玻+6mm+白玻+12mm+Low-E的K值为1.48 W/m²K；白玻+9mm+白玻+9mm+Low-E的K值为1.54W/m²K；白玻+12mm+白玻+6mm+Low-E的K值为1.70W/m²K。
    7、间隔条的类型：
    中空玻璃边部密封材料的性能对中空玻璃的K值有一定影响。通常情况下，大多数间隔使用铝条法，虽然重量轻，加工简单，但其导热系数大，导致中空玻璃的边部热阻降低。在室外气温特别寒冷时，室内的玻璃边部会产生结霜现象。以Swiggle胶条为代表的暖边密封系统具有更优异的隔热性能，大大降低了中空玻璃边部的传热系数，有效地较少了边部结霜现象，同时可以将白玻中空的中央K值降低5%以上，Low-E中空的中央K值降低9%以上。
    表4 各种边部密封材料的导热系数 

    8、中空玻璃的安装角度：
    一般情况下，中空玻璃都是垂直放置使用，但目前中空玻璃的应用范围越来越广泛，如果应用于温室或斜坡屋顶时，其角度将会发生改变。当角度变化时，内部气体的对流状态也会随之而改变，这必将影响气体对热量的传递效果，最终导致中空玻璃的传热系数发生变化。以常用的6+12+6白玻空气填充组合形式为例，图5显示了不同角度的中空玻璃K值变化情况（注：受不同角度范围采用不同的计算公式影响，图中数据仅供分析参考），常用的垂直放置（90°）状态K值为2.70W/m²K，水平放置（0°）时K值为3.26 W/m²K，增加了21%。所以，当中空玻璃被水平放置使用时，必须考虑K值变大对建筑节能效果的影响。但应注意图5中的K值变化趋势是指在室内温度大于室外温度的环境条件下，相反条件时变化并不明显。
    9、室外风速的变化：
    在按照国内外标准测试或计算一块中空玻璃的传热系数时，一般都将室内表面的对流换热设置为自然对流状态，室外表面为风速在3~5m/s左右的强制对流状态。但实际安装到高层建筑上时，玻璃外表面的风速将会随着高度的增加而增大，使玻璃外表面的换热能力加强，中空玻璃的传热系数会略有增大。对比图6中的数据，当风速从测试标准采用的5m/s加大到15m/s时，白玻中空的K值增加了0.16 W/m²K，Low-E中空的K值增加了0.1 W/m²K。对于窗墙比数值较小的高层建筑结构，上述K值的变化对节能效果不会产生大的影响，但对于纯幕墙的高层建筑来说，为了使顶层房间也能保持良好的热环境，就应该考虑高空风速变大对节能效果的影响。
    10、采用不同标准的变化：
    中空玻璃传热系数和SHGC值的测试或模拟计算条件在各个国家的标准中略有不同。美国采用NFRC100和NFRC200，国际ISO标准为ISO15099，欧洲的prEN ISO 10077和prEN 13363标准主要采用了ISO的有关规定，我国的玻璃传热系数测试标准为GB8484，在JGJ113-2003中加入了等效于ISO10292的传热系数计算条件，按照GB/T2680可以测试或计算玻璃的光学热工性能。这些标准在测试或模拟计算的环境条件设置上，主要是在室内外温度差、对流换热系数（或风速）、太阳辐射强度等方面不完全相同。这将对最终的测试或模拟计算结果产生一定的影响，但通过采用不同标准进行模拟计算的对比表明，不同标准对SHGC值的影响甚微，对传热系数K值略有影响。以6+12+6空气填充的Low-E中空玻璃为例，依据不同标准的环境设置，使用Window5.2计算出的K值结果如表5。
表5  不同标准参数设置对K值的影响

四、结束语
    中空玻璃的广泛应用大大促进了建筑节能的发展步伐，同时建筑节能标准要求的逐步提高也必将促使中空玻璃不断实现更加优良的节能特性。通过以上对中空玻璃的原片组合、间隔类型、使用环境的详细数据分析可以得出，影响中空玻璃节能特性的重要因素是玻璃原片的类型和间隔层的厚度及种类。其中，Low-E玻璃以其优异的光学热工特性使中空玻璃的节能效果得到了巨大的飞跃。全世界Low-E玻璃的年均用量已达1.2亿m²，欧洲部分国家正在立法鼓励使用Low-E玻璃，日本和美国的行业协会都采取一定的措施，鼓励加大Low-E玻璃的普及程度。我国建筑行业Low-E中空玻璃的应用也处于迅猛发展的势头，由耀华生产的在线Low-E系列产品和由南玻、耀皮生产的离线Low-E产品已经在实际应用中实现了良好的节能效果。随着可持续发展观念和建筑节能意识的逐步深入，高性能的中空玻璃产品必将得到不断的发展和拥有更加广阔的市场前景。