Low-E玻璃的热工特性及应用

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1、 郑州大学土木工程学院郑州大学土木工程学院 Low-E 玻璃的热工特性及应用 专业： 建筑环境与设备工程 姓 名： 齐东昇学 号： 20090430216完成时间： 2018 年 3 月 7 日 Low-E 玻璃的热工特性及应用玻璃的热工特性及应用【摘 要】本文简略介绍了Low-E玻璃的发展过程与趋势。讨论吸热玻璃、反射玻璃、 low-E玻璃的热工特性，并着重介绍low-E玻璃的基本特点。经对比论述，low-E玻璃具有表 面热发射率低、对太阳光的选择透过性好两大主要优点，从而具有优越的热工性能。对 Low-E玻璃的不同用法进行了节能特性比较分析。分析结果表明，使用方法不同会引起 Low-E玻璃

2、节能性的明显差异。 只有针对不同的应用环境，合理地应用Low-E玻璃，才能 充分体现Low-E玻璃的节能特性。【关键词】Low-E玻璃、辐射的吸收与透过、吸热玻璃、反射玻璃、low-E镀膜、光谱选择 性、遮阳系数、传热系数、节能、Low-E玻璃市场发展前景一、前言玻璃因其透明、长期稳定、耐候、耐用、以及可低成本大批量生产等特点而广泛用于建筑、 交通和信息科技领域。但对许多用途而言，玻璃本身并不完美。对用于建筑外维护的门、窗、 玻璃幕墙，一方面玻璃本身对远红外的低反射特性会导致寒冷地区大量室内热能向外传递 损失而降低建筑的保温性能，另一方面玻璃本身对近红外的高透过性会导致炎热地区大量 的太阳热能

3、进入室内而大幅增加空调致冷能耗。随着能源日趋紧张以及二氧化碳排放物对 地球大气层的破坏，建筑能耗引起了全世界的广泛关注。各国先后纷纷制定建筑节能法规， 采取对策。为改善玻璃性能而兴起的大板玻璃镀膜加工工业在过去四十年得到了飞速发展。 四十年前，用于建筑的镀膜玻璃得不到专业设计人员的考虑，因处于廉价能源时代，没 有市场驱动力， 大板玻璃镀膜工艺和设备也有待开发。1965年以后，大板玻璃镀膜加工因新 工艺和新设备的出现逐步得到了发展。Libby Owens Ford(LOF)建起了第一条大规模真空镀 膜生产线（立式电子束蒸发器）。之前，建筑玻璃的镀膜要么采用需要将玻璃基片加热的气相 沉积法，该法会

4、引起玻璃变形，要么采用化学沉积法，该法生产的膜层均匀性差，耐久性也 不好。LOF创新的电子束蒸镀可大批量半连续化生产大至33.6m的镀膜玻璃。该设备一直运 作至1980年代初， 直到生产成本更低的新工艺出现。1973年，Airco发明了磁控溅射镀膜工 艺。1977年10月, Airco为Guardian公司建造了第一条磁控溅射镀膜线。到1980年代中期，全世 界有超过35家工厂采用美国Airco公司和德国Leybold公司的磁控溅射镀膜线进行大板玻璃 镀膜加工。目前，全世界的磁控溅射镀膜线已经不计其数了。搜寻高透光低辐射膜层的工作 1970年代就开始了。欧洲的Interpane试验了金基膜层。

5、铜基膜层也进行了尝试。虽然是成功 的，但这些膜层都存在一些问题。1982年，Guardian公司率先推出了银基低辐射膜层。1983年， Cardinal公司向北美最大的木窗公司Anderson Windows力推低辐射镀膜玻璃。Anderson公司 的采用推动了Low-E玻璃的生产。之后，Low-E玻璃逐渐成了优级窗的标准配置。1987年， LOF推出了在线Low-E镀膜玻璃产品。在线Low-E膜的辐射率比磁控溅射Low-E膜高，因而节 能性明显较差。 Airco于1987年发布了其创新的双银Low-E镀膜，Cardinal认识到其市场潜力，开始扩充其镀膜线，于1989年推出高性能的双银Low

6、-E玻璃产品Low-E2。最近两三年， Cardinal又推出了性能更高的三银Low-E玻璃产品Low-E3，PPG等公司也推出了类似产品。 现在，欧美国家公共建筑和居住建筑采用Low-E玻璃已很普遍了， 高性能的双银和三银Low-E玻璃更多地用于居住建筑。经过多年的演变，磁控溅射镀膜工艺因其独特的优势在大 板玻璃镀膜加工工业中占据着垄断地位， 用该工艺生产的银基Low-E玻璃品种丰富性能突 出，已成为建筑节能玻璃的主流。经科学设计的多层复合低辐射膜结 构可有效克服建筑玻 璃本身的性能弱点，使其具有优异的隔热保温性能，适用于各种气候地区营造冬暖夏凉、明 亮舒适的室内空间。 在国内，中国南玻集团

7、于1980年代中期介入玻璃镀膜加工产业，先后引进了多条美国 Airco和德国Leybold公司的真空磁控溅射镀膜生产线，在国内率先推出了单银Low-E玻璃、 双银Low-E玻璃、可弯钢化Low-E玻璃等建筑节能玻璃产品，成为国内建筑节能玻璃的龙头 企业。现在，南玻集团的Low-E玻璃不仅已成为国内建筑玻璃的首选，而且得到了国际建筑 市场的广泛认可，产品远销美国、澳大利亚、新西兰、日本、冰岛、菲律宾、新加坡、印度、卡 塔尔、科威特、沙特、阿联酋等地。并根据市场需要和接受程度不断推出新产品系列，满足当 今节能建筑玻璃多样化、个性化、高性能化的需求。 另一方面，从应用Low-E玻璃的角度而言，虽然L

8、ow-E玻璃已出现多年了，随着技术的进 步，Low-E膜层的性能也越来越完善， 但在实际应用中，还是存在Low-E 玻璃应用不合理的 情况， 使Low-E玻璃优异的节能性能得不到充分的体现，有违使用Low-E玻璃的初衷。本文 就Low-E玻璃的热工性能以及几种常见的不同用法进行节能特性分析，以期对充分利用 Low-E玻璃的节能性提供参考。Low-E 玻璃又称低辐射玻璃，是在玻璃表面镀上多层金属或其他化合物组成的膜系产 品。其镀膜层具有对可见光高透过及对中远红外线高反射的特性，使其与普通玻璃及传统的 建筑用镀膜玻璃相比，具有优异个隔热效果和良好的透光性。太阳辐射能量的 97集中在波长为 0.3-

9、2.5um 范围内，这部分能量来自室外；100以下物体的辐射能量集中在 2.5um 以上的长波段，这部分能量主要来自室内。若以室窗为界的话，冬季或在高纬度地区我们希望室外的辐射能量进来，而室内的辐射能量不要外泄。若以辐射的波长为界的话，室内、室外辐射能的分界点就在 2.5um 这个波长处。因此，选择具有一定功能的室窗就成为关键。3mm 厚的普通透明玻璃对太阳辐射能具有 87的透过率，白天来自室外的辐射能量可大部分透过；但夜晚或阴雨天气，来自室内物体热辐射能量的 89被其吸收，使玻璃温度升高，然后再通过向室内、外辐射和对流交换散发其热量，故无法有效地阻挡室内热量泄向室外。Low-E 中空玻璃对

10、0.3-2.5um 的太阳能辐射具有 60以上的透过率，白天来自室外辐射能量可大部分透过，但夜晚和阴雨天气，来自室内物体的热辐射约有 50以上被其反射回室内，仅有少于 15的热辐射被其吸收后通过再辐射和对流交换散失，故可有效地阻止室内的热量泄向室外。Low-E 玻璃的这一特性，使其具有控制热能单向流向室内的作用。太阳光短波透过窗玻璃后，照射到室内的物品上。这些物品被加热后，将以长波的形式再次辐射。这些长波被“Low-E“窗玻璃阻挡，返回到室内。事实上通过窗玻璃再次辐射被减少到 85，极大地改善了窗玻璃绝热性能。窗玻璃的绝热性能一般是用“u“值来表示的，而“u“值和玻璃的辐射率有直接的关系。“u

11、“值的定义为：ASHRAE 标准条件下，由于玻璃热传导和室内外的温差，所形成的空气到空气的传热量。其英制单位为：英热量单位每小时每平方英尺每华氏温度，公制单位为：瓦每平方米每摄氏温度、“u“值越低，通过玻璃的传热量也越低，窗玻璃的绝热性能越好。辐射率是某物体的单位面积辐射的热量同单位面积黑体在相同温度，相同条件下辐射热量之比。辐射率定义是某物体吸收或反射热量的能力。理论上完全黑体对所有波长具有 100的吸收。即反射率为零。因此，黑体辐射率为 1.0。通常，浮法白玻璃的辐射率为 0.84。而大多数在线热聚合“Low-E“镀膜玻璃的辐射率在 0.35 到 0.5 之间。磁控真空溅射“Low-E“镀

12、膜玻璃的辐射率在 0.08 到 0.15 之间。值得注意的是低的辐射率直接对应着低的“u“值。玻璃的辐射率越接近于零，其绝热性能就越好。一个“节能采光系统“的优越性必须体现在尽可能高的太阳总能量的透过，而同时具有最低的“u“值。通过同时考虑能量的获得和热的损失，建立了能量平衡方程式，Ueg=UF-RFg。最好的能量平衡特性的采光系统是真空磁控溅射“Low-E“镀膜中空玻璃。尽管单层玻璃其太阳能的透射为最大，但它的“u“值及“Ueg“值却最差。因此，不能满足好的能量平衡的需求。单纯高的太阳能透射，能有效地保持这些能量，就不能认为它是节能材料。“Low-E“ 镀膜中空玻璃是一种较好的节能采光材料。

13、它具有较高的太阳能透射，非常低的“u“值，并且，由于镀膜的效果，“Low-E“玻璃反射的热量回到室内，使得窗玻璃附近的温度较高，人在窗玻璃附近也不会感到太大的不适。而应用“Low-E“窗玻璃的建筑其室内温度相对较高，因此在冬季可以保持相对高的室内温度，而不结霜，这样在室内的人也会倍感舒适。“Low-E“玻璃也能够阻挡大量的紫外线透射，防止室内的物品退色。二、玻璃热工性能的衡量指标二、玻璃热工性能的衡量指标人们对玻璃热功能的要求体现在两个方面：一是玻璃对太阳辐射的控制能力，即根据 室内需求减小（或增大）通过窗户进入房间的太阳辐射;二是玻璃的保温性能，即在室内温 差下，维持室内热舒适性的能力。在满

14、足热功能的同时，必须兼顾采光，所以把有关采光 方面的若干性能也在这里一并讨论。人们对采光方面的要求是：尽可能多地争取天然采光， 增大室内照度，同时避免出现眩光。 本文用如下性能指标来对玻璃系统进行具体评价。 1、关于辐射控制（1）太阳辐射透过度sol太阳辐射投射率指直接穿过玻璃系统进入室内的太阳辐射能与所投射辐射能之间的比 率。（2）太阳辐射得热系数g 太阳辐射得热率也称为太阳辐射得热率，指投射在玻璃系统上的太阳辐射通过玻璃系 统进入室内的比率，其中包括直接透射能量与玻璃系统吸收后再向室内散发的能量。（3）遮阳系数cS遮阳系数用以表征在使用镀膜或采用遮阳措施后，相对 3mm 普通白玻璃，窗户太

15、阳 辐射得热率的减弱程度，其数值等于所考虑对象与白玻璃太阳得热系数的比值，一般取白 玻璃的太阳得热率为 0.87。 2、关于采光（1）可见光透过率visT可见光透过率反应玻璃在可见光范围内（波长 0.380.78）太阳辐射的透射情况。m（2）透过光线冷暖指数xD光线冷暖指数用以描述透过玻璃太阳光给人造成的热感受，其计算式为：visc xSD的数值越小，说明透射辐射中可见光占得比例越大，近红外部分越小，阳光给人的xD感觉就越凉快。图 1 标出了几种双层玻璃系统在垂直入射情况下透射太阳辐射的冷暖指数值。由图可见，6mm 浮法白玻的数值为 1.0；如果玻璃系统只容许可见光透过，将达到xD冷暖指数的最

16、小值 0.36。显然，这是夏季采光追求的理想状态。 3、关于绝热与保温（1）表面发射率 玻璃的表面热发射率决定了其发射散热能力的强弱，越小，表面发射热的能力越小。（2）热阻R玻璃系统的热阻指玻璃系统阻止因两侧温差所引起热量流动的能力，包括玻璃系统本 身的热阻及玻璃系统内外侧表面换热阻。（3）传热系数K 传热系数是热阻的倒数，在欧美称为值。U三、吸热玻璃与反射玻璃三、吸热玻璃与反射玻璃利用玻璃来控制进入玻璃建筑物的太阳辐射，减小房间的热辐射损耗，调节传入或传 出建筑物的能量，以达到降低能耗，获得舒适的室内热环境，是多年来人们致力研究并付 诸实践的实用技术领域。 根据季节或地域的不同，人们对太阳辐射的控制要求也不同。在冬季或寒冷气候里，人们的要求是：在 0.32.5波段范围内使太阳辐射能 100%通过，即=1.0；对于波长msol大于 2.5的红外线辐射全部反射。夏季的要求则是：在可见光范围内（0.380.78）mm具有较高或适中的透过率（约为 50%60%） ；在其他波长范围具有较高的反射率，以vis大幅度消减进入室内的太阳