寒冷地區Low-E節能玻璃檢測與應用技術研究
來源：建筑玻璃與工業玻璃
所屬類型：業界動態
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日期：2023-05-09 00:00:00
綠色建筑是節能、節地、節水、節材，保護環境和減少污染，為人們提供健康、適用和合理的使用空間，與自然和諧共生的建筑。它的“綠色”是全生命周期的，這也是綠色建筑的魅力所在。超低能耗綠色建筑，也被稱為“被動房"建筑，其技術和建造方式來自德國。它是廣大人民向往的建筑，不但節能率高達90%以上，而且具有高的舒適度。在寒冷地區，綠色建筑和超低能耗綠色建筑中外窗的窗墻面積比一-般為0.3~0.5，外窗傳熱系數為2.2~1.0W/(m2.K)，影響外窗傳熱系數的因素有外窗的玻璃、框材及間隔條等。這里重點論述Low-E節能玻璃傳熱系數的檢測與應用技術。
1玻璃傳熱系數的概念
在穩態條件下，玻璃兩側環境溫度差為1K(C)時，在單位時間內通過單位面積玻璃的熱量，單位是，W/(m2.K)。傳熱系數是衡量玻璃節能性的主要參數之一傳熱系數用K或U表示，中國標準體系采用K表示，歐美國家標準體系多采用U表示，K與U的差別不在于表示的符號，而在于測試傳熱系數時所規定的邊界條件不同，因此同一片玻璃的K和U的數值是有差別的。K或U值也用于表征Low-E節能玻璃的保溫隔熱性能，傳熱系數越小，室內傳遞至室外的熱量越少，說明玻璃越節能，降低玻璃的傳熱系數，可有效降低建筑能耗。
2玻璃傳熱系數檢測方法及特點
傳熱系數從檢測原理上有兩種檢測方法：光譜測量計算法和熱箱法。光譜測量計算法是通過光譜儀測量單片玻璃的太陽能透射光譜、玻璃兩個表面的太陽能反射光譜、玻璃的表面輻射率等基礎數據，再根據玻璃的組合結構由專業的玻璃熱工計算軟件計算出其傳熱系數。這種方法的優點：測試樣片的尺寸小(100mmx100mm)，只需測試單片玻璃，可計算出不同玻璃組合結構的參數。目前國際上普遍采用此法。熱箱法由熱室與冷室組成，被測玻璃置于兩室之間，設定諸參數后測量計算出熱流量，再計算出玻璃傳熱系數。這種方法的優點在于：測試結果是整個試件的參數，測試模擬真實環境。其缺點是測試樣片尺寸大、測試時間長。光譜測量計算法，適用于玻璃生產企業研發新產品，待產品基本定型后采用熱箱法對比檢測;對于建筑工程而言，節能外窗種類不宜多，1~2種玻璃類型為好，這時采用熱箱法檢測玻璃的傳熱系數顯有優勢，直觀、獲得數據快捷。本文主要介紹實驗室熱箱法檢測Low~E節能玻璃傳熱系數的檢測方法。
3標定熱箱法檢測Low-E節能玻璃傳熱系數
3.1檢測原理
基于穩態傳熱原理，采用標定熱箱法檢測建筑外門窗傳熱系數。試件一-側為熱箱，模擬供暖建筑冬季室內氣溫條件;另--側為冷箱，模擬冬季室外氣溫和氣流速度。在對試件縫隙進行密封處理，試件兩側各自保持穩定的空氣溫度、氣流速度和熱輻射條件下，測量熱箱中加熱裝置單位時間內的發熱量，減去通過熱箱壁、試件框、填充板、試件和填充板邊緣的熱損失，除以試件面積與兩側空氣溫差的乘積，即可得到試件的傳熱系數K值。
3.2檢測裝置
檢測裝置主要由熱箱、冷箱、試件框、填充板和環境空間五部分組成，如圖1所示。
3.3試件要求
試件的具體要求為：
(1)試件宜為800mmx1270mm的玻璃板塊。(2)試件構造應符合產品設計和制作要求，不應附加任何多余配件或采取特殊組裝工藝。(3)試件應完好：無裂紋，無缺角，無明顯變形，周邊密封無破損等現象。
3.4試件安裝
(1)安裝試件的洞口尺寸不應小于820mmx1270mmm。當洞口尺寸大于820mmx1270mm時，其余部分應采用熱導值已知的填充板填堵。(2)試件與填充板間的縫隙可用聚苯乙烯泡沫塑料條填塞，縫隙較小不易填塞時可用聚氨酯發泡填充，并用透明膠帶將接縫處雙面密封。(3)熱箱及冷箱兩側分別安裝可調節支架，支架上共設置三個可調支撐觸點，如圖2所示。支撐觸點應采用低導熱系數材料制作且應可拆卸，觸點與玻璃試件的接觸面應平整。
3.5檢測步驟
(1)啟動檢測裝置，設定冷、熱箱和環境空間空氣溫度手(2)當冷、熱箱和環境空間空氣溫度達到設定值，且測得的熱箱和冷箱的空氣平均溫度每小時變化的絕對值分別不大于0.1K和0.3K,熱箱內外表面面積加權平均溫度差值和試件框冷熱側表面面積加權平均溫度差值每小時變化的絕對值分別不大于0.1K和0.3K，且不是單向變化時，傳熱過程已達到穩定狀態;熱箱內外表面、試件框冷熱側表面面積加權平均溫度計算詳見GB/T8484。(3)傳熱過程達到穩定狀態后，每隔30min測量一次參數，共測六次。(4)測量結束后記錄試件熱側表面結露或結霜狀況。
3.6數據處理
試件的傳熱系數計算步驟如下：(1)各參數取六次測量的平均值。(2)試件傳熱系數K值按式(1)計算，式中各參數的含義詳見GB/T8484;(3)試件傳熱系數K值取兩位有效數字。
4影響Low-E中空玻璃傳熱系數K值的因素
Low-E玻璃--般被制成中空玻璃、真空玻璃等結構使用，稱之為Low-E節能玻璃。建筑上常用Low-E中空玻璃外窗，Low-E中空玻璃由兩片或多片玻璃，玻璃之間由灌裝干燥劑的間隔條支撐邊部，端部注密封膠黏結構成。《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》(JGJ/T151)或《建筑玻璃應用技術規程》(JGJ113)給出了中空玻璃傳熱系數的計算公式，根據傳熱系數K值計算公式中涉及的變量可以確定影響K值因素有氣體間隔層(氣體腔)數、各氣體層的厚度、各氣體腔內氣體的熱阻、各片玻璃內表面的輻射率、各片玻璃厚度之和。其中玻璃厚度的影響微弱，研究其他4個因素對K值的影響趨勢和程度可為制造更節能的中空玻璃指明方向。
4.1Low-E中空玻璃空氣層厚度的影響
以常用的單腔Low-E中空玻璃為例，通過檢測空氣層不同厚度時Low-E中空玻璃的K值，可以得出K隨空氣層厚度變化的關系曲線，如圖3所示。由圖可見，空氣層為6mm時K最高，為9mm時K降低了約0.4W/(m2.K)，為12mm時K達到最低值，因此12mm應是佳的空氣層厚度。當空氣層厚度再增加時K反而逐漸升高了，檢測結果顯示空氣層并不是越厚越好，而是有一個最佳厚度12mm。
4.2Low-E中空玻璃充惰性氣體的影響
中空玻璃充惰性氣體的目的是降低傳熱系數K并提高隔聲性能，為此需選擇分子量大、熱阻值高于空氣、自然界含量豐富且易于制備的惰性氣體，氬氣無疑是好的選擇。為了對比方便，仍采用與上一問題中相同的Low-E中空玻璃，充85%的氬氣后檢測得出K值，如圖4所示。對比圖3與圖4可以得出兩個結論：首先充氬氣后無論氣體層厚度如何，K都降低了，氣體層薄(12mm以下)降低的幅度大[約0.3W/(m2.K)],氣體層厚(12mm以。上)降低的幅度小[約0.2W/m^.K)],這說明惰性氣體限制分子碰撞換熱非常有效;其次充，氬氣后K隨厚度變化的趨勢與空氣相同，即氣體層厚度值也落在12mm。
4.3Low-E玻璃輻射率的影響
通過鍍Low-E膜降低玻璃表面輻射率，從而大幅度降低中空玻璃的K值，是提升中空玻璃節能性能有效的技術手段，目前尚無新的技術可以替代它。進一步降低Low-E膜的輻射率肯定會降低中空玻璃的K,但降低的幅度有限，圖5是6Low-E+12A+6結構的Low-E中空玻璃，K隨Low-E玻璃輻射率變化的關系曲線。
從圖中可以看出即便輻射率降至0.01的超低水平，K也不過從1.8W/(m2.K)降至1.6W/(m2.K)左右，與充氬氣獲得的效果相當，但制造難度和成本卻非常大，因此不值得專門為此花費代價。
4.4Low-E中空玻璃多腔的影響
由4.1可知，單腔中空玻璃的氣體層厚度超過12mm后，因氣體定向環流傳熱量增多而導致K值升高，如果插入一片玻璃分割氣體層，就會限制氣體環流傳熱，疊加后氣體層的總厚度可以很大，既能增大氣體總熱阻又降低環流傳熱量，這就是多腔中空玻璃的優勢。
5整窗傳熱系數K
整窗傳熱系數K既與玻璃的K有關，也與窗框的K有關，計算公式如(2)所示。
其中： K玻-玻璃的傳熱系數; S玻一玻璃透明 部分的面積(m2) ; K框一窗框的傳熱系數; S框一窗框投影面積(m2)
常用玻璃與窗框配合后整窗傳熱系數K值如表1所示。
6結語
Low-E節能玻璃是--種具有很好節能效果的加工玻璃產品，使用Low-E節能玻璃做成的外窗，不僅可以很好地提高居住舒適度，而且有助于實現碳達峰、碳中和的大目標。通過對Low~E節能玻璃傳熱系數的檢測，找出影響Low-E中空玻璃傳熱系數K值的因素，生產企業可以根據這些因素擇優制作Low-E節能玻璃，還可以依據常用玻璃與窗框配合后整窗傳熱系數K值，適配窗框與Low-E節能玻璃，制成滿足建筑節能標準要求的外窗。寒冷地區節能65%、75%的綠色建筑外窗采用6Low-E+12A+6斷橋鋁框或四腔塑鋼框為宜，經濟適用;超低能耗綠色建筑外窗采用6雙銀大12Ar+6雙銀+12Ar+6無銀四腔塑鋼框或木塑復合框，滿足外窗低傳熱量要求。
1玻璃傳熱系數的概念
在穩態條件下，玻璃兩側環境溫度差為1K(C)時，在單位時間內通過單位面積玻璃的熱量，單位是，W/(m2.K)。傳熱系數是衡量玻璃節能性的主要參數之一傳熱系數用K或U表示，中國標準體系采用K表示，歐美國家標準體系多采用U表示，K與U的差別不在于表示的符號，而在于測試傳熱系數時所規定的邊界條件不同，因此同一片玻璃的K和U的數值是有差別的。K或U值也用于表征Low-E節能玻璃的保溫隔熱性能，傳熱系數越小，室內傳遞至室外的熱量越少，說明玻璃越節能，降低玻璃的傳熱系數，可有效降低建筑能耗。
2玻璃傳熱系數檢測方法及特點
傳熱系數從檢測原理上有兩種檢測方法：光譜測量計算法和熱箱法。光譜測量計算法是通過光譜儀測量單片玻璃的太陽能透射光譜、玻璃兩個表面的太陽能反射光譜、玻璃的表面輻射率等基礎數據，再根據玻璃的組合結構由專業的玻璃熱工計算軟件計算出其傳熱系數。這種方法的優點：測試樣片的尺寸小(100mmx100mm)，只需測試單片玻璃，可計算出不同玻璃組合結構的參數。目前國際上普遍采用此法。熱箱法由熱室與冷室組成，被測玻璃置于兩室之間，設定諸參數后測量計算出熱流量，再計算出玻璃傳熱系數。這種方法的優點在于：測試結果是整個試件的參數，測試模擬真實環境。其缺點是測試樣片尺寸大、測試時間長。光譜測量計算法，適用于玻璃生產企業研發新產品，待產品基本定型后采用熱箱法對比檢測;對于建筑工程而言，節能外窗種類不宜多，1~2種玻璃類型為好，這時采用熱箱法檢測玻璃的傳熱系數顯有優勢，直觀、獲得數據快捷。本文主要介紹實驗室熱箱法檢測Low~E節能玻璃傳熱系數的檢測方法。
3標定熱箱法檢測Low-E節能玻璃傳熱系數
3.1檢測原理
基于穩態傳熱原理，采用標定熱箱法檢測建筑外門窗傳熱系數。試件一-側為熱箱，模擬供暖建筑冬季室內氣溫條件;另--側為冷箱，模擬冬季室外氣溫和氣流速度。在對試件縫隙進行密封處理，試件兩側各自保持穩定的空氣溫度、氣流速度和熱輻射條件下，測量熱箱中加熱裝置單位時間內的發熱量，減去通過熱箱壁、試件框、填充板、試件和填充板邊緣的熱損失，除以試件面積與兩側空氣溫差的乘積，即可得到試件的傳熱系數K值。
3.2檢測裝置
檢測裝置主要由熱箱、冷箱、試件框、填充板和環境空間五部分組成，如圖1所示。
3.3試件要求
試件的具體要求為：
(1)試件宜為800mmx1270mm的玻璃板塊。(2)試件構造應符合產品設計和制作要求，不應附加任何多余配件或采取特殊組裝工藝。(3)試件應完好：無裂紋，無缺角，無明顯變形，周邊密封無破損等現象。
3.4試件安裝
(1)安裝試件的洞口尺寸不應小于820mmx1270mmm。當洞口尺寸大于820mmx1270mm時，其余部分應采用熱導值已知的填充板填堵。(2)試件與填充板間的縫隙可用聚苯乙烯泡沫塑料條填塞，縫隙較小不易填塞時可用聚氨酯發泡填充，并用透明膠帶將接縫處雙面密封。(3)熱箱及冷箱兩側分別安裝可調節支架，支架上共設置三個可調支撐觸點，如圖2所示。支撐觸點應采用低導熱系數材料制作且應可拆卸，觸點與玻璃試件的接觸面應平整。
3.5檢測步驟
(1)啟動檢測裝置，設定冷、熱箱和環境空間空氣溫度手(2)當冷、熱箱和環境空間空氣溫度達到設定值，且測得的熱箱和冷箱的空氣平均溫度每小時變化的絕對值分別不大于0.1K和0.3K,熱箱內外表面面積加權平均溫度差值和試件框冷熱側表面面積加權平均溫度差值每小時變化的絕對值分別不大于0.1K和0.3K，且不是單向變化時，傳熱過程已達到穩定狀態;熱箱內外表面、試件框冷熱側表面面積加權平均溫度計算詳見GB/T8484。(3)傳熱過程達到穩定狀態后，每隔30min測量一次參數，共測六次。(4)測量結束后記錄試件熱側表面結露或結霜狀況。
3.6數據處理
試件的傳熱系數計算步驟如下：(1)各參數取六次測量的平均值。(2)試件傳熱系數K值按式(1)計算，式中各參數的含義詳見GB/T8484;(3)試件傳熱系數K值取兩位有效數字。
4影響Low-E中空玻璃傳熱系數K值的因素
Low-E玻璃--般被制成中空玻璃、真空玻璃等結構使用，稱之為Low-E節能玻璃。建筑上常用Low-E中空玻璃外窗，Low-E中空玻璃由兩片或多片玻璃，玻璃之間由灌裝干燥劑的間隔條支撐邊部，端部注密封膠黏結構成。《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》(JGJ/T151)或《建筑玻璃應用技術規程》(JGJ113)給出了中空玻璃傳熱系數的計算公式，根據傳熱系數K值計算公式中涉及的變量可以確定影響K值因素有氣體間隔層(氣體腔)數、各氣體層的厚度、各氣體腔內氣體的熱阻、各片玻璃內表面的輻射率、各片玻璃厚度之和。其中玻璃厚度的影響微弱，研究其他4個因素對K值的影響趨勢和程度可為制造更節能的中空玻璃指明方向。
4.1Low-E中空玻璃空氣層厚度的影響
以常用的單腔Low-E中空玻璃為例，通過檢測空氣層不同厚度時Low-E中空玻璃的K值，可以得出K隨空氣層厚度變化的關系曲線，如圖3所示。由圖可見，空氣層為6mm時K最高，為9mm時K降低了約0.4W/(m2.K)，為12mm時K達到最低值，因此12mm應是佳的空氣層厚度。當空氣層厚度再增加時K反而逐漸升高了，檢測結果顯示空氣層并不是越厚越好，而是有一個最佳厚度12mm。
4.2Low-E中空玻璃充惰性氣體的影響
中空玻璃充惰性氣體的目的是降低傳熱系數K并提高隔聲性能，為此需選擇分子量大、熱阻值高于空氣、自然界含量豐富且易于制備的惰性氣體，氬氣無疑是好的選擇。為了對比方便，仍采用與上一問題中相同的Low-E中空玻璃，充85%的氬氣后檢測得出K值，如圖4所示。對比圖3與圖4可以得出兩個結論：首先充氬氣后無論氣體層厚度如何，K都降低了，氣體層薄(12mm以下)降低的幅度大[約0.3W/(m2.K)],氣體層厚(12mm以。上)降低的幅度小[約0.2W/m^.K)],這說明惰性氣體限制分子碰撞換熱非常有效;其次充，氬氣后K隨厚度變化的趨勢與空氣相同，即氣體層厚度值也落在12mm。
4.3Low-E玻璃輻射率的影響
通過鍍Low-E膜降低玻璃表面輻射率，從而大幅度降低中空玻璃的K值，是提升中空玻璃節能性能有效的技術手段，目前尚無新的技術可以替代它。進一步降低Low-E膜的輻射率肯定會降低中空玻璃的K,但降低的幅度有限，圖5是6Low-E+12A+6結構的Low-E中空玻璃，K隨Low-E玻璃輻射率變化的關系曲線。
從圖中可以看出即便輻射率降至0.01的超低水平，K也不過從1.8W/(m2.K)降至1.6W/(m2.K)左右，與充氬氣獲得的效果相當，但制造難度和成本卻非常大，因此不值得專門為此花費代價。
4.4Low-E中空玻璃多腔的影響
由4.1可知，單腔中空玻璃的氣體層厚度超過12mm后，因氣體定向環流傳熱量增多而導致K值升高，如果插入一片玻璃分割氣體層，就會限制氣體環流傳熱，疊加后氣體層的總厚度可以很大，既能增大氣體總熱阻又降低環流傳熱量，這就是多腔中空玻璃的優勢。
5整窗傳熱系數K
整窗傳熱系數K既與玻璃的K有關，也與窗框的K有關，計算公式如(2)所示。
其中： K玻-玻璃的傳熱系數; S玻一玻璃透明 部分的面積(m2) ; K框一窗框的傳熱系數; S框一窗框投影面積(m2)
常用玻璃與窗框配合后整窗傳熱系數K值如表1所示。
6結語
Low-E節能玻璃是--種具有很好節能效果的加工玻璃產品，使用Low-E節能玻璃做成的外窗，不僅可以很好地提高居住舒適度，而且有助于實現碳達峰、碳中和的大目標。通過對Low~E節能玻璃傳熱系數的檢測，找出影響Low-E中空玻璃傳熱系數K值的因素，生產企業可以根據這些因素擇優制作Low-E節能玻璃，還可以依據常用玻璃與窗框配合后整窗傳熱系數K值，適配窗框與Low-E節能玻璃，制成滿足建筑節能標準要求的外窗。寒冷地區節能65%、75%的綠色建筑外窗采用6Low-E+12A+6斷橋鋁框或四腔塑鋼框為宜，經濟適用;超低能耗綠色建筑外窗采用6雙銀大12Ar+6雙銀+12Ar+6無銀四腔塑鋼框或木塑復合框，滿足外窗低傳熱量要求。
