寒冷地区Low-E节能玻璃检测与应用技术研究
来源：建筑玻璃与工业玻璃
所属类型：业界动态
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日期：2023-05-09 00:00:00
绿色建筑是节能、节地、节水、节材，保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和合理的使用空间，与自然和谐共生的建筑。它的“绿色”是全生命周期的，这也是绿色建筑的魅力所在。超低能耗绿色建筑，也被称为“被动房"建筑，其技术和建造方式来自德国。它是广大人民向往的建筑，不但节能率高达90%以上，而且具有高的舒适度。在寒冷地区，绿色建筑和超低能耗绿色建筑中外窗的窗墙面积比一-般为0.3~0.5，外窗传热系数为2.2~1.0W/(m2.K)，影响外窗传热系数的因素有外窗的玻璃、框材及间隔条等。这里重点论述Low-E节能玻璃传热系数的检测与应用技术。
1玻璃传热系数的概念
在稳态条件下，玻璃两侧环境温度差为1K(C)时，在单位时间内通过单位面积玻璃的热量，单位是，W/(m2.K)。传热系数是衡量玻璃节能性的主要参数之一传热系数用K或U表示，中国标准体系采用K表示，欧美国家标准体系多采用U表示，K与U的差别不在于表示的符号，而在于测试传热系数时所规定的边界条件不同，因此同一片玻璃的K和U的数值是有差别的。K或U值也用于表征Low-E节能玻璃的保温隔热性能，传热系数越小，室内传递至室外的热量越少，说明玻璃越节能，降低玻璃的传热系数，可有效降低建筑能耗。
2玻璃传热系数检测方法及特点
传热系数从检测原理上有两种检测方法：光谱测量计算法和热箱法。光谱测量计算法是通过光谱仪测量单片玻璃的太阳能透射光谱、玻璃两个表面的太阳能反射光谱、玻璃的表面辐射率等基础数据，再根据玻璃的组合结构由专业的玻璃热工计算软件计算出其传热系数。这种方法的优点：测试样片的尺寸小(100mmx100mm)，只需测试单片玻璃，可计算出不同玻璃组合结构的参数。目前国际上普遍采用此法。热箱法由热室与冷室组成，被测玻璃置于两室之间，设定诸参数后测量计算出热流量，再计算出玻璃传热系数。这种方法的优点在于：测试结果是整个试件的参数，测试模拟真实环境。其缺点是测试样片尺寸大、测试时间长。光谱测量计算法，适用于玻璃生产企业研发新产品，待产品基本定型后采用热箱法对比检测;对于建筑工程而言，节能外窗种类不宜多，1~2种玻璃类型为好，这时采用热箱法检测玻璃的传热系数显有优势，直观、获得数据快捷。本文主要介绍实验室热箱法检测Low~E节能玻璃传热系数的检测方法。
3标定热箱法检测Low-E节能玻璃传热系数
3.1检测原理
基于稳态传热原理，采用标定热箱法检测建筑外门窗传热系数。试件一-侧为热箱，模拟供暖建筑冬季室内气温条件;另--侧为冷箱，模拟冬季室外气温和气流速度。在对试件缝隙进行密封处理，试件两侧各自保持稳定的空气温度、气流速度和热辐射条件下，测量热箱中加热装置单位时间内的发热量，减去通过热箱壁、试件框、填充板、试件和填充板边缘的热损失，除以试件面积与两侧空气温差的乘积，即可得到试件的传热系数K值。
3.2检测装置
检测装置主要由热箱、冷箱、试件框、填充板和环境空间五部分组成，如图1所示。
3.3试件要求
试件的具体要求为：
(1)试件宜为800mmx1270mm的玻璃板块。(2)试件构造应符合产品设计和制作要求，不应附加任何多余配件或采取特殊组装工艺。(3)试件应完好：无裂纹，无缺角，无明显变形，周边密封无破损等现象。
3.4试件安装
(1)安装试件的洞口尺寸不应小于820mmx1270mmm。当洞口尺寸大于820mmx1270mm时，其余部分应采用热导值已知的填充板填堵。(2)试件与填充板间的缝隙可用聚苯乙烯泡沫塑料条填塞，缝隙较小不易填塞时可用聚氨酯发泡填充，并用透明胶带将接缝处双面密封。(3)热箱及冷箱两侧分别安装可调节支架，支架上共设置三个可调支撑触点，如图2所示。支撑触点应采用低导热系数材料制作且应可拆卸，触点与玻璃试件的接触面应平整。
3.5检测步骤
(1)启动检测装置，设定冷、热箱和环境空间空气温度手(2)当冷、热箱和环境空间空气温度达到设定值，且测得的热箱和冷箱的空气平均温度每小时变化的绝对值分别不大于0.1K和0.3K,热箱内外表面面积加权平均温度差值和试件框冷热侧表面面积加权平均温度差值每小时变化的绝对值分别不大于0.1K和0.3K，且不是单向变化时，传热过程已达到稳定状态;热箱内外表面、试件框冷热侧表面面积加权平均温度计算详见GB/T8484。(3)传热过程达到稳定状态后，每隔30min测量一次参数，共测六次。(4)测量结束后记录试件热侧表面结露或结霜状况。
3.6数据处理
试件的传热系数计算步骤如下：(1)各参数取六次测量的平均值。(2)试件传热系数K值按式(1)计算，式中各参数的含义详见GB/T8484;(3)试件传热系数K值取两位有效数字。
4影响Low-E中空玻璃传热系数K值的因素
Low-E玻璃--般被制成中空玻璃、真空玻璃等结构使用，称之为Low-E节能玻璃。建筑上常用Low-E中空玻璃外窗，Low-E中空玻璃由两片或多片玻璃，玻璃之间由灌装干燥剂的间隔条支撑边部，端部注密封胶黏结构成。《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》(JGJ/T151)或《建筑玻璃应用技术规程》(JGJ113)给出了中空玻璃传热系数的计算公式，根据传热系数K值计算公式中涉及的变量可以确定影响K值因素有气体间隔层(气体腔)数、各气体层的厚度、各气体腔内气体的热阻、各片玻璃内表面的辐射率、各片玻璃厚度之和。其中玻璃厚度的影响微弱，研究其他4个因素对K值的影响趋势和程度可为制造更节能的中空玻璃指明方向。
4.1Low-E中空玻璃空气层厚度的影响
以常用的单腔Low-E中空玻璃为例，通过检测空气层不同厚度时Low-E中空玻璃的K值，可以得出K随空气层厚度变化的关系曲线，如图3所示。由图可见，空气层为6mm时K最高，为9mm时K降低了约0.4W/(m2.K)，为12mm时K达到最低值，因此12mm应是佳的空气层厚度。当空气层厚度再增加时K反而逐渐升高了，检测结果显示空气层并不是越厚越好，而是有一个最佳厚度12mm。
4.2Low-E中空玻璃充惰性气体的影响
中空玻璃充惰性气体的目的是降低传热系数K并提高隔声性能，为此需选择分子量大、热阻值高于空气、自然界含量丰富且易于制备的惰性气体，氩气无疑是好的选择。为了对比方便，仍采用与上一问题中相同的Low-E中空玻璃，充85%的氩气后检测得出K值，如图4所示。对比图3与图4可以得出两个结论：首先充氩气后无论气体层厚度如何，K都降低了，气体层薄(12mm以下)降低的幅度大[约0.3W/(m2.K)],气体层厚(12mm以。上)降低的幅度小[约0.2W/m^.K)],这说明惰性气体限制分子碰撞换热非常有效;其次充，氩气后K随厚度变化的趋势与空气相同，即气体层厚度值也落在12mm。
4.3Low-E玻璃辐射率的影响
通过镀Low-E膜降低玻璃表面辐射率，从而大幅度降低中空玻璃的K值，是提升中空玻璃节能性能有效的技术手段，目前尚无新的技术可以替代它。进一步降低Low-E膜的辐射率肯定会降低中空玻璃的K,但降低的幅度有限，图5是6Low-E+12A+6结构的Low-E中空玻璃，K随Low-E玻璃辐射率变化的关系曲线。
从图中可以看出即便辐射率降至0.01的超低水平，K也不过从1.8W/(m2.K)降至1.6W/(m2.K)左右，与充氩气获得的效果相当，但制造难度和成本却非常大，因此不值得专门为此花费代价。
4.4Low-E中空玻璃多腔的影响
由4.1可知，单腔中空玻璃的气体层厚度超过12mm后，因气体定向环流传热量增多而导致K值升高，如果插入一片玻璃分割气体层，就会限制气体环流传热，叠加后气体层的总厚度可以很大，既能增大气体总热阻又降低环流传热量，这就是多腔中空玻璃的优势。
5整窗传热系数K
整窗传热系数K既与玻璃的K有关，也与窗框的K有关，计算公式如(2)所示。
其中： K玻-玻璃的传热系数; S玻一玻璃透明 部分的面积(m2) ; K框一窗框的传热系数; S框一窗框投影面积(m2)
常用玻璃与窗框配合后整窗传热系数K值如表1所示。
6结语
Low-E节能玻璃是--种具有很好节能效果的加工玻璃产品，使用Low-E节能玻璃做成的外窗，不仅可以很好地提高居住舒适度，而且有助于实现碳达峰、碳中和的大目标。通过对Low~E节能玻璃传热系数的检测，找出影响Low-E中空玻璃传热系数K值的因素，生产企业可以根据这些因素择优制作Low-E节能玻璃，还可以依据常用玻璃与窗框配合后整窗传热系数K值，适配窗框与Low-E节能玻璃，制成满足建筑节能标准要求的外窗。寒冷地区节能65%、75%的绿色建筑外窗采用6Low-E+12A+6断桥铝框或四腔塑钢框为宜，经济适用;超低能耗绿色建筑外窗采用6双银大12Ar+6双银+12Ar+6无银四腔塑钢框或木塑复合框，满足外窗低传热量要求。
1玻璃传热系数的概念
在稳态条件下，玻璃两侧环境温度差为1K(C)时，在单位时间内通过单位面积玻璃的热量，单位是，W/(m2.K)。传热系数是衡量玻璃节能性的主要参数之一传热系数用K或U表示，中国标准体系采用K表示，欧美国家标准体系多采用U表示，K与U的差别不在于表示的符号，而在于测试传热系数时所规定的边界条件不同，因此同一片玻璃的K和U的数值是有差别的。K或U值也用于表征Low-E节能玻璃的保温隔热性能，传热系数越小，室内传递至室外的热量越少，说明玻璃越节能，降低玻璃的传热系数，可有效降低建筑能耗。
2玻璃传热系数检测方法及特点
传热系数从检测原理上有两种检测方法：光谱测量计算法和热箱法。光谱测量计算法是通过光谱仪测量单片玻璃的太阳能透射光谱、玻璃两个表面的太阳能反射光谱、玻璃的表面辐射率等基础数据，再根据玻璃的组合结构由专业的玻璃热工计算软件计算出其传热系数。这种方法的优点：测试样片的尺寸小(100mmx100mm)，只需测试单片玻璃，可计算出不同玻璃组合结构的参数。目前国际上普遍采用此法。热箱法由热室与冷室组成，被测玻璃置于两室之间，设定诸参数后测量计算出热流量，再计算出玻璃传热系数。这种方法的优点在于：测试结果是整个试件的参数，测试模拟真实环境。其缺点是测试样片尺寸大、测试时间长。光谱测量计算法，适用于玻璃生产企业研发新产品，待产品基本定型后采用热箱法对比检测;对于建筑工程而言，节能外窗种类不宜多，1~2种玻璃类型为好，这时采用热箱法检测玻璃的传热系数显有优势，直观、获得数据快捷。本文主要介绍实验室热箱法检测Low~E节能玻璃传热系数的检测方法。
3标定热箱法检测Low-E节能玻璃传热系数
3.1检测原理
基于稳态传热原理，采用标定热箱法检测建筑外门窗传热系数。试件一-侧为热箱，模拟供暖建筑冬季室内气温条件;另--侧为冷箱，模拟冬季室外气温和气流速度。在对试件缝隙进行密封处理，试件两侧各自保持稳定的空气温度、气流速度和热辐射条件下，测量热箱中加热装置单位时间内的发热量，减去通过热箱壁、试件框、填充板、试件和填充板边缘的热损失，除以试件面积与两侧空气温差的乘积，即可得到试件的传热系数K值。
3.2检测装置
检测装置主要由热箱、冷箱、试件框、填充板和环境空间五部分组成，如图1所示。
3.3试件要求
试件的具体要求为：
(1)试件宜为800mmx1270mm的玻璃板块。(2)试件构造应符合产品设计和制作要求，不应附加任何多余配件或采取特殊组装工艺。(3)试件应完好：无裂纹，无缺角，无明显变形，周边密封无破损等现象。
3.4试件安装
(1)安装试件的洞口尺寸不应小于820mmx1270mmm。当洞口尺寸大于820mmx1270mm时，其余部分应采用热导值已知的填充板填堵。(2)试件与填充板间的缝隙可用聚苯乙烯泡沫塑料条填塞，缝隙较小不易填塞时可用聚氨酯发泡填充，并用透明胶带将接缝处双面密封。(3)热箱及冷箱两侧分别安装可调节支架，支架上共设置三个可调支撑触点，如图2所示。支撑触点应采用低导热系数材料制作且应可拆卸，触点与玻璃试件的接触面应平整。
3.5检测步骤
(1)启动检测装置，设定冷、热箱和环境空间空气温度手(2)当冷、热箱和环境空间空气温度达到设定值，且测得的热箱和冷箱的空气平均温度每小时变化的绝对值分别不大于0.1K和0.3K,热箱内外表面面积加权平均温度差值和试件框冷热侧表面面积加权平均温度差值每小时变化的绝对值分别不大于0.1K和0.3K，且不是单向变化时，传热过程已达到稳定状态;热箱内外表面、试件框冷热侧表面面积加权平均温度计算详见GB/T8484。(3)传热过程达到稳定状态后，每隔30min测量一次参数，共测六次。(4)测量结束后记录试件热侧表面结露或结霜状况。
3.6数据处理
试件的传热系数计算步骤如下：(1)各参数取六次测量的平均值。(2)试件传热系数K值按式(1)计算，式中各参数的含义详见GB/T8484;(3)试件传热系数K值取两位有效数字。
4影响Low-E中空玻璃传热系数K值的因素
Low-E玻璃--般被制成中空玻璃、真空玻璃等结构使用，称之为Low-E节能玻璃。建筑上常用Low-E中空玻璃外窗，Low-E中空玻璃由两片或多片玻璃，玻璃之间由灌装干燥剂的间隔条支撑边部，端部注密封胶黏结构成。《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》(JGJ/T151)或《建筑玻璃应用技术规程》(JGJ113)给出了中空玻璃传热系数的计算公式，根据传热系数K值计算公式中涉及的变量可以确定影响K值因素有气体间隔层(气体腔)数、各气体层的厚度、各气体腔内气体的热阻、各片玻璃内表面的辐射率、各片玻璃厚度之和。其中玻璃厚度的影响微弱，研究其他4个因素对K值的影响趋势和程度可为制造更节能的中空玻璃指明方向。
4.1Low-E中空玻璃空气层厚度的影响
以常用的单腔Low-E中空玻璃为例，通过检测空气层不同厚度时Low-E中空玻璃的K值，可以得出K随空气层厚度变化的关系曲线，如图3所示。由图可见，空气层为6mm时K最高，为9mm时K降低了约0.4W/(m2.K)，为12mm时K达到最低值，因此12mm应是佳的空气层厚度。当空气层厚度再增加时K反而逐渐升高了，检测结果显示空气层并不是越厚越好，而是有一个最佳厚度12mm。
4.2Low-E中空玻璃充惰性气体的影响
中空玻璃充惰性气体的目的是降低传热系数K并提高隔声性能，为此需选择分子量大、热阻值高于空气、自然界含量丰富且易于制备的惰性气体，氩气无疑是好的选择。为了对比方便，仍采用与上一问题中相同的Low-E中空玻璃，充85%的氩气后检测得出K值，如图4所示。对比图3与图4可以得出两个结论：首先充氩气后无论气体层厚度如何，K都降低了，气体层薄(12mm以下)降低的幅度大[约0.3W/(m2.K)],气体层厚(12mm以。上)降低的幅度小[约0.2W/m^.K)],这说明惰性气体限制分子碰撞换热非常有效;其次充，氩气后K随厚度变化的趋势与空气相同，即气体层厚度值也落在12mm。
4.3Low-E玻璃辐射率的影响
通过镀Low-E膜降低玻璃表面辐射率，从而大幅度降低中空玻璃的K值，是提升中空玻璃节能性能有效的技术手段，目前尚无新的技术可以替代它。进一步降低Low-E膜的辐射率肯定会降低中空玻璃的K,但降低的幅度有限，图5是6Low-E+12A+6结构的Low-E中空玻璃，K随Low-E玻璃辐射率变化的关系曲线。
从图中可以看出即便辐射率降至0.01的超低水平，K也不过从1.8W/(m2.K)降至1.6W/(m2.K)左右，与充氩气获得的效果相当，但制造难度和成本却非常大，因此不值得专门为此花费代价。
4.4Low-E中空玻璃多腔的影响
由4.1可知，单腔中空玻璃的气体层厚度超过12mm后，因气体定向环流传热量增多而导致K值升高，如果插入一片玻璃分割气体层，就会限制气体环流传热，叠加后气体层的总厚度可以很大，既能增大气体总热阻又降低环流传热量，这就是多腔中空玻璃的优势。
5整窗传热系数K
整窗传热系数K既与玻璃的K有关，也与窗框的K有关，计算公式如(2)所示。
其中： K玻-玻璃的传热系数; S玻一玻璃透明 部分的面积(m2) ; K框一窗框的传热系数; S框一窗框投影面积(m2)
常用玻璃与窗框配合后整窗传热系数K值如表1所示。
6结语
Low-E节能玻璃是--种具有很好节能效果的加工玻璃产品，使用Low-E节能玻璃做成的外窗，不仅可以很好地提高居住舒适度，而且有助于实现碳达峰、碳中和的大目标。通过对Low~E节能玻璃传热系数的检测，找出影响Low-E中空玻璃传热系数K值的因素，生产企业可以根据这些因素择优制作Low-E节能玻璃，还可以依据常用玻璃与窗框配合后整窗传热系数K值，适配窗框与Low-E节能玻璃，制成满足建筑节能标准要求的外窗。寒冷地区节能65%、75%的绿色建筑外窗采用6Low-E+12A+6断桥铝框或四腔塑钢框为宜，经济适用;超低能耗绿色建筑外窗采用6双银大12Ar+6双银+12Ar+6无银四腔塑钢框或木塑复合框，满足外窗低传热量要求。
