中空玻璃节能概述

中空玻璃节能概述 北京爱乐屋建筑节能制品有限公司 戚永河 The potential of glass unit for energy conservation 摘要:本文通过对中空玻璃的玻璃原片、间隔条类型、密封胶的组成、所充气体成分和使用环境等各方面的相关因素进行分析，得出中空玻璃节能特性提高的途径及其可行性，为建筑使用中选用最佳节能效果的中空玻璃组合提出建议。 关键词: 中空玻璃 传热系数 建筑节能 一、引言 随着社会经济的飞速发展，建筑能耗在社会总能耗中的所占比例越来越大，2003年占27.6％，根据发达国家经验，建筑使用过程中的能耗在全社会终端总能耗中所占比例，将逐步提高到35％左右[1]，建筑能耗已成为制约社会经济发展的重要因素。从节能角度来讲，整个建筑的能量损失中约50%是从门窗上损失[2]，对于整幢建筑来说，门窗的面积占建筑面积的比例超过20%，玻璃在门窗中约占70%以上，因此，增强门窗的保温隔热性能，减少门窗的能耗，是改善室内热环境和提高建筑节能的重要环节，而其中减少通过玻璃的能量损失越来越被重视。 中空玻璃是一种节能、隔音的环保型产品,在建筑上得到了越来越广泛的应用。但随着节能的不断提高，普通的中空玻璃已不能完全满足节能的技术要求，所以要求从各方面提高中空玻璃的性能。 二、中空玻璃的节能原理 热量的传递方式有三种即对流传热、热传导和辐射传热。对流传热是由于在玻璃的两侧具有温度差，空气在冷的一面下降而在热的一面上升，形成空气的对流，而造成能量的流失；热传导是通过物体分子的运动，带动能量进行运动，而达到传递的目的；辐射传热是能量通过射线以辐射的形式进行的传递，这种射线包括可见光、红外线和紫外线等的辐射。作为中空玻璃，其隔热性能主要因其内部气体处于一个封闭的空间，气体不产生对流，而且空气的导热系数为0.028 W/m2·K，是玻璃（0.77 W/m2·K）的1/27，因而对流传热和传导传热在中空玻璃的能量传递中占较小的比例，辐射传热是影响中空玻璃能量性能的重要因素。 三、提高中空玻璃性能的途径 1． 中空玻璃玻璃原片的选择： 1.1 原片种类的选择 由于辐射传热是影响中空玻璃能量性能的主要因素，故在此只讨论辐射传热。 式(1)为辐射传热的表达式 dQ=ε×C(T1-T2)ds×dt (1) 式中： dQ—单元面积ds在时间dt内的辐射量； ε—玻璃表面的辐射率； C—绝对黑体的辐射常数； T1、T2—辐射体和接受体表面温度。 可见，辐射热传导率与辐射率成正比，要减少辐射传热则应选择辐射率较低的玻璃。 1.2 中空玻璃原片厚度的选择 式（2）为中空玻璃K值计算 K =1/(Rsi+∑i=n1δi/λi+ Rse) W/m2·K （2） 式中： Rsi—中空玻璃内表面传热热绝缘系数（取0.13 m2·K/W） Rse—中空玻璃外表面传热热绝缘系数（取0.04 m2·K/W） δ—材料层厚度 λ—材料的导热系数（参照《民用建筑热工设计》GB50176-93） Rsi，Rse在同一条件下不变，只有∑i=n1δi/λi是变量，因此在同一条件下中空玻璃K值变化只与∑i=n1δi/λi有关。 对具有12mm空气间隔层的普通中空玻璃进行计算，得出K值的变化与玻璃厚度的变化基本为直线关系见图1[3]。从图1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。 2． 中空玻璃间隔层： 2.1 间隔层厚度与所充气体 目前国内常用的中空玻璃间隔层厚度为6mm、9mm、12mm等。由图2[3]可看出对于6mm中空玻璃组合间隔层厚度在1~9mm范围内K值下降较快，而9~13mm开始变缓，13mm后基本保持持平甚至还有轻微回升,因此间隔层厚度选用12mm较好。由图2还可看出Low-E中空充空气和充氩气比白玻中空充空气K值要小得多，下降速度也要快得多。 充入中空玻璃间隔层的气体需具有化学稳定性和低的传热系数。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0.024 W/m2·K，氩气0.016 W/m2·K），因此极大地提高了中空玻璃的热阻性能，由图2可看出充氩气中空玻璃K值明显比充空气中空玻璃少。两种惰性气体相比，因氩气在空气中的含量丰富提取较容易，使用成本低，所以较多被中空玻璃厂家所采用。 2.2 间隔层间隔条 间隔条用来控制中空玻璃的内、外两片玻璃的间距，并控制外部的水蒸气在这一部分被完全隔绝，保证中空玻璃具有合理的空间层厚度和使用寿命。铝间隔条的导热系数在160 W/m·K左右，分别是空气的6667倍和玻璃的208倍（空气0.024W/m·K，玻璃0.77W/m·K），室内外由于温差的存在，热能通过铝间隔条跑掉很多。现在市场上还有用Swiggle（实唯高）胶条，由于它采用边部连续密封材料保温、只有一个连接角，消除了密封不连续、有缝隙的问题，隔热性能比铝间隔条更好，大大减少了玻璃边部的热量散失，达到节能效果。近几年来，由于超级间隔条的优良性能，超级间隔条也逐渐的走上了市场。超级间隔条的热传导系数是0.16W/m2·K,仅为铝间隔条的1/1000、不锈钢的1/85、复合胶条的1/4，能有效的节能。使用超级间隔条，还可以减少中空玻璃的边部应力，减少中空玻璃炸裂现象地发生。 2.3 间隔层密封胶 中空玻璃制造有单道和双道密封工艺。密封胶必须具备良好的密封性能，较低的透气性能。常用的几种玻璃密封胶的水气透过率如表1[4]所示。 品种 水气透过率 聚硫 6―16 聚硫/PIB 0.1―0.2 聚氨酯 6―16 聚氨酯/PIB 0.1―0.2 热熔丁基 1―4 硅酮 16―24 硅酮/PIB 0.1―0.2 从表1可知，PIB（聚异丁烯）的水气透过率最低，硅酮类的最高、聚硫类和聚氨酯类密封胶的气密性优于硅酮类密封胶。对于单道密封工艺，由于聚硫密封胶的透气性比硅酮密封胶的透气性小，用聚硫密封胶比用硅酮密封胶要好。 密封胶除了具有优良的粘结性能，同时还应具有优良的耐候性和耐老化性能。常用中空玻璃密封胶的综合性能如表2[4]所示。 表2 常用密封胶的综合性能 品　种 位移能力±% 弹性恢复率 预期寿命 耐紫外线 耐臭氧 热老化 单组份聚硫 12.5 一般 10年 开裂 开裂 开裂 双组份聚硫 25 好 20年 开裂 开裂 变韧 单组份聚氨酯 50 很好 20年 好 好 好 双组份聚氨酯 50 很好 20年以上 极好 极好 极好 聚异丁烯 7.5 无 20年以上 很好 很好 很好 双组份硅酮 50 很好 30年 极好 极好 极好 从表2可知，硅酮密封胶和聚氨酯密封胶的粘结性能、强度性能比聚硫胶强，但聚氨酯密封胶在国内出现时间较短，技术不是很成熟，因此国内厂家不用聚氨酯密封胶而用硅酮胶。 3. 镀膜对中空玻璃的影响： 镀膜玻璃按产品的不同特性，可分为以下两类：热反射玻璃（也称为阳光控制玻璃）、低辐射玻璃（也称Low-E玻璃）。 以下中空玻璃的结构相同，镀膜面位于中空玻璃的2#位置 表3[5] 几种中空玻璃的主要光热参数（南玻集团工厂实际测量数值） 表3 几种中空玻璃的主要光热参数 玻璃名称 玻璃种类、结构 透光率 （%） 遮阳系数SHGC 传热系数（w/m2℃） K冬 K夏 透明中空玻璃 6C+12A+6C 81 0.87 2.75 3.09 热反射镀膜中空玻璃 6CTS140+12A+6C 37 0.44 2.58 3.04 高透型LOW-E中空玻璃 6CES11+12A+6C 73 0.61 1.79 1.89 遮阳型LOW-E中空玻璃 6CEB12+12A+6C 39 0.31 1.66 1.70 由表3得出：Low-E玻璃K值明显比普通中空玻璃和热反射镀膜中空玻璃少得多，遮阳型中空玻璃比高透型中空玻璃具有更低的SHGC值的同时其透光率也较低，因此可视具体需求选用不同类型的中空玻璃。 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特性。图3为中空玻璃镀膜位置编号。 表4 Low-E玻璃膜面位置对节能的影响 镀膜面位置 （室外）1# 2# 3# 4#（室内） 白玻组合 K值（W/m2K） 2.677 1.923 1.923 2.041 SHGC值 0.632 0.625 0.676 0.640 吸热玻璃组合(以浅绿为例) K值（W/m2K） 2.680 1.925 1.925 2.042 SHGC值 0.416 0.586 0.347 0.345 如果采用吸热玻璃与Low-E玻璃组成中空时，从表4[3]中可以看出，吸热玻璃位于室外，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，这是因为吸热玻璃位于室外时吸收一部分太阳热后再进行二次辐射，将吸热玻璃中的热量辐射进室内，而在3#位置时吸热玻璃已经吸收一部分太阳热，同时再经Low-E膜反射一部分太阳热，吸热玻璃进行的二次辐射也被Low-E膜反射掉大部分，所以Low-E膜位于2#比位于3#时的SHGC值大，此时Low-E膜层应该位于3#位置。 4． 生产环境及使用环境对中空玻璃的影响： 生产中空玻璃时，密封于间隔层内的压力是生产环境温度下的压力。在使用过程中，往往是使用温度和生产环境温度相差较大。在夏季中空玻璃向阳面，中午吸收大量的太阳热使中空玻璃夹层温度升高，晚间外层玻璃温度下降明显，中空玻璃夹层四周密封，温度下降较慢，形成玻璃的内外温差较大，间隔层中的空气发生膨胀（如1所示）产生正压，长时间如此将有可能使中空玻璃密封处产生空隙而使中空玻璃失效；尤其是用吸热玻璃制作的中空玻璃，玻璃的吸热效果很强，间隔层内空气温度更高，产生的正压也就更大，当由于间隔层空气膨胀引起的压力高于玻璃的破坏压力时，玻璃便会发生炸裂。同样在冬季时，生产温度高于使用时的环境温度，间隔层内空气收缩（如2所示）而产生负压，当玻璃面积较大而间隔层厚度又较小时，两片玻璃的中心部位有可能贴在一起形成类似彩虹的斑点，当在风雪地震等载荷的联合作用下，也有可能使玻璃发生破裂。另外我国地域辽阔，如供需两地气压相差较大，也可能产生膨胀（如1所示）或收缩（如2所示），也可使玻璃发生变形甚至裂开。 四、结论 随着建筑节能标准要求的逐步提高，对中空玻璃节能特性的要求也逐渐提高。影响中空玻璃节能特性的重要因素是多方面的，要想更好的提高中空玻璃的节能特性，应深入了解它的原材料性质及组成方式，尽量选用辐射率较低且在国标允许范围内选用合适厚度的玻璃原片、合理的选择中空玻璃间隔层厚度、充入性能优异的惰性气体、采用导热系数较低的间隔条如超级间隔条都能很好的提高中空玻璃的性能，而Low-E玻璃更是以其优异的光学热工特性使中空玻璃的节能效果得到更大的提高，在实际应用中实现了良好的节能效果。随着建筑节能意识和可持续建筑重视程度的提高，高性能的中空玻璃将得到不断的发展和拥有更加广阔的市场前景。 五、致谢 在此我要衷心的感谢公司创造的良好条件使我能进行细致深入的研究，并且我还要感谢我们部门的两位同事及我们领导给予的无私帮助，使此项工作最终顺利的完成，最后对所有给过我帮助的人表示感谢。 六、参考文献 [1] 赖明．贯彻落实科学发展观 大力推进建筑节能工作．建筑门窗幕墙与设备，2005，11：16 [2] 刘军．提高中空玻璃节能的若干技术问题．建筑门窗幕墙与设备，2006，2：57 [3] 鲁大学．中空玻璃节能特性的影响因素分析．墙材革新与建筑节能，2004，7：41~44 [4] 刘振海，王跃林，王洪敏．中空玻璃密封胶的特点及选用．中国门窗幕墙技术与应用 [5] 刘海波．Low-E玻璃与热反射镀膜玻璃的热学性能比较．建筑门窗幕墙与设备，2006，8：28 8