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中國(guó)幕墻網(wǎng) 2016年會(huì)論文集系列 未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載　違者必究

　　近年來(lái)，由于納米分散技術(shù)、磁控濺鍍技術(shù)的快速發(fā)展，通過(guò)對(duì)PVB夾層玻璃中間膜的生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行添加、加工和處理，使中間膜具有了光譜選擇性，特別是對(duì)太陽(yáng)近紅外光譜段有較好的吸收或反射性能，使近紅外透射比大幅降低，因此降低了太陽(yáng)能總透射比SHGC。

　　目前一般有三種PVB組合成型方法：

　　第一種是在加入聚乙烯（詞條“聚乙烯”由行業(yè)大百科提供）醇縮丁醛的可塑劑(增塑劑（詞條“增塑劑”由行業(yè)大百科提供）-plasticizer)中添加吸熱材料，如納米級(jí)金屬氧化物，通過(guò)調(diào)整添加材料的納米顆粒尺寸和比例，使中間膜可吸收近紅外譜熱能，如圖1。

　　第二種是在兩層PVB膠中夾有一片隔熱膜，隔熱膜是采用磁控濺鍍工藝的金屬反射膜，膜層對(duì)近紅外線有較高的反射，優(yōu)點(diǎn)是可以反射大部分紅外線熱能，減少了膜層吸熱后再向室內(nèi)的傳熱，降低了太陽(yáng)能總透射比SHGC，該種PVB中間膜的主要缺點(diǎn)是價(jià)格高昂，其夾層玻璃力學(xué)特性也為業(yè)界所存疑。

　　第三種是采用遮陽(yáng)型Low-E玻璃代替其中的一片白玻(圖3)，用普通PVB膠片進(jìn)行熱壓粘合，利用遮陽(yáng)型Low-E膜層對(duì)近紅外線的反射特性實(shí)現(xiàn)對(duì)近紅外的阻隔。

　　由于近紅外光譜緊鄰可見(jiàn)光區(qū)，為保證較高的可見(jiàn)光透光率，在光譜交界波長(zhǎng)的780nm處的帶阻濾波斜率需盡可能陡峭(接近90度)，該種PVB中間膜就需要離線濺鍍雙銀或三銀多層反射膜。由于這些膜層容易受到水汽侵蝕氧化，必須使用在干燥氣體環(huán)境中，如制成中空或真空玻璃。單獨(dú)用做夾層（詞條“夾層”由行業(yè)大百科提供）玻璃時(shí)，需將Low-E膜層與中間膜粘合。但這種組合同時(shí)帶來(lái)三個(gè)問(wèn)題，一是由于和中間膜粘結(jié)后，給熱/換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于Low-E膜層的輻射換熱，相當(dāng)于Low-E膜層被短路，失去對(duì)傳熱系數(shù)U值的貢獻(xiàn)。其二是多銀Low-E膜層的力學(xué)特性(抗拉力和剪切力等)較差，降低了夾層玻璃的牢固性，其三是水汽侵入更容易使Low-E膜層氧化，并進(jìn)一步降低夾層玻璃的力學(xué)和光學(xué)性能。

　　對(duì)第一種方案來(lái)說(shuō)，在PVB中摻入納米級(jí)復(fù)合金屬氧化物多以對(duì)近紅外熱能的吸收為主，吸收的熱能一部分又會(huì)經(jīng)內(nèi)側(cè)玻璃傳遞到室內(nèi)。因此三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文希望通過(guò)對(duì)不同技術(shù)方案進(jìn)行光熱計(jì)算，給夾層玻璃廠商選擇中間膜方案時(shí)提供參考。

　　1、 太陽(yáng)輻照能量

　　了解太陽(yáng)輻射（詞條“太陽(yáng)輻射”由行業(yè)大百科提供）按的光譜能量分布，對(duì)通過(guò)對(duì)光譜濾波實(shí)現(xiàn)光學(xué)節(jié)能十分重要，例如紅色譜的輻照度超過(guò)藍(lán)色的兩倍多，顯然阻隔紅色譜比阻隔藍(lán)色譜對(duì)減少進(jìn)入室內(nèi)的總輻射（詞條“輻射”由行業(yè)大百科提供）量貢獻(xiàn)要大得多。

　　太陽(yáng)輻射能量主要分布在波長(zhǎng)為0.38um~0.78um的可見(jiàn)光區(qū)，和0.78um~4um的紅外區(qū)，前者約占50%，后者約44%，紫外區(qū)的太陽(yáng)輻射能很少，只占總量的6%。在全部輻射能中，波長(zhǎng)在0.15～4μm之間的占99%以上。

　　太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣后，其強(qiáng)度和光譜能量分布都發(fā)生變化。到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能量比大氣上界小得多，在太陽(yáng)光譜上能量分布在紫外光譜區(qū)很小，大約在4%，在可見(jiàn)光譜區(qū)為48%，紅外光譜區(qū)為48%。

　　科學(xué)計(jì)算常用太陽(yáng)照射角度偏離頭頂46.8度的AM1.5G表示在地面上太陽(yáng)光譜能量，其輻照度為963.75瓦/米2。室內(nèi)得熱受自然環(huán)境影響，包括在0.295～2.5μm波長(zhǎng)區(qū)間的太陽(yáng)直接輻照，以及在10um左右物體吸熱再輻射的部分。

　　因各地太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不同，為方便熱工計(jì)算和制定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，在計(jì)算由室內(nèi)、外溫差和太陽(yáng)輻射引入的傳熱之和RHG(Relative Heat Gain—相對(duì)增熱)時(shí)，一般會(huì)采用統(tǒng)一的太陽(yáng)輻射得熱因子SHGF(Solar Heat Gain Factor)，其含義是當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)亍�單位時(shí)間內(nèi)透過(guò)3mm厚普通玻璃的太陽(yáng)輻射能量，單位是W/m²，并用Sc和SHGF的乘積表示單位時(shí)間太陽(yáng)輻射透過(guò)單位面積玻璃的熱量及被玻璃吸收后向室內(nèi)二次輻射的熱量的總和，如在ASHRAE（詞條“ASHRAE”由行業(yè)大百科提供）夏季標(biāo)準(zhǔn)條件下，SHGF取值630W/m²;相對(duì)增熱表達(dá)式為：

　　RHG=14°F x U(夏)+200 x Sc(BTU/h-ft²)=7.78℃ x U(夏)+630 x Sc(W/m²)

　　以下對(duì)各種組合的夾層玻璃吸熱溫升值、節(jié)能效果、遮陽(yáng)比等給出一些計(jì)算和結(jié)果，特別是針對(duì)一些夾層玻璃制造企業(yè)和用戶，對(duì)吸熱型中間膜產(chǎn)品由于吸熱導(dǎo)致玻璃溫升過(guò)高，以至引起爆裂的認(rèn)識(shí)誤區(qū)和顧慮做出澄清。計(jì)算采用的設(shè)定值取自一些典型產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)，并不針對(duì)所有產(chǎn)品。

　　2、 雙白玻組合的夾層玻璃：

　　i) 白玻+吸熱型中間膜+白玻

　　· 設(shè)產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)如下：

　　可見(jiàn)光直接透射比：0.78;

　　近紅外直接透射比：0.08;

　　太陽(yáng)光直接反射比(300nm～2500nm)：0.08;

　　· 其它參數(shù)分別設(shè)定如下：

　　室內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)αi：8.7W/m²K;

　　室外側(cè)換熱系數(shù)αe：23 W/m²K;

　　太陽(yáng)總輻射能：630 x 0.87 = 548W/m²;

　　在總輻射能中，可見(jiàn)光、紅外+紫外合計(jì)各占50%;

　　可見(jiàn)光直接透射比0.78，占太陽(yáng)總輻射量的(簡(jiǎn)稱占比)39%;近紅外直接透射比為0.08，占比4%;太陽(yáng)光直接反射比為0.08，合計(jì)為：51%，其余為中間膜及玻璃吸收部分為49%，為268.5W/m²。

　　中間膜吸收的太陽(yáng)輻射熱向玻璃兩側(cè)傳遞(如圖4)。由于玻璃兩側(cè)面的溫差相對(duì)于玻璃因吸熱升溫較小，因此在計(jì)算玻璃升溫時(shí)忽略不計(jì)，設(shè)穩(wěn)態(tài)下的玻璃二側(cè)表面溫度均為T(mén)，與室內(nèi)側(cè)溫差為△Ti，與室外側(cè)溫差為△Te，由于換熱系數(shù)與溫差不同，中間膜吸熱再傳遞到兩側(cè)的熱流密度也不同，向換熱較大的室外側(cè)面?zhèn)鬟f熱量比換熱較小的室內(nèi)側(cè)面要多。在熱穩(wěn)態(tài)下：

　　αi△Ti+αe△Te=268.5W/m²;

　　△Ti=T-Ti;△Te=T-Te;

　　其中：Ti、Te分別為室內(nèi)、外溫度;αi、αe分別為室、內(nèi)外換熱系數(shù);

　　a. 當(dāng)Ti=Te;△Ti=△Te=△T

　　△T(8.7+23)=268.5;

　　△T=268.5/31.7=8.47℃;

　　b. 內(nèi)側(cè)環(huán)境溫度24℃，外側(cè)環(huán)境溫度32℃

　　αi△Ti+αe△Te=268.5W/m²;

　　8.7(T-24)+23(T-32)=268.5;

　　T=38.3℃;

　　當(dāng)兩側(cè)環(huán)境溫度相等時(shí)，穩(wěn)態(tài)下玻璃吸熱再傳入內(nèi)側(cè)的熱量為74W/m²，占總輻射能量的13.5%：

　　玻璃升溫：8.5℃;

　　近紅外透射比：0.35;

　　SHGC ：0.56;

　　Sc(SHGC/0.87)：0.65;

　　光熱比：1.38;

　　當(dāng)室內(nèi)溫度小于室外，如室內(nèi)24℃，室外32℃時(shí)，玻璃與室內(nèi)環(huán)境溫差變大，玻璃吸熱再傳熱到內(nèi)側(cè)增大為124W/m²，占總輻射能量：22.4%

　　玻璃表面溫度：38.3℃;

　　近紅外透射比：52.8%;

　　SHGC：0.65;

　　Sc(SHGC/0.87)：0.75;

　　光熱比：1.1。

　　就吸熱型夾層玻璃溫度來(lái)看，內(nèi)外側(cè)環(huán)境溫度相等時(shí)，玻璃表面溫升為8.5℃，在室內(nèi)24℃、室外32℃情況下，玻璃表面溫度為38.3℃。采用雙白玻組合的夾層玻璃對(duì)降低U值沒(méi)有貢獻(xiàn)。

　　ii) 白玻+反射型中間膜+白玻

　　· 設(shè)產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)如下：

　　可見(jiàn)光直接透射比：0.60;

　　近紅外直接透射比：0.10;

　　可見(jiàn)光直接反射比：0.20;

　　近紅外直接反射比：0.75;

　　其它參數(shù)按前述設(shè)定值

　　反射型中間膜夾層玻璃可見(jiàn)光透射比60%;近紅外透射比10%;近紅外反射比為75%;可見(jiàn)光直接反射比20%;合計(jì)占比82.5%。其余為中間膜及玻璃吸收部分17.5%，為96W/m²。內(nèi)側(cè)24℃、外側(cè)32℃：

　　8.7(T-24)+23(T-32)=96;

　　T=1041/31.7=32.8℃

　　以上計(jì)算得出，穩(wěn)態(tài)時(shí)中間膜吸熱再傳入室內(nèi)的熱量為8.7(32.8-24)=77W/m²，占總輻射能量的14%。采用雙白玻組合的反射型夾層玻璃對(duì)降低U值沒(méi)有貢獻(xiàn)：

　　玻璃溫度：32.8℃;

　　近紅外透射比0.38;

　　SHGC：0.49;

　　Sc(SHGC/0.87)：0.56;

　　光熱比：1.1

　　3、 白玻+普通PVB+在線Low-E白玻：

　　該組合為一面玻璃采用普通白玻，另一面采用在線Low-E玻璃的夾層玻璃(圖5)，在線Low-E膜面朝外，不與中間膜粘合。利用在線Low-E低輻射，以及膜層堅(jiān)硬、牢固、可清洗、不發(fā)生氧化反應(yīng)、可直接面對(duì)室內(nèi)使用環(huán)境等穩(wěn)定特性，進(jìn)一步降低太陽(yáng)輻射和室內(nèi)外溫差對(duì)室內(nèi)的增溫。

　　設(shè)產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)如下：

　　可見(jiàn)光直接透射比：0.70;

　　近紅外直接透射比：0.05;

　　太陽(yáng)光直接反射比(300nm～2500nm)：0.08;

　　采用在線Low-E玻璃旨在減小玻璃內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)，從而減少進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射與室內(nèi)外溫差對(duì)室內(nèi)的增溫。以下計(jì)算中換熱系數(shù)采用如下簡(jiǎn)化計(jì)算公式：

　　αi = 6. 12 × εi + 3. 6

　　αe =6. 12 × εe + 17. 9

　　εi- 室內(nèi)側(cè)玻璃輻射率：在線Low-E取0.2;

　　εe- 室外側(cè)玻璃輻射率：普通白玻取0.84;

　　按上式計(jì)算出：

　　室內(nèi)側(cè)玻璃給熱/換熱系數(shù)αi=4.8;

　　室外側(cè)玻璃給熱/換熱系數(shù)αe=23;

　　按以上參數(shù)，太陽(yáng)光直接透射及反射合計(jì)為47%，其余53%為中間膜及玻璃吸收部分，吸收太陽(yáng)輻射299W/m²。

　　αi△Ti+αe△Te=299W/m²;

　　4.8△Ti+23△Te=299W/m²

　　△Ti=T-Ti;

　　△Te=T-Te;

　　其中：Ti、Te分別為室內(nèi)、外溫度;αi、αe分別為室、內(nèi)外換熱系數(shù);

　　a. 當(dāng)Ti=Te;△Ti=△Te=△T

　　△T(4.8+23)=290;

　　△T=10.7℃;

　　b. 內(nèi)側(cè)環(huán)境溫度24℃，外側(cè)環(huán)境溫度32℃

　　αi△Ti+αe△Te=290W/m²;

　　4.8(T-24)+23(T-32)=290;

　　T=41.4℃;

　　當(dāng)兩側(cè)環(huán)境溫度相等時(shí)，穩(wěn)態(tài)下因中間膜吸熱導(dǎo)致的玻璃溫升為10.7℃。吸熱再傳入室內(nèi)的熱量為51.6W/m²，占總輻射能量的9%：

　　玻璃升溫：10.7℃

　　近紅外透射比：0.24;

　　SHGC ：0.47;

　　Sc(SHGC/0.87)：0.54;

　　光熱比：1.5

　　U(夏)：3.3W/m²K

　　U(冬)：3.0 W/m²K

　　當(dāng)室內(nèi)溫度小于室外時(shí)，室內(nèi)側(cè)溫差變大，玻璃吸收再傳熱到室內(nèi)比例增大。室內(nèi)24℃，室外32℃時(shí)，向內(nèi)側(cè)傳熱為83.4W，占總輻射能量的15%。

　　玻璃表面溫度：41.4℃。

　　近紅外透射比：0.35;

　　SHGC：0.53;

　　Sc(SHGC/0.87)：0.60

　　光熱比：1.16。

　　U(夏)：3.3W/m²K

　　U(冬)：3.0 W/m²K

　　從以上計(jì)算結(jié)果及實(shí)際測(cè)試結(jié)果看，對(duì)吸熱型中間膜采用白玻與Low-E玻璃的組合會(huì)降低SHGC值，這是因?yàn)橹虚g膜吸收近紅外熱能后轉(zhuǎn)為長(zhǎng)波向兩面?zhèn)鬟f，在達(dá)到玻璃外側(cè)的Low-E膜層時(shí)，由于膜層的低輻射特性，使玻璃表面換熱系數(shù)大幅降低。例如在本例中的換熱系數(shù)由8.7W/m²降低到4.8W/m²，降幅接近一半，因此吸收再傳遞到室內(nèi)側(cè)的熱量大幅減少。而根據(jù)能量守恒定律，室內(nèi)側(cè)換熱減少必然增加室外側(cè)換熱量，玻璃溫度也將增加，如在本例中玻璃溫度提高2℃。

　　4、 白玻+吸熱型中間膜+白玻與Low-E中空玻璃的組合：

　　將雙白玻夾層玻璃視為一塊外玻璃，與Low-E中空玻璃進(jìn)行組合(圖6)，也可以視為L(zhǎng)ow-E中空玻璃的一側(cè)玻璃透過(guò)中間膜與外側(cè)玻璃粘合。中間膜吸熱后通過(guò)接觸換熱傳遞到中空玻璃，與中空玻璃先吸收長(zhǎng)波再降低熱量傳遞的原理相同，利用中空玻璃低傳熱系數(shù)的保溫特性，將中間膜吸收的熱量降到最低。

　　設(shè)在單位面積中間膜吸收熱量為Q，根據(jù)下式可計(jì)算在不同的室內(nèi)外溫度下，中間膜吸熱后在穩(wěn)態(tài)平衡下的玻璃溫度：

　　Q=U△i+ αe△e = U(T-Ti)+ 23(T-Te)

　　中間膜將太陽(yáng)輻射熱能吸收，并轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)波向兩側(cè)玻璃傳遞，中空玻璃的Low-E面在第二面或第三面對(duì)降低室內(nèi)傳熱沒(méi)有區(qū)別。采用較低傳熱系數(shù)的中空玻璃對(duì)保溫與隔熱十分重要，因此需采用輻射率較低的高透型離線Low-E玻璃，例如采用輻射率為0.03的low-E玻璃，充惰性氣體可以將U值降到1.3W/m²K以下，在可見(jiàn)光透射比達(dá)到60%時(shí)，仍可將SHGC值降到0.4。

　　吸吸收型中間膜可以實(shí)現(xiàn)最高的可見(jiàn)光透射比，以及最低的近紅外線(直接)透射比，而中空玻璃可將U值控制在1W/m²K以下也已經(jīng)不是難題，而這種夾層中空玻璃又是安全玻璃的最好選擇，因此相信定會(huì)在業(yè)界獲得大范圍推廣。

　　5、 結(jié)論與展望：

　　本文主要討論隔熱型夾層玻璃，最重要的指標(biāo)是可見(jiàn)光透射比Tvis和太陽(yáng)能總透射比SHGC，以及光熱比Tvis/SHGC。采用哪種解決方案主要是看能否在保證可見(jiàn)光透射比滿足要求的前提下，選用能提供最高光熱比的組合。

　　從理論、實(shí)測(cè)結(jié)果和實(shí)際使用上看，納米陶瓷夾層玻璃可以提供最高的可見(jiàn)光透射比及光熱比。

　　吸熱型夾層玻璃會(huì)在吸收太陽(yáng)輻照時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫升，但溫升的幅度并不大。計(jì)算與實(shí)際測(cè)試證明，即使在室內(nèi)溫度26℃，室外溫度40℃的情況下，在普通大氣環(huán)境中，玻璃溫度不會(huì)超過(guò)45℃。即使室內(nèi)外溫度同為40℃室內(nèi)的情況下，玻璃溫度仍小于48.5℃，這個(gè)溫度離中間膜軟化溫度很遠(yuǎn)，更不會(huì)引起爆裂。

　　從以上計(jì)算也可以得出，玻璃溫度每增加1℃，內(nèi)外表面散熱約增加30W/m²，扣除玻璃透射及反射，中間膜吸收的最大熱量為太陽(yáng)最大輻照的60%，即使在某些極端環(huán)境下，太陽(yáng)輻照達(dá)到600W/m²，玻璃溫升也不會(huì)大于20℃。

　　而在采用白玻+Low-E組合時(shí)，吸熱型玻璃表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，SHGC低于反射型夾層玻璃，而且室內(nèi)外溫差增加對(duì)SHGC影響也很小。

　　吸熱型夾層玻璃之所以具有較高的可見(jiàn)光透射比和光熱比，是因?yàn)槠錇V波特性曲線比較陡峭，因此可保留更多的可見(jiàn)光。而且反射率較低，不會(huì)產(chǎn)生光污染，而反射型中間膜如在可見(jiàn)光區(qū)反射過(guò)高，會(huì)造成光污染和透光率下降。

　　結(jié)論：在強(qiáng)調(diào)綠色節(jié)能和舒適性的時(shí)代大需求下，兼顧節(jié)能與舒適性的夾層玻璃有著巨大的市場(chǎng)前景。綜合表1比較結(jié)果，納米陶瓷中間膜可以提供最高的可見(jiàn)光透射比、最低的遮陽(yáng)比和最高光熱比，因此能夠使夾層玻璃大幅提升其節(jié)能與舒適性，在和Low-E中空玻璃組合后，還能提供最優(yōu)異的保溫性能。

　　展望：納米陶瓷中間膜為夾層玻璃帶來(lái)節(jié)能與舒適性的大幅提升，相信不僅必會(huì)帶動(dòng)汽車前擋風(fēng)玻璃（詞條“擋風(fēng)玻璃”由行業(yè)大百科提供），以及新能源（詞條“新能源”由行業(yè)大百科提供）汽車玻璃的整體升級(jí)，而且對(duì)強(qiáng)調(diào)更安全、更節(jié)能的夾層中空玻璃具有重大意義，將帶動(dòng)中空玻璃的產(chǎn)業(yè)進(jìn)步。

　　參考資料：

　　陳啟高 《建筑熱物理基礎(chǔ)》. 西安交通大學(xué)出版社. 1991

　　王 耶 《低輻射玻璃的概念及其研究與應(yīng)用問(wèn)題的討論》中國(guó)玻璃 2007年第一期

　　董子忠 許永光 陳啟高 溫永玲 重慶大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)研究所《 窗戶傳熱系數(shù)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法》保溫材料與建筑節(jié)能

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