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中國幕墻網(wǎng) 2016年會論文集系列 未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載 違者必究
近年來，由于納米分散技術(shù)、磁控濺鍍技術(shù)的快速發(fā)展，通過對PVB夾層玻璃中間膜的生產(chǎn)過程中進行添加、加工和處理，使中間膜具有了光譜選擇性，特別是對太陽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，如納米級金屬氧化物，通過調(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，膜層對近紅外線有較高的反射，優(yōu)點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，降低了太陽能總透射比SHGC，該種PVB中間膜的主要缺點是價格高昂，其夾層玻璃力學特性也為業(yè)界所存疑。
第三種是采用遮陽型Low-E玻璃代替其中的一片白玻(圖3)，用普通PVB膠片進行熱壓粘合，利用遮陽型Low-E膜層對近紅外線的反射特性實現(xiàn)對近紅外的阻隔。
由于近紅外光譜緊鄰可見光區(qū)，為保證較高的可見光透光率，在光譜交界波長的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。單獨用做夾層（詞條“夾層”由行業(yè)大百科提供）玻璃時，需將Low-E膜層與中間膜粘合。但這種組合同時帶來三個問題，一是由于和中間膜粘結(jié)后，給熱/換熱系數(shù)遠大于Low-E膜層的輻射換熱，相當于Low-E膜層被短路，失去對傳熱系數(shù)U值的貢獻。其二是多銀Low-E膜層的力學特性(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，并進一步降低夾層玻璃的力學和光學性能。
對第一種方案來說，在PVB中摻入納米級復(fù)合金屬氧化物多以對近紅外熱能的吸收為主，吸收的熱能一部分又會經(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。本文希望通過對不同技術(shù)方案進行光熱計算，給夾層玻璃廠商選擇中間膜方案時提供參考。
1、 太陽輻照能量
了解太陽輻射（詞條“太陽輻射”由行業(yè)大百科提供）按的光譜能量分布，對通過對光譜濾波實現(xiàn)光學節(jié)能十分重要，例如紅色譜的輻照度超過藍色的兩倍多，顯然阻隔紅色譜比阻隔藍色譜對減少進入室內(nèi)的總輻射（詞條“輻射”由行業(yè)大百科提供）量貢獻要大得多。
太陽輻射能量主要分布在波長為0.38um~0.78um的可見光區(qū)，和0.78um~4um的紅外區(qū)，前者約占50%，后者約44%，紫外區(qū)的太陽輻射能很少，只占總量的6%。在全部輻射能中，波長在0.15～4μm之間的占99%以上。
太陽輻射通過大氣后，其強度和光譜能量分布都發(fā)生變化。到達地面的太陽輻射能量比大氣上界小得多，在太陽光譜上能量分布在紫外光譜區(qū)很小，大約在4%，在可見光譜區(qū)為48%，紅外光譜區(qū)為48%。
科學計算常用太陽照射角度偏離頭頂46.8度的AM1.5G表示在地面上太陽光譜能量，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波長區(qū)間的太陽直接輻照，以及在10um左右物體吸熱再輻射的部分。
因各地太陽輻射強度不同，為方便熱工計算和制定產(chǎn)品標準，在計算由室內(nèi)、外溫差和太陽輻射引入的傳熱之和RHG(Relative Heat Gain—相對增熱)時，一般會采用統(tǒng)一的太陽輻射得熱因子SHGF(Solar Heat Gain Factor)，其含義是當時當?shù)亍挝粫r間內(nèi)透過3mm厚普通玻璃的太陽輻射能量，單位是W/m²，并用Sc和SHGF的乘積表示單位時間太陽輻射透過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）夏季標準條件下，SHGF取值630W/m²;相對增熱表達式為：
RHG=14°F x U(夏)+200 x Sc(BTU/h-ft²)=7.78℃ x U(夏)+630 x Sc(W/m²)
以下對各種組合的夾層玻璃吸熱溫升值、節(jié)能效果、遮陽比等給出一些計算和結(jié)果，特別是針對一些夾層玻璃制造企業(yè)和用戶，對吸熱型中間膜產(chǎn)品由于吸熱導(dǎo)致玻璃溫升過高，以至引起爆裂的認識誤區(qū)和顧慮做出澄清。計算采用的設(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：
可見光直接透射比：0.78;
近紅外直接透射比：0.08;
太陽光直接反射比(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;
太陽總輻射能：630 x 0.87 = 548W/m²;
在總輻射能中，可見光、紅外+紫外合計各占50%;
可見光直接透射比0.78，占太陽總輻射量的(簡稱占比)39%;近紅外直接透射比為0.08，占比4%;太陽光直接反射比為0.08，合計為：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)面的溫差相對于玻璃因吸熱升溫較小，因此在計算玻璃升溫時忽略不計，設(shè)穩(wěn)態(tài)下的玻璃二側(cè)表面溫度均為T，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℃;
當兩側(cè)環(huán)境溫度相等時，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;
當室內(nèi)溫度小于室外，如室內(nèi)24℃，室外32℃時，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看，內(nèi)外側(cè)環(huán)境溫度相等時，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降低U值沒有貢獻。
ii) 白玻+反射型中間膜+白玻
· 設(shè)產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)如下：
可見光直接透射比：0.60;
近紅外直接透射比：0.10;
可見光直接反射比：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光透射比60%;近紅外透射比10%;近紅外反射比為75%;可見光直接反射比20%;合計占比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℃
以上計算得出，穩(wěn)態(tài)時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降低U值沒有貢獻：
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，以及膜層堅硬、牢固、可清洗、不發(fā)生氧化反應(yīng)、可直接面對室內(nèi)使用環(huán)境等穩(wěn)定特性，進一步降低太陽輻射和室內(nèi)外溫差對室內(nèi)的增溫。
設(shè)產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)如下：
可見光直接透射比：0.70;
近紅外直接透射比：0.05;
太陽光直接反射比(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)，從而減少進入室內(nèi)的太陽輻射與室內(nèi)外溫差對室內(nèi)的增溫。以下計算中換熱系數(shù)采用如下簡化計算公式：
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)，太陽光直接透射及反射合計為47%，其余53%為中間膜及玻璃吸收部分，吸收太陽輻射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℃;
當兩側(cè)環(huán)境溫度相等時，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
當室內(nèi)溫度小于室外時，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，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
從以上計算結(jié)果及實際測試結(jié)果看，對吸熱型中間膜采用白玻與Low-E玻璃的組合會降低SHGC值，這是因為中間膜吸收近紅外熱能后轉(zhuǎn)為長波向兩面?zhèn)鬟f，在達到玻璃外側(cè)的Low-E膜層時，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中空玻璃進行組合(圖6)，也可以視為Low-E中空玻璃的一側(cè)玻璃透過中間膜與外側(cè)玻璃粘合。中間膜吸熱后通過接觸換熱傳遞到中空玻璃，與中空玻璃先吸收長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)
中間膜將太陽輻射熱能吸收，并轉(zhuǎn)換為長波向兩側(cè)玻璃傳遞，中空玻璃的Low-E面在第二面或第三面對降低室內(nèi)傳熱沒有區(qū)別。采用較低傳熱系數(shù)的中空玻璃對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，在可見光透射比達到60%時，仍可將SHGC值降到0.4。
吸吸收型中間膜可以實現(xiàn)最高的可見光透射比，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，最重要的指標是可見光透射比Tvis和太陽能總透射比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、實測結(jié)果和實際使用上看，納米陶瓷夾層玻璃可以提供最高的可見光透射比及光熱比。
吸熱型夾層玻璃會在吸收太陽輻照時會產(chǎn)生溫升，但溫升的幅度并不大。計算與實際測試證明，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，玻璃溫度不會超過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℃，這個溫度離中間膜軟化溫度很遠，更不會引起爆裂。
從以上計算也可以得出，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最大輻照的60%，即使在某些極端環(huán)境下，太陽輻照達到600W/m²，玻璃溫升也不會大于20℃。
而在采用白玻+Low-E組合時，吸熱型玻璃表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，SHGC低于反射型夾層玻璃，而且室內(nèi)外溫差增加對SHGC影響也很小。
吸熱型夾層玻璃之所以具有較高的可見光透射比和光熱比，是因為其濾波特性曲線比較陡峭，因此可保留更多的可見光。而且反射率較低，不會產(chǎn)生光污染，而反射型中間膜如在可見光區(qū)反射過高，會造成光污染和透光率下降。
結(jié)論：在強調(diào)綠色節(jié)能和舒適性的時代大需求下，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光透射比、最低的遮陽比和最高光熱比，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節(jié)能與舒適性的大幅提升，相信不僅必會帶動汽車前擋風玻璃（詞條“擋風玻璃”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，而且對強調(diào)更安全、更節(jié)能的夾層中空玻璃具有重大意義，將帶動中空玻璃的產(chǎn)業(yè)進步。
參考資料：
陳啟高 《建筑熱物理基礎(chǔ)》. 西安交通大學出版社. 1991
王 耶 《低輻射玻璃的概念及其研究與應(yīng)用問題的討論》中國玻璃 2007年第一期
董子忠 許永光 陳啟高 溫永玲 重慶大學建筑技術(shù)科學研究所《 窗戶傳熱系數(shù)的簡化計算方法》保溫材料與建筑節(jié)能
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