热反射和Low-E玻璃的区别
1、玻璃节能原理:
自然界中存在两种热量形式,一种是直接来自于太阳的辐射,其中包括紫外线、可见光和红外线,其热量主要集中在可见光和红外线部分,其热量透过玻璃的形式如下图:
上图中,太阳辐射的热量一部分被玻璃吸收,再辐射到室内(暂称为A),一部分直接透过玻璃进入室内(暂称为B),还有一部分被玻璃反射回去(暂称为C),我们常说的热反射玻璃,反射的就是这部分热量。通常3mm白玻的太阳能透射比为(A+B)/(A+B+C)=0.87,这个值也就是3mm玻璃的遮阳系数Sc。其他玻璃的太阳能透射比与3mm玻璃的太阳能透射比的比值,就是此玻璃的遮阳系数Sc。比如,一块玻璃的太阳能透射比为0.435,那么Sc就是0.435/0.87=0.5
另一种是各种物体吸收了太阳能后,再向环境中辐射的热量,这种热量是以远红外线的形式存在的,比如夏天的地面、建筑物、汽车等等都会向环境辐射远红外线,冬天室内的暖气、家用电器、厨房的加热装置等等,包括人的身体都会以远红外线的形式向环境中辐射热量。
炎热的夏天,如上图中的建筑物以远红外线的形式向环境辐射热量,因外红外线无法穿透玻璃,这部分热量只能被玻璃吸收,然后再通过辐射、传导进入室内。玻璃吸收的热量越多,则进入室内的热量就越多。而玻璃吸收的这部分热量的多少,跟玻璃的辐射率有关,普通的3mm白玻辐射率为0.84,也就是说玻璃周围的环境热量有84%被玻璃吸收,因此会有大量的热量进入室内,热反射玻璃的辐射率比普通玻璃的辐射率稍低一点,而Low-E玻璃的辐射率可以降低到0.15,甚至更低,因此Low-E玻璃吸收很少的环境热量,这样就只有很少的热量进入室内。再看冬天的情况,冬天室内的环境热量,会被玻璃吸收,并辐射、传导到室外。辐射率极低的Low-E玻璃只吸收很少的热量,大部分的热量会被反射到室内,从而使室内保持较高的温度,这也就是Low-E玻璃能够节约能源的原理。
另外跟玻璃传热有关的一个概念是U值,U值是衡量在1摄氏度的温差下,单位时间内通过单位面积的热量多少的一个指标,玻璃的辐射率跟玻璃的U值有密切的关系,辐射率越低,U值也就越低。因此要想玻璃传导很少的热量,则应考虑低辐射的Low-E玻璃。
2、节能玻璃的分类及区别:
节能玻璃从功能上来分,主要分为热反射和Low-E两种,热反射和Low-E玻璃的加工工艺是一样的,都是采用真空磁溅射的方法生产的,区别是两者在玻璃的表面镀的金属不同,热反射主要镀金属氧化物、氮化物等等,而Low-E玻璃表面除了镀金属氧化物、氮化物之外,还会镀一层金属银,银是辐射率非常低的一种金属,因此Low-E玻璃除了具有比热反射玻璃更好的反射太阳辐射的特性之外,还具有很低的U值。
从上图可以看出,在可见光(0.38-0.78微米)透过率基本相同的情况下,几种镀膜玻璃的红外线(0.78-2.5微米)透过率差异明显。热反射玻璃的红外线透过率仍很高, 单银Low-E玻璃显著降低,而双银Low-E更低,三银Low-E最低,因此Low-E玻璃更加节能!
热反射玻璃的节能效果只能在有较强的太阳辐射的夏季白天能够体现出来,在冬季太阳辐射强度很小,或者晚上没有太阳辐射的情况下,热反射玻璃跟普通的玻璃作用基本一样,而Low-E玻璃无论在夏季还是冬季,白天或者晚上,均可发挥节能作用,因为远红外线辐射是普遍的存在于环境中的。所以,相对于热反射玻璃,Low-E玻璃的节能区域范围、时间跨度以及效果都比热反射好。
3、节能玻璃的性能比较:
常用建筑玻璃品种 | 结构 | 透光率/T | 遮阳系数/SC | 传热系数/U | 选择系数/r |
单白玻 | 6mm | 89 | 0.99 | 6.2 | 0.90 |
单片热反射镀膜 | 6mm | 50 | 0.7 | 6 | 0.71 |
白玻中空 | 6+12A+6 | 81 | 0.87 | 2.8 | 0.93 |
热反射镀膜中空 | 6+12A+6 | 60 | 0.72 | 2.7 | 0.83 |
单银Low-E中空 | 6+12A+6 | 62 | 0.51 | 1.8 | 1.22 |
双银Low-E中空 | 6+12A+6 | 62 | 0.4 | 1.7 | 1.55 |
三银Low-E中空 | 6+12A+6 | 63 | 0.32 | 1.6 | 1.97 |
上表是节能玻璃与普通玻璃的性能参数对比,从表中可以看出,热反射玻璃的U值跟普通玻璃差别很小,只是遮阳系数较低,而Low-E玻璃除了遮阳系数较低之外,U值也降到很低。最后一栏的选择系数指可见光透过率与遮阳系数的比值,即r=T/Sc。对于玻璃来说,人们总是希望可见光尽可能多的进入室内,从而提高采光效果,而希望遮阳系数尽可能低,遮阳可以减少太阳辐射进入室内,从而改善夏季室内的居住环境。因此从综合性能上看,国内外建筑的设计时,都尽可能的采取选择系数较高的玻璃。目前,国内外厂家都在开发3银Low-E玻璃,主要是因为三银Low-E玻璃可以在降低遮阳系数的同时,可以将可见光透过率提高,从而将热的太阳辐射光源过滤成冷光源。
4、节能玻璃的应用:
玻璃应用时,从节能的角度上,主要考虑三个方面:可见光透过率T,遮阳系数Sc,传热系数U。
在北方寒冷地区,夏季较短,对遮阳系数的要求并不高,而漫长的寒冬则要求玻璃的保温性能需要很高才行,比如以窗户为例,哈尔滨要求U≤2.0,沈阳要求U≤2.2,北京≤2.5,这种情况下,必须使用Low-E玻璃,才能满足整窗的节能要求。
夏热冬冷地区,夏季炎热,需要较低的遮阳系数Sc和传热系数U值;冬季寒冷,对遮阳系数要求不高,但传热系数要尽可能低。现在的建筑对采光效果都有较强的要求,因此很多窗户设计都以大的飘窗、组合窗或者落地窗为主,窗墙面积比在0.3,甚至0.5以上,这样的设计可以提高采光效果,但是缺点是传热系数较大,尤其是铝合金窗,如果选用普通的中空玻璃,在夏热冬冷的绝大部分区域是达不到标准的,若换成断桥隔铝窗,也要考虑优化窗型,减少窗墙面积比,才能满足部分地区的要求!即使用塑钢窗,对于窗墙面积比大于0.35的组合窗,普通中空玻璃也无法满足U值≤2.5的要求,且由于塑料型材的表面积比较大,会明显的降低采光效果!因此,可以通过减少组合窗的分隔,选用Low-E玻璃,来满足采光和保温的性能,而且大面积的玻璃可以极大的提高视觉效果。
夏热冬暖地区,太阳辐射很大,对窗户的遮阳系数要求比较高,部分地区要求达到0.3,这对玻璃的遮阳性能要求比较高,热反射玻璃已经无法满足要求,并且热反射玻璃无法阻挡大量的室外远红外线辐射进入室内。对于东西向、北向的窗户,太阳辐射很小,而环境中的远红外线辐射是普遍存在的,这部分的热量只有Low-E玻璃能够阻挡。即使对于遮阳系数要求较低的区域,或者冬天太阳辐射强度低时,可以不用开空调,在晚上,Low-E玻璃将室内的热量保存在室内,可以使室内能保持一个相对舒适的温度。
5、选择节能玻璃的原因:
“节约能源也即是节约金钱,而且节约的还不少”。根据德国门窗幕墙制造商协会的经验数据,U值降低0.1,每平米的窗户每年可以节约1.2升采暖用油,约相当于12度电;因此通过降低U值,在窗户的使用寿命内,可以节省一大笔空调、采暖费用。比如,普通中空玻璃U值按照2.8计算,单银Low-E中空玻璃U值取1.8计算,折合成整窗后,U值可以降低0.6-0.8左右,(这里取0.7计算)中空玻璃按照20年的使用寿命,那么20年每平米的窗户可以节约的电量约为:(0.7/0.1)×12×20=1680KWh。这些钱节约下来,可以购买好几平米的高性能的Low-E玻璃,并且可以极大的节约能源,降低二氧化碳排放。
欧美玻璃市场的Low-E玻璃占有率已经相当高,如德国接近100%,英国、美国都在80%以上,而且Low-E玻璃用在住宅门窗上的也越来越多。另外他们也相当多的鼓励居民使用Low-E玻璃,比如美国最新的经济刺激方案ARRA中规定,如果门窗的传热系数≤0.3 BTU/hr/sqft.F,折合成国际单位为5.68×0.3=1.7 W/sqm.K,遮阳系数≤0.3,满足此条件的家庭将获得最高可达1500美元的税收抵免;德国最近更是开始强制性的将现存的单玻门窗更换为节能门窗,以使其满足新的节约能源EnEV2009。这些政策都会使Low-E玻璃的应用更加普及,因此,Low-E玻璃将在未来的建筑领域发挥更加重要的作用!
参考资料:
JGJ75-2003《夏热冬暖地区居住建筑节能设计》;
JGJ 134-2001《夏热冬冷节能标准》;
德国门窗幕墙制造商协会:www.window.de/ ;
美国建筑制造协会:www.aamanet.org/;