太阳能资源区建筑如何选择节能玻璃

江苏省徐州市新型建筑技术应用中心 ■ 何水清

江苏省徐州市墙改办公室 ■ 何劲波

江苏省新沂市规划局 ■ 毛希元

一 太阳能资源分布情况

太阳能高值中心在青藏高原，而低值中心是四川盆地。太阳能利用条件较好的地方如：西藏、青海、新疆、甘肃、内蒙、山西、陕西、河北、山东、辽宁、吉林、广东、福建、海南等省(自治区)，太阳能辐射量较大，尤其是青藏高原地区太阳能资源最为丰富。按接收太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区：一、二、三类地区，年日照时数大于2200h以上，年辐射总量高于1620kWh/m2，面积较大，约占全国总面积的2/3以上；四、五类地区，虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值。

我国划分的气候区，即严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区及温和地区，太阳能资源分布区气候条件相差不大。因各气候区条件的差异，其建筑也所不同。

二 各气候区热工设计条件

严寒地区必须充分满足冬季保温要求，一般不考虑夏季隔热；寒冷地区应满足冬季保温要求，部分地区兼顾夏季隔热；夏热冬冷地区必须满足夏季隔热要求，适当兼顾冬季保温；夏热冬暖地区必须充分满足夏季隔热要求，一般不考虑冬季保温；温和地区有2种情况，一种是波峰地区应考虑冬季保温，一般不考虑夏季隔热；另外一种是温和地区的部分地区应考虑冬季保温，一般不考虑夏季隔热。这样不同地区对太阳辐射的利用(限制)就有不同的要求，严寒(寒冷)地区要充分利用太阳辐射热，并使已进入室内的太阳辐射热最大限度地留在室内；而对夏热冬暖(冬冷)地区，夏季要限制太阳辐射热进入室内。窗玻璃的透光系数(透明玻璃)在72%(19mm)～89%(2mm)之间。透明玻璃在透光的同时，太阳热也辐射入室内。现在可采用镀膜玻璃，使太阳可见光部分透射室内，将太阳辐射热部分反射，以减少进入室内的太阳热。阳光控制膜玻璃SS-8可见光透射率为8%，太阳能反射率为33%；SS-20可见光透射率为20%，太阳能反射率为18%；CG-8可见光透射率为8%，太阳能反射率为49%；CG-20可见光透射率为20%，太阳能反射率为39%；而低辐射LOW-E玻璃对红外、远红外线有较强的反射功能，一般在50%。当一个物体本身有较高温度时，它以远红外线向外辐射热量；严寒(寒冷)地区，白天太阳辐射热通过窗玻璃进入室内，被室内物体吸收(储存)，当太阳落山后，室内温度高于室外(还有室内采暖设备的热量)就以远红外线通过窗户向室外辐射，如果采用低辐射膜玻璃，白天将太阳辐射热吸收到室内(约90%)，晚上又能将远红外辐射部分反射回室内。因此，对不同热工设计分区的窗应选不同种类的镀膜玻璃，即冬季采暖为主地区，宜选用LOW-E玻璃，以夏季隔热为主的地区，宜选用阳光控制膜玻璃。

夏热冬暖地区太阳辐射强烈，太阳高度角大，必须充分考虑夏季隔热，可不考虑冬季防寒、保温。建筑能耗主要为室内外温差传热耗能和太阳辐射耗能，太阳辐射耗能占建筑能耗的大部分，是夏季得热的最主要因素，直接影响室内温度变化。因此，该地区应最大限度地控制进入室内的太阳能。选择窗玻璃，主要考虑玻璃的折射系数，尽量选择Sc较小的玻璃。一般而言，单片吸热玻璃或热反射玻璃、Low-E玻璃、Solar-E玻璃遮阳系数较小，能取得一定节能效果，但传热系数较大，节能效果有限。可选择中空玻璃，外片采用吸热玻璃、热反射玻璃、吸热的Low-E玻璃和Solar-E玻璃，内片采用透明玻璃、Low-E玻璃等。这样的组合(外片玻璃吸收绝大部分的太阳辐射热，而空气层将外片玻璃的热辐射阻挡在外而不对室内产生二次辐射和传热)遮阳系数小、传热系数低，是夏热冬暖地区的最好选择。

三 节能玻璃的主要种类介绍

按热工性能分，在玻璃原片中加一些元素，可制成吸热玻璃。在玻璃的一面镀膜可制成热反射玻璃、低辐射(Low-E)玻璃，目前试验出的真空玻璃重量比中空玻璃轻一半，厚度仅为中空玻璃的1/3～1/4，其保温隔热性能更优于中空玻璃。这些玻璃热工性能各不相同，差异很大。

1 吸热玻璃

组成中空玻璃的类型有：吸热玻璃、阳光控制膜玻璃、Low-E玻璃等。吸热玻璃通过本体着色减少太阳光热量的透过率、增大吸收率，从而减少太阳辐射热进入室内的程度。不同的颜色类型、不同深浅的吸热玻璃，都会使玻璃的SHGC值和可见光透过率发生很大改变。但各种颜色系列的吸热玻璃，其辐射率都与普通白玻璃相同，约为0.84。

对太阳辐射的吸收系数，不同的颜色有不同的透光率和吸热率，如8mm厚的茶色玻璃的总透射系数只有46.3%，这些颜色的玻璃又因为不同的掺杂含量而出现颜色的深浅变化，5mm的吸热玻璃其吸热率一般都在30%左右。所以在相同厚度的情况下，组成中空玻璃时传热系数K值是相同的。选取不同厂商的几种有代表性的6mm白玻，表1列出了各项节能特性参数。计算结果表明，吸热玻璃仅能控制太阳辐射的热量传递，不能改变由于温度差引起的热量传递。

表1 不同类型玻璃节能特性的对比

2 阳光控制镀膜玻璃

它是在玻璃表面镀上一层金属或金属化合物膜，膜色不仅使玻璃呈现丰富的色彩，而且更主要的作用就是降低玻璃的太阳得热系数SHGC值，限制太阳辐射热直接进入室内。不同类型的膜层会使玻璃的SHGC值和可见光透过率发生很大变化，但对远红外热辐射没有明显的反射作用，所以阳光控制镀膜玻璃单片或中空使用时，K值与白玻相近。

3 低辐射玻璃(Low-E玻璃)

Low-E玻璃是一种对波长范围4.5～25µm的远红外线有很高反射比的镀膜玻璃。在周围环境中，由于温度差引起的热量传递主要集中在远红外波段上，白玻、吸热玻璃、阳光控制膜玻璃对远红外热辐射的反射率很小，吸热率很高。吸收的热量将会使玻璃自身的温度提高，这样就导致热量再次向温度低的一侧传递。与之相反，Low-E玻璃可将温度高的一侧传递过来的80%以上的远红外热辐射反射回，从而避免由于自身温度提高产生的二次热传递，所以Low-E玻璃具有很低的传热系数。以耀华生产的在线Low-E玻璃为例，与其他类型玻璃的对比见表1。其中耀华Low-E组合成中空时，传热系数可以达到1.9W/(m2·K)，比普通的白玻中空K值降低了30%，并且Low-E中空玻璃的SHGC值和可见透过率可按照节能的需要在生产时进行调节，严寒地区使用时可采用可见光高透型的Low-E中空玻璃。

Low-E玻璃之所以节能，因为它有以下特性：一是红外线反射率高，可直接反射远红外辐射；二是表面辐射率低(≤ 0.15)，吸收外来能量的能力小，从而再辐射出的热量少；三是遮阳系数范围广，可根据需要控制太阳能的透过量，适应不同地区的需要。

红外线(热辐射)反射率高，表明反射热辐射的能力强，冬季可有效地阻止室内暖气和人体发出的热辐射散向室外；夏季可有效阻止室外道路及建筑物发出的热辐射进入室内，具有阻止热辐射直接透过的作用，Low-E玻璃的节能效果是冬暖夏凉。

4 Solar-E玻璃

它是一种特殊的低辐射玻璃，比Low-E玻璃有更好的太阳辐射隔绝能力，除具有低辐射性能外，还具有阳光控制性能。

5 中空玻璃

建筑节能用中空玻璃，在诸多的性能指标中，能用来判别节能特性的主要有传热系数K和太阳得热系数SHGC，建筑节能设计标准中，是通过限定K和SHGC组合条件来使窗户达到规定的节能效果。如K值越低，说明中空玻璃的保温隔热性能越好，在使用时节能效果越显著。太阳得热系数SHGC是在太阳辐射相同的条件下，太阳辐射能量透过窗玻璃进入室内的量与通过相同尺寸但无玻璃的开口进入室内的太阳热量的比率。玻璃的SHGC值增大时，意味着可有更多的太阳直射热量进入室内，减小时则更多的太阳直射热量被阻挡在室外。

中空玻璃由于两片玻璃之间形成了一定厚度并限制了流动空气或其他气体层，从而减少玻璃的对流和传导传热中，因此它具有较好的隔热能力。例如，由两片5mm普通玻璃和中间厚度为10mm的空气层组成的中间玻璃，在热流垂直于玻璃进行传递时对流传热、传导传热、辐射传热各占总传热的约2%、38%、60%，同时中空玻璃的单片还可采用镀膜玻璃和其他节能玻璃，能将这些玻璃的优点都集中到中空玻璃上。也就是说中空玻璃还可集本身和镀膜玻璃的优点于一身，从而发挥更好的节能作用，如用一层5mm厚、表面辐射率为0.2的低辐射玻璃和一层厚度为5mm的普通玻璃、空气层为9mm组成的中空玻璃其K值约2.1W/(m2·K)，而同样结构的普通中空玻璃K值为3.0W/(m2·K)，单层5mm普通玻璃K为5.9W/(m2·K)。

如果使用辐射率为0.08的低辐射玻璃并且将空气层中的空气用氩气置换，空气层的厚度选择12mm，其K值可达到1.4W/(m2·K)。如果在中空玻璃的外片选择热反射玻璃，它还具有控制太阳能的作用。

说到中空玻璃的传热系数，与玻璃的热阻(玻璃的热阻为1m2·K/W)和玻璃厚度的乘积有着直接关系。对具有12mm空气间隔层的普通中空玻璃进行计算，当两片玻璃为3mm白玻时，K=2.745W/(m2·K)，都为10mm白玻时，K=2.64W/(m2·K)，约降低了3.8%，且K值的变化与玻璃厚度的变化基本为线性关系。从计算结果也可以看出，增加玻璃厚度对降低中空玻璃K值的作用较小，8+12+8的组合方式比常用的6+12+6组合K值又降低了0.03W/(m2·K)，对建筑耗能的影响甚微，所以在下面的其他因素分析中将以常用的6mm玻璃为主。

图1 中空玻璃K值与玻璃厚度关系

当玻璃厚度增加时，太阳光穿透玻璃进入室内的能量将会随之减少，从而导致中空玻璃太阳得热系数降低。如图2所示，在由两片白玻组成的中空玻璃，单片玻璃厚度由3mm增加到10mm，SHGC值降低了16%；由绿玻(选用典型参数)+白玻组成中空玻璃，降低了37%。不同厂商、不同颜色的玻璃其影响程度有所不同，但同一类型中，玻璃的厚度对SHGC值影响较大，同时对可见光透过率的影响也很大。

图2 SHGC值与玻璃厚度关系

6 夹层玻璃

夹层玻璃是由两片或两片以上的玻璃，由中间层与玻璃牢固的韧性粘结合成的复合玻璃制品。中间层一般为透明的有机材料。夹层玻璃具有很高的抗冲击和抗贯穿性能。一般情况下，还能保持一定的可见度，从而起到安全防护作用。因此，又称为夹层安全玻璃。

夹层玻璃与一般的建筑玻璃相比，除了不褪色、光亮鉴人、抗风化性强、经久耐用、价格低廉等众多优点外，还具有独特的多功能性，因此，越来越广泛地应用在现代建筑设计中。夹层玻璃有几种优异功能：

(1)安全功能

夹层玻璃可减少碎片的散发以及对人体的伤害，即使在破裂的情况下，夹层玻璃仍能起到良好的保护作用。另外，用于建筑物中的玻璃，虽然都具有抗风能力，并符合建筑法规定的规定，但是这些玻璃仍有可能，甚至在遭受低于设计水平的风力情况下发生破碎。这是因为风中常夹有其他物质，撞击玻璃导致破碎。新型建筑夹层玻璃具有极好的抗风性能，即将在破碎的情况下，它仍然能保持完整，继续保护着建筑物的内部不受侵扰。

(2)保安功能

夹层玻璃可承受榔头、撬棒、砖头、切割工具的破坏，甚至还能抵挡炸药的巨大震动和防御子弹的穿透，这是一般玻璃不可能具有的。

(3)控制噪声功能

众所周知，建筑物中阻隔外界噪声的薄弱环节是窗户。由于声音是各种不同频率的声能混合。为了有效地达到控制噪声的目的，必须在一个宽广的频率范围内降低声级。声音频率在1000～2000Hz范围内，建筑夹层玻璃可非常有效地减少声音共鸣现象，从而创造一个对人体健康有利的声学环境。

(4)调节阳光的功能

采用建筑夹层玻璃可明显减弱阳光的照射，不仅可防止耀眼的眩光，而且也可将有害的紫外光拒之窗外。紫外光线是对建筑物内的家具、器具及物品等损害最为严重的光线，其波长为380nm以下。

建筑夹层玻璃可阻断紫外光线的透射，且对室内的花卉等植物生长均无副作用。因为这些植物的感光细胞吸收周围环境中波长为450nm、660nm和730nm的可见光，而这些光不会被夹层玻璃所阻断。

以调节阳光为目标的建筑夹层玻璃可用各种耐热、耐光的着色塑料膜来制造。

(5)结构功能

建筑夹层玻璃的强度是由许多因素决定的，如原片玻璃的类型、玻璃表面和玻璃边缘的情况、玻璃的几何形状、安装时的支承条件及玻璃在使用中的载荷特点等，影响夹层玻璃强度还有厚度、应用部位、长宽比及气候环境等因素。

在遭到正面冲力(例如风力时)，夹层玻璃弯曲应力和薄膜应力都将增大。当玻璃伸展以适应风的冲力时，就会使薄膜产生作用力。

新型SGP夹层玻璃在玻璃采光顶和玻璃外窗、幕墙应用前景广阔、良好。特别是夹胶节能玻璃，它的SGP膜能与金属有着很好的粘结力，可与在线Low-E玻璃结合而成为夹胶节能玻璃，既有防飞溅的安全性，又有Low-E玻璃的节能性，有望替代Low-E中空玻璃。

7 普通透明玻璃

普通透明玻璃对可见光和近红外波段透射率超过80%，单片透明玻璃的遮阳系数Sc为0.99，意味着对阳光辐射抵抗能力很差，在透过可见光的同时，绝大部分太阳辐射热透过玻璃进入室内。同时，其热阻力小，传热系数较大，3mm厚的透明玻璃传热系数在6.0W/(m2·K)以上。从节能的角度考虑，使用透明玻璃，夏季制冷和冬季采暖会耗能较大。

8 真空玻璃

真空玻璃是目前节能效果最好的玻璃。真空玻璃是将间隙为0.1～0.2mm的两块玻璃的四周密封，然后抽成真空，真空度要达到并保持在0.1Pa以上，从而使玻璃与玻璃之间的传导热接近于0，由于真空玻璃消除了气体对流传热和传导传热，因此其保温隔热性能良好。经测试，用3mm浮法玻璃制造的普通真空玻璃的传热系数可达到2.23W/(m2·K)，而用5mm普通浮法玻璃制造的中空玻璃的传热系数为3.09W/(m2·K)(5F+12A+5F)。用低辐射膜玻璃制造的真空玻璃的传热系数可达到1.33W/(m2·K)(4L+0.12+4F)，而用低辐射膜玻璃制造的中空玻璃的传热系数为1.96W/(m2·K)(5F+12A+5L)和 2.20W/(m2·K)(8F+9A+8L)。

日本已建成真空玻璃生产线，年产真空玻璃达到50万m2。我国新立基技术有限公司建成生产试验线，生产600mm×1500mm的真空玻璃产品，中国建筑科学研究院和北京新立基真空玻璃研究所对其产品的隔热性能进行了测定(见表2)。

表2 几种真空玻璃的热导

从表2可以看出，真空玻璃的保温隔热性能优于中空玻璃的保温隔热性能。

有关真空玻璃在建筑节能中的效果方面，中国建筑科学研究院以实测热阻为依据，对建筑物上采用真空玻璃的节能效果进行计算。表3为砖混结构通用设计能耗指标计算结果列表，同时也列出了采用其他玻璃的计算结果。

从表3可以看出，真空玻璃窗的传热系数，以双面低辐射真空玻璃传热系数最小。真空玻璃的传热耗热占建筑物总耗热的比例比双玻璃窗减少了7.4%，建筑物节能率提高了6.5%。以10000m2建筑物为例，采用真空玻璃塑钢窗每年可以节约暖能耗相当于1220t标准煤。由此可见，真空玻璃提高了窗户保温隔热性能，为建筑大幅度节能创造了条件。

表3 北京地区80住-2-4砖混建筑窗户耗热计算结果

四 玻璃节能评价的主要参数

自然界中热量的传递通常有对流、辐射和传导三种形式。由于玻璃是透明材料，通过玻璃的传热除了上述三种形式外，还有太阳能量以光辐射形式的直接透过。衡量通过玻璃进行能量传播的参数有热传导率即K值(在美国成为U值)、太阳能透过率、遮敝系数、相对热增益等。

1 热能传送参数——K值

K值表示的是在一定条件下热量通过玻璃时，在单位面积(通常是1m2)、单位温差(通常指室内温度与室外温度之差1℃或者1K)，单位时间(1s)内通过玻璃所传递热量的焦耳数。单位通常是W/(m2·K)。K值是玻璃的传导热、对流热和辐射热的函数，它是这三种传热方式的综合体现。玻璃的K值越大，它的隔热能力就越差，通过玻璃的能量损失就越多。

2 太阳能传递参数

通过玻璃传递的太阳能其实有两部分：一是太阳光直接透过玻璃而通过的能量；二是太阳光在通过玻璃时，部分能量被玻璃吸收转化为热能，该热能中的一部分又通过传导和辐射的形式进入室内。通常用三个概念来定义。

(1)太阳能透过率

太阳光以正常入射角通过玻璃直接传递的能量占太阳光总入射量的百分数。

(2)太阳能总的透过率

太阳光直射透过玻璃进入室内的能量与太阳光被琉璃吸收转化为热能后二次进入室内的能量之和占太阳光总入射能的百分数。

(3)太阳能反射率

太阳光被所有表面(单位玻璃有两个表面，中空玻璃有至少四个表面)反射后的能量占太阳光总入射能的百分数。

3 遮敝系数

遮敝系数是相对于3mm无色透明玻璃而定义的，它是以3mm无色透明玻璃总的太阳能透过率视为1时(3mm无色透明玻璃的总太阳透过率是0.87)其他玻璃与其形式的相对值，即玻璃的总太阳能透过率除以0.87。

4 相对热增益

用于反映玻璃综合节能的指标是相对热增益。它是指在一定条件下即室内外温度差8℃、透过单位面积(通常为1m2)、玻璃处于地球纬度30¡处海平面、被检测玻璃相对于3mm透明玻璃，太阳能透过玻璃而进入室内的热量与室外传导到室内热量之和。也就是室内温差在8℃ 时透过玻璃的传热加上地球纬度为30¡太阳的辐射热628W/m2与遮敝系数Sc的积。也可表示为相对热增益等于夏季U值(W/m2·K)×8(℃)+遮敝系数×628(W/m2)。相对热增益越大，说明在夏季外界进入室内的热量越多，玻璃的节能效果越差，这项指标可作为低纬度地区选择节能玻璃的比较指标，它只有在夏季玻璃使用时才更有意义。对于玻璃真实的热增益是由建筑所处的地球纬度、季节、玻璃与太阳光所形成的夹角及玻璃的性能共同决定的。影响热增益的因素主要是玻璃对太阳能的控制能力即遮敝系数的隔热能力。

相对热增益特别适合于衡量低纬度且日照时间较长地区向阳面玻璃的适用情况，因为该指标反映的是室外温度高于室内温度时室外热流流向室内且太阳能量也同时进入室内的情况下而给定的。

近年来有一些科研和生产单位研发了太阳能玻璃。多功能太阳能节能玻璃具有隔热、发电、自动清洁三种功能，被业界称为“奇迹玻璃”。这种玻璃由半导体层、真空层和隔热层三种结构组成，其中的半导体片可吸收自然70%热能，安装于建筑上夏季可节约整体房屋50%的电能损耗，冬季可节约30%的暖气供应。

[1] 何水清, 魏德林. 节能玻璃品种及选择与节能玻璃评价主要参数分析[J]. 门窗, 2007, (8): 11－17.