Low-E 节能玻璃性能分析及应用(蔡法清,信义玻璃技术经理)

Low-E节能玻璃性能分析及应用
蔡法清，信义玻璃工程（东莞）有限公司技术经理
关键词：气候区、节能玻璃、隔热系数、遮阳系数
1 气候区域划分
根据GB50176-93《居用建筑热工设计规范》，我国气候分五个区域：严寒地区，寒冷地区，夏热冬冷地区，夏热冬暖地区，温和地区。

1.1 严寒地区和寒冷地区
严寒地区一月份平均气温低于-10℃，寒冷地区一月份平均气温在-10℃，累年日平均温度低于或等于5℃的天数，一般都在90天以上，部分地区最低温度可达-20℃以下。

我国严寒和寒冷地区主要包括东北、华北和西北地区。

典型的城市有齐齐哈尔、哈尔滨、沈阳、北京、天津、长春、呼和浩特、太原、石家庄、银川、乌鲁木齐，本文中详细论述沈阳及北京的情况。

1.2 夏热冬冷地区
夏热冬冷地区一月份平均温度小于10℃，最低也能达到-5℃，七月份平均温度高达28℃，最高温度可达38℃，冬夏两季漫长，春秋两季过渡不明显，日照充足。

大致范围分布在陇海线以南，南岭以北，四川盆地以东的长江中下游地区。

典型的城市有上海、杭州、武汉、长沙、南昌，本文具体论述上海的情况。

1.3 夏热冬暖地区
夏热冬暖地区一月份平均气温在10℃，七月份平均气温25~29℃，最高温度可达40℃，年平均温度高达20℃，夏长冬短，春秋季不明显，全年日照充足。

主要分布在南岭以南的华南地区，典型城市有广州、深圳、厦门、海口，本文将详细论述广州的情况。

1.4 温和地区
温和地区一月份平均气温0~13℃，七月份平均气温18~25℃，全年平均温度在15℃左右，夏天很少超过30℃，四季如春，分布在云南贵州一带，典型的城市：昆明。

2 节能玻璃
无论商用大厦还是民用住宅，大面积的玻璃幕墙应用已经成为现代建筑的一个时尚。

这大大增加了制冷制热的费用，中国建筑能耗已经达到全社会总能耗的27%。

针对我国复杂的气候情况，我们开发了多种不同的节能玻璃可以有效地减低制冷制热费用，同时提供一个良好居住的环境。

2.1 节能玻璃参数及其意义
在使用节能玻璃的同时，面对一大堆的参数，而又不知道其中意义，或对这些概念有一定的误解，单方面地注重某一个特定参数。

在下面对一些节能玻璃应用中经常用到的参数做详细的解释。

2.1.1 隔热系数U值
● 辐射率e值：玻璃表面的热辐射率，决定玻璃表面的对热辐射线的吸收及本身辐射热辐射的能力，一般的离线Low-E玻璃的辐射率低于0.15，大部分都在0.1左右，而在线Low-E标称值为0.25，实际上更高，已经不能称为低辐射玻璃了。

● 热绝缘系数R值：玻璃系统的热绝缘系数，是玻璃系统阻隔因温度差引起的热量流动的能力，包括玻璃系统本身的热阻及不同物质之间的界面换热绝缘系数，其中界面换热系数跟材料本身热绝缘系数，气体对流情况及材料表面的辐射率有很大关系，其计算方法跟电阻类似。

当玻璃系数由几个串联的物体组成时，热绝缘系数最大的物体决定整个系统的热绝缘系数，这就是中空玻璃的保温性能大大优于普通单片玻璃的原因，非流动的空气热绝缘系数比玻璃大得多。

还有一种情况是系统由几个并联的物体组成，其中热阻最小的物体决定整个系统的热阻，在墙体上安装的普通玻璃会导致整个系统的热阻降低，节能性变差。

● 隔热系数U值：隔热系数U值是热绝缘系数R的倒数。

R值越大，U值越少，玻璃系统的性能越优秀。

现在一般厂家的宣传册上给出的U值都是根据NFRC2000标准外界条件计算出的。

在欧洲和中国用K值表示，只是外部标准条件不一样，但同样表示玻璃系统的隔热性能。

图2.1.1-1一月份中国平均气温分布图图2.1.1-2七月份中国平均气温分布图
从图2.1.1-1一月份中国平均气温分布图和图2.1.1-2七月份中国平均气温分布图中看出，三北地区一月份大部分都处于0℃以下，更有极端的东北地区在-35℃以下。

七月份三北地区很大部分也在20℃以下，四川西南部分地区仍处于5℃左右。

因此在这些地区需要很低隔热系数的玻璃，防止室内热量流失。

在中国南方地区全年大部分时间都处于25℃以上，因此这些地方也很低隔热系数的玻璃，防止外部热量流入室内。

因此U值越低越好。

2.1.2 遮阳系数SC值
●太阳光辐射透过率Tsol值：指波长为250nm到2500nm的太阳光直接透过玻璃与总辐射量的对比。

由少量的紫外线，47%的可见光，51%近红外组成，是环境热量的主要来源。

● 太阳辐射得热系数g值(SHGC)：是指通过玻璃系统太阳光能量的与总太阳辐射的比，除直接之外还加上吸收再向室内散发的热量。

所以其值大于Tsol值：g = t + a x i，其中τ为直接透过率，a为吸收率，a=1-τ-r ，i为向室内散发的比例，其值小于1。

● 遮阳系数SC值：指玻璃系统与没有采取任何遮阳的3mm白玻的遮阳方面的对比，取3mm白玻的太阳辐射得热因子（SHGF）为0.87，即
从图2.1.2-2年日照时间分布图中可以看出
我国除湖南四川贵州部分地区外，大部分地区
日照还是比较充足的，在中国的三北地区日照
时间还要高于低纬度的南方地区，但南方地区
日照强度大于三北地区。

因此，遮阳是必须考
虑的，特别是南方地区。

一般情况下，北方制
热支出占节能的支出的大部分，所以只考虑冬
天制热问题，因此需要高的遮阳系数使阳光尽
量地进入室内以减少制热支出。

而在南方地区
则刚好相反，而在夏热冬冷的长江中下游地区
则要在遮阳上取一个最恰当的点，使节能支出最小。

图2.1.2-2年日照时间分布图
2.1.3 可见光透过率V T
指玻璃系统在波长为380nm到波长为780nm之间的直接透过与人眼明视觉光谱光视效率加权积分与直接辐射与人眼明视觉光谱光视效率加权积分比值，人眼对波长为550nm左右的黄绿光最为敏感。

图2.1.3-1 光谱光视效率分布如下：
计算公式如下：
其中Dλ为标准光源分布，τλ为玻璃系统在波长λ的透过，V（λ）为在λ光视效率。

● 在欧美一般都要求玻璃有高的透过率，良好的自然采光，而不考虑视线遮蔽效果。

● 而在国内，一般更注重视线遮蔽效果。

使玻璃整体上看上去一致，不能因透过率过高而被外部看到室内情况导致大楼整体效果破坏，所以不宜单纯追求过高的透过率。

2.2 节能玻璃种类和特点
节能玻璃多种都样，发展历史从最简单的吸收玻璃到现在的光谱可选择性的低辐射玻璃。

下面简单介绍一下各种玻璃
2.2.1 吸收玻璃（abs）
在玻璃中添加一些金属离子或某些物质，使玻璃曾现出一些颜色，加强对光线的吸收。

也降低阳光直接辐射，起到一定的节能效果。

但存在着很大的缺点：
● 着色玻璃对阳光范围内没有选择性，在降低阳光的透过的同时也降低可见光透过。

● 其玻璃表面跟普通玻璃一样，没有任何低辐射，吸收的热量没有任何遮拦地散到室内，因此使遮阳效果大打折扣，而且在冬季其性能还不如普通白玻。

● 在夏天由于大量吸热玻璃本身温度会升高发烫，温度可高达50℃，本身辐射率高，会引起人的不适感。

2.2.2 反射玻璃（SC）
在玻璃表面镀金属薄膜及一些干涉层，使玻璃制品能反射更多的太阳辐射，以达到遮阳的效果，并具有丰富的颜色。

● 但热反射玻璃同着色玻璃一样，不具备光谱选择性，在降低太阳辐射的同时也降低了可见光透过。

而且在近红外部分透过有上升趋势，
● 表面辐射率比较高，隔热效果差
● 部分产品夏天时温度高，不具备低辐射特性，会引起人的不适感。

2.2.3 低辐射玻璃（Low-E）
一般在其表面镀一层高电导率的金属，如Ag，降低表面热辐射率，形成低辐射玻璃，又称Low-E玻璃。

低辐射玻璃同反射玻璃最大区别是具有光谱选择性，它能够在降低太阳辐射透过的同时，保持很高的可见光透过率。

有这么几种常见的Low-E玻璃：
● 传统高透Low-E玻璃（LE）：具有高的可见光透过率，高的阳光透过率，适合北方采热地区使用。

● 遮阳型Low-E玻璃（SE）：有遮阳效果，同时可见光透过降低，适合南方炎热地区使用。

● 双银Low-E玻璃（DLE）：有遮阳效果，同样的遮阳双银Low-E玻璃其透过率比单银Low-E玻璃高，适合南方炎热地区使用
● 可钢化Low-E玻璃：与前三种概念交叉，改善膜层理化性能，可再进行热处理。

2.2.4 性能对比
● 光线冷暖指数：指透过玻璃系统的阳光给人体的感受，计算公式为：
Dx值越低透过玻璃系统的阳光可见光部分越多，给人感觉越凉快。

在某些资料出现光热比概念（LSG，Light to Solar Gain ratio），与Dx刚好相反，但同为衡量一种玻璃性能而引入，数值上相反LSG越大透过玻璃系统的阳光可见光部分越多。

图2.2.4-1
图2.2.4-2从图2.2.4中可以看出：● 全部Low-E玻璃Dx在1.0线以下，其中以双银Low-E最低，低达0.6
● 高透Low-E和遮阳Low-E在0.85左右。

遮阳系数随透过率变化比较大，调节相当有限。

● 白玻原片，着色玻璃，热反射玻璃Dx大于1.0，低的遮阳系数是是以牺牲可见光透过为基础的。

● 其中有个紫色的点落到1.0以下，这个特殊的点是6mm的绿玻，由于其特殊性质，其太阳光谱的透过曲线前部分与Low-E类似，在短红外有很大吸收率，是一种很好的低辐射镀膜原片。

3 实例分析
3.1 沈阳
3.1.1 气候分布图
气候特点：沈阳地处欧亚大陆东岸，中纬度地带，气候类型属于温带大陆性季风气候。

主要特点是：冬冷夏暖，寒冷期长；全年日照充足，比较平均，四季分明。

年平均气温为8.1℃,冬季寒冷,平均气温-9.1℃。

最低气温≤0的日期平均为51天，寒冷期较长。

冬季极端最低气温为-30.6℃(出现在55年1月2日)，夏季平均气温22.3℃极端最高气温为38.3℃(出现在52年7月18日)，但高温时段一般持续较短，而且昼夜温差较大，所以感觉并不炎热
3.1.2 分析
由于可以不考虑夏天制冷问题，所以遮阳对节能并不重要，所以只考虑U值，在下面中选择单银低辐射玻璃和双银低辐射玻璃，但是在冬天阳光比较充足，因此高的遮阳有利于减少冬天制热费用，而双银虽然有低的U值，但其遮阳系数Sc比较低，其性能效果相消，因此只有通过模拟计算结果才能判断其性能。

3.1.3 结果
选择房子模型建筑面积为60m2，墙体面积为180m2，采用高绝热性材料，窗户面积86m2占总墙体面积的48%，每个面12%，计算采用NFRC2001标准，冬季室内温度为21℃，夏季室内温度为24℃。

见表1：Flo为单片6mm 浮法，“+”号表示中空，ABS表示着色玻璃，LE表示低辐射，DLE表示双银，Ar表示充氩气。

● 如不考虑短暂的夏季制冷，因冬季阳光的作用，则高透单银低辐射充氩气中空玻璃节能性最好，达到51%，结果跟预想的一样。

● 其中有色玻璃由于阻碍阳光进入，其性能还不如白玻中空，说明阳光在冬季制热比较重要，北方严寒地区不宜采用单片绿玻，由于其对阳光吸收率过高。

● 冲氩气中空玻璃节能性比没有冲氩气优秀3-5%个点，
3.1.4 结论
中国北方严寒地区最宜采用高透的冲氩气的低辐射玻璃中空玻璃，部分辐射不足的地区可以选用更低辐射率双银或低透的单银低辐射玻璃，如果考虑视线遮蔽效果可适当降低透过率，以达到理想效果。

3.2 北京
3.2.1 气候分布图
3.2.2 北京气候特点
北京属于典型的温带大陆性季风气候，年平均气温11.7℃。

冬季寒冷漫长，冬季长达5个月，平均温0℃以下有3个月（12月—2月）极端最低气温平原为-27.4℃。

夏季月平均温都在24℃以上。

极端最高温多出现在6月份，盛夏7月，是全年最热月份，平均温接近26℃，高温持久稳定，昼夜温差小，多雨。

全年日照比较充足，也比较平均。

3.2.3 分析
北京虽处华北地区，属于气候5大区的寒冷区，只考虑冬季取暖，但实际在夏天温度太高，需要高昂的制冷费用，所以以取暖为主，兼顾夏天制冷。

所以采用三种低辐射玻璃：高透低辐射，遮阳低辐射，双银低辐射。

3.2.4 结果
选择房子模型建筑面积为60m2，墙体面积为180m2，采用高绝热性材料，窗户面积86m2占总墙体面积的48%，每个面12%，计算采用NFRC2001标准，冬季室内温度为21℃，夏季室内温度为24℃。

● 模拟结果表明，夏季制冷费用大概只占25%。

● 由于平均日照时间长，冬季采暖阳光辐射尤其重要，比起沈阳，北京更适合用高透的低辐射玻璃。

● 热反射不但没有节能性，反而障碍阳光进入。

增加冬季的取暖费用。

Hle表示高透Low-E。

3.2.5 结论
中国华北寒冷地区，适宜采用高透Low-E玻璃，在一些日照时间并没有北京长的地方最好采用双银Low-E玻璃。

如果考虑夏季舒适性，则采用双银Low-E玻璃，可以降低夏季阳光辐射带来的不舒适感，而且在节能性上与高透Low-E玻璃相当。

如考虑视线遮蔽，则只能牺牲部分性能，采用低透和更低辐射率的单银Low-E玻璃或双银Low-E 玻璃。

3.3 上海
3.3.1 气候分布图
3.3.2 气候特点
上海属北亚热带季风气候，温和湿润，春秋较短，冬夏较长，年平均气温16℃左右。

一年四季变化分明是上海气候的特征。

冬、夏长，春、秋短，冬天约有126天，夏天约有110天，春、秋两季相加约130天。

7、8月份气温
最高，月平均约28℃；1月份最低，月平均约4℃。

冬天寒冷，夏天炎热，全年日照不足，并集中在夏季，春秋冬不足。

3.3.3 分析
由于其气候的特殊性，高温和日照时间曲线峰值重叠的，所以只考虑夏天遮阳和冬天的隔热系数即可，因此我们要求低的隔热系数和较低的遮阳系数，采用Low-E玻璃。

3.3.4 结果
选择房子模型建筑面积为60m2，墙体面积为180m2，采用高绝热性材料，窗户面积86m2占总墙体面积的48%，每个面12%，计算采用NFRC2001标准，冬季室内温度为21℃，夏季室内温度为24℃。

见表3，sdle表示遮阳型双银。

● 单片热反射玻璃只是在夏天的时候表现出其优越的性能，节能达50%，但其中冬天极差，而且透过率很低，不能达到使用的要求
● 双银Low-E和阳光控制Low-E的性能总体性能跟高透Low-E类似，但由于遮阳系数太高，在夏天会有烘烤感，因为气候数据取自2000以前，现在气温偏高，所以不适合用高透Low-E玻璃。

● 双银Low-E玻璃和阳光控制Low-E玻璃节能性能相当，但透过率不同，根据需要选择。

● 性能最好的玻璃辐射率极低的遮阳双银Low-E玻璃。

3.3.5 结论
中国夏热冬冷地区，宜选用最低的U值，所以最好的充惰性气体中空玻璃。

遮阳系数在0.25-0.45之间，基本上有很多品种的Low-E玻璃都符合使用要求，颜色和透过率选择性比较大。

具体个别城市气候差别比较大，宜具体分析选择性能最好的玻璃。

3.4 广州
3.4.1 气候分布图
3.4.2 气候特点
年平均气温为21.4-21.9℃，最热的7-8月，平均气温28.0-28.7℃，极高温38.7℃；最冷为1月，平均气温12.4-13.5℃，广州地处低纬,地表接受太阳辐射量较多，但平均日照时间比较短，年内太阳辐射以2月到4月最低，7月到1月比较高。

3.4.3 分析
炎热地区只考虑夏天遮阳问题及夏天隔热系数，采用Low-E玻璃。

3.4.4 结果
选择房子模型建筑面积为60m2，墙体面积为180m2，采用高绝热性材料，窗户面积86m2占总墙体面积的48%，每个面12%，计算采用NFRC2001标准，冬季室内温度为21℃，夏季室内温度为24℃。

● 传统的高透Low-E玻璃已经不适合炎热地区，如果需要高的透过率只有采用双银Low-E玻璃。

●单片热反射可以使用，有一定的节能效果，但可见光透过极低，自然采光差，玻璃温度高给人不舒适感。

● 性能最好的玻璃是，最优异的节能效果，良好的视线遮蔽效果的阳光控制Low-E玻璃。

● 充惰性气体效果不明显，不推荐。

3.4.5 结论
中国炎热地区可以采用单片热反射玻璃，遮阳系数越低越好，如要求比较好的采光可采用双银Low-E玻璃，要求并不高，并要求有遮蔽效果可采用遮阳型Low-E玻璃，效果最好的为遮阳双银Low-E玻璃，有一定的自然采光和视线遮蔽效果。

3.5 其他
温暖地区：如春城昆明，冬无严寒，夏无酷暑，四季如春，年平均温度15℃，冬季平均温度8-9℃，夏天平均温度18-19℃。

但昼夜温差大，特别是冬春两季，在夏天也有一雨便成冬的感觉。

所以昆明宜采用隔热性能好，遮阳系数适中的Low-E中空玻璃，这样即使昼夜温差大也可以保证室内温度恒定。

遮阳系数也不宜过高，考虑夏天会造成过热；但也不能太低，阳光还是主要的热量来源，可以在白天吸收热量晚上释放，减少加热支出。

西北地区：由于比较干燥，植被少，气候调节能力差，导致冬天严寒，夏天酷暑，昼夜温差极大，白天炎热，晚上寒冷，宜采用高隔热性能的玻璃制品，防止室内温度波动过大，低的遮阳系数，防止白天阳光直射。

所以遮阳Low-E 玻璃是最佳选择。

4 结论
由于模拟计算的气候统计数据是1971年到2000年的平均数据，跟全球气候变高可能有点出入。

现代节能玻璃的隔热系数可以达到墙体相当的水平，并且其在太阳光热利用方面比较有优势。

根据我国具体情况不同，模拟分析计算得出最佳配置，并且在同一气候区不同气候的城市也要详细分析。

可以具体根据某一特点地点的房型，气候，经济估算节能支出的收回年限
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