楊建溥 劉國東

（1. 中國玻璃控股有限公司 威海 264200；2. 中國建筑玻璃與工業(yè)玻璃協(xié)會(huì) 北京 100037）

0 引言

GB/T 51350—2019 《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》已發(fā)布，超低能耗建筑和零能耗建筑分別被定義為近零能耗的初級(jí)和高級(jí)表現(xiàn)形式，對(duì)建筑外窗提出了更加明確的節(jié)能要求。源自德國的被動(dòng)式超低能耗建筑（被動(dòng)房）引領(lǐng)了近零能耗建筑的技術(shù)發(fā)展。被動(dòng)房由于其舒適、節(jié)能效果顯著而被市場所接受。北京、河北、山東、遼寧、江蘇、湖南、內(nèi)蒙古、青海、黑龍江、福建等地已建100多萬平米，涉及居住、辦公、旅館、紀(jì)念館、工廠、學(xué)校、幼兒園、工廠等［1］。

因室內(nèi)外的環(huán)境對(duì)Low-E膜層的耐磨性和耐酸堿性要求非常高，被動(dòng)房用三玻兩腔中空玻璃一般將Low-E膜布置在中空腔室內(nèi)，避免直接暴露于室外或室內(nèi)空氣中。

1 Low-E玻璃節(jié)能原理

低輻射鍍膜玻璃是通過物理或化學(xué)方法在玻璃表面鍍制具有低輻射率性能的薄膜制成的，簡稱低輻射玻璃，英文為Low Emissivity Coating，因此也稱Low-E玻璃。目前商業(yè)化制造Low-E玻璃有兩種成熟工藝技術(shù)，即采用物理方法的真空磁控濺射工藝和采用化學(xué)方法的化學(xué)氣相沉積工藝。

Low-E玻璃最重要的特性是節(jié)能，以輻射率來表現(xiàn)，輻射率越低，其節(jié)能性能越好。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18915.2—2013《鍍膜玻璃 第2部分：低輻射鍍膜玻璃》規(guī)定：離線低輻射鍍膜玻璃輻射率應(yīng)小于0.15；在線低輻射鍍膜玻璃輻射率應(yīng)小于0.25。目前被動(dòng)房市場應(yīng)用的高透型凈色Low-E產(chǎn)品，離線單銀Low-E的輻射率介于0.07～0.15，在線Low-E的輻射率介于0.16～0.20。

Low-E玻璃對(duì)節(jié)能的貢獻(xiàn)從兩個(gè)方面體現(xiàn)，一是Low-E膜可以減少玻璃兩側(cè)因溫差而引起的熱量傳遞（即溫差傳熱），另一方面Low-E膜能有效阻隔太陽輻射，從而限制太陽照射透過玻璃的輻射熱能（即輻射傳熱）。在實(shí)際應(yīng)用中，Low-E玻璃一般被制成中空玻璃、真空玻璃等結(jié)構(gòu)使用。三玻兩腔中空玻璃的熱工性能示意見圖1，該玻璃的配置及參數(shù)見表1，編號(hào)規(guī)則見圖2。

表1 配置及參數(shù)

2 中空玻璃傳熱系數(shù)

室內(nèi)外之間通過玻璃的溫差傳熱分為三個(gè)步驟：①室外空氣與玻璃表面交換的熱量，簡稱“室外換熱”；②透過玻璃本體傳遞的熱量，簡稱“玻璃傳熱”；③室內(nèi)空氣與玻璃表面交換的熱量，簡稱“室內(nèi)換熱”。

以往僅在玻璃本體即“玻璃傳熱”上想辦法，例如做成中空、真空玻璃并在內(nèi)部玻璃表面上鍍膜等，這些技術(shù)手段只能降低“玻璃傳熱”。單腔中空玻璃的充氣層厚度超過一定數(shù)值后（一般12～15 mm），因氣體定向環(huán)流傳熱量增多而導(dǎo)致傳熱系數(shù)U值升高。如果插入一片玻璃或其他板材分隔氣體層就可以限制氣體環(huán)流傳熱，疊加后充氣層的總厚度可以很大，既能增加氣體總熱阻又降低了環(huán)流傳熱量，這就是多腔中空的優(yōu)勢。

被動(dòng)房普遍使用三玻兩腔中空玻璃，一般采用兩Low-E或三Low-E的配置方案，離線Low-E因輻射率更低被普遍采用。

3 降低中空玻璃傳熱系數(shù)的途徑

要想降低室內(nèi)外空氣與玻璃表面之間的換熱量，即降低“室外換熱”和“室內(nèi)換熱”，也可采用鍍Low-E膜降低表面輻射率實(shí)現(xiàn)。因室外的環(huán)境對(duì)膜層的耐磨性和耐酸堿性要求非常高，目前的技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來有難度，故暫不考慮在室外換熱上做文章，但是可用室內(nèi)面鍍Low-E膜減少室內(nèi)換熱。與原來僅靠“玻璃傳熱”的貢獻(xiàn)降低傳熱系數(shù)U值相比，“玻璃傳熱”加“室內(nèi)傳熱”共同貢獻(xiàn)來降低U值，其優(yōu)點(diǎn)在于既不改變玻璃結(jié)構(gòu)又不增加玻璃重量，但可以進(jìn)一步降低U值。

在線Low-E的優(yōu)點(diǎn)之一：在高溫玻璃表面制成的膜與玻璃結(jié)合牢固、耐劃傷，因此也稱為“硬鍍膜”，可單片使用。與此相反，采用金屬銀作為功能層的離線Low-E的缺點(diǎn)之一：膜層硬度差、不耐腐蝕，因此也稱為“軟鍍膜”，不可單片使用。

因此，無論從理論還是現(xiàn)有技術(shù)條件，室內(nèi)面采用在線Low-E膜來降低U值都具有可行性，三玻兩腔Low-E中空玻璃的U值對(duì)比見表2。

表2 三玻兩腔Low-E中空玻璃U值對(duì)比

從表2可以看出，配置2、配置3相比配置1增加了一片Low-E膜，但位置不同。配置2在5#面增加輻射率0.11的離線Low-E膜，U值下降了0.04 W/m2折合5%，配置3在6#面增加輻射率0.18的在線Low-E膜，雖然其輻射率遠(yuǎn)高于離線Low-E，但U值下降了0.10 W/m2折合12.5%。從模擬計(jì)算結(jié)果看，室內(nèi)面增加Low-E膜對(duì)中空玻璃U值的降低是非?？捎^的。

4 熱舒適性

熱舒適是人對(duì)周圍熱環(huán)境所做的主觀滿意度評(píng)價(jià)（ISO 7730）。分析某一熱環(huán)境是否舒適有三個(gè)方面：①物理方面：根據(jù)人體活動(dòng)所產(chǎn)生的熱量與外界環(huán)境作用下穿衣人體的失熱量之間的熱平衡關(guān)系，分析環(huán)境對(duì)人體舒適的影響及滿足人體舒適的條件。②生理方面：研究人體對(duì)冷熱應(yīng)力的生理反應(yīng)如皮膚溫度、皮膚濕度、排汗率、血壓、體溫等并利用生理反應(yīng)區(qū)分環(huán)境的舒適程度。③心理方面：分析人在熱環(huán)境中的主觀感覺，用心理學(xué)方法區(qū)分環(huán)境的冷熱與舒適程度［2］。本文僅對(duì)人體皮膚與玻璃之間因物理方面的熱傳遞導(dǎo)致的熱舒適性差異進(jìn)行研究。

建筑節(jié)能設(shè)計(jì)所強(qiáng)調(diào)的是對(duì)建筑能耗的降低，也就是針對(duì)建筑維持室內(nèi)物理環(huán)境視野水平所需要的設(shè)備運(yùn)行耗能，由此也引出了被動(dòng)式設(shè)計(jì)，包括自然通風(fēng)、天然光利用等策略，其定的潛在目標(biāo)為建筑的零能耗。相對(duì)應(yīng)的，以舒適為目標(biāo)的設(shè)計(jì)集中在建筑使用者的感受上，最為典型的設(shè)計(jì)類型是基于健康設(shè)計(jì)目標(biāo)的尋證設(shè)計(jì)，其設(shè)定的潛在目標(biāo)為建筑使用者的舒適和滿意度。放大二者的設(shè)計(jì)目標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)：一個(gè)是能耗最小化，一個(gè)則為舒適最大化。如果將二者放置在建筑表皮的關(guān)聯(lián)中，很容易發(fā)現(xiàn)表皮材料的特征在節(jié)能與舒適的矛盾關(guān)系中發(fā)揮著非常重要的平衡作用［2］。

被動(dòng)式房屋的評(píng)價(jià)體系包含用一次能源表示的“實(shí)際能耗”和“室內(nèi)舒適度”兩套指標(biāo)［1］。菲斯特教授在《德國被動(dòng)房設(shè)計(jì)和施工指南》一書中指出“整窗傳熱系數(shù)小于0.85 W/（m2·K）， 是基于內(nèi)表面平均溫度在設(shè)計(jì)條件下要高于17 ℃”，稱之為“熱舒適度準(zhǔn)則”。此準(zhǔn)則明確指出，外窗傳熱系數(shù)是由內(nèi)表面平均溫度來確定的。研究表明，在室內(nèi)空氣溫度為20 ℃， 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度高于17 ℃時(shí)，人體才不會(huì)感受到明顯的來自圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷輻射。也就是說，外窗的傳熱系數(shù)指標(biāo)要能保證在所處的環(huán)境下外窗內(nèi)表面平均溫度不低于17 ℃，才能達(dá)到被動(dòng)式超低能耗建筑的熱舒適度要求［3］。

研究與表2相同的三種配置中空玻璃的熱舒適性，相關(guān)參數(shù)見表3，t6的位置見圖2。

表3 三玻兩腔中空玻璃熱舒適性相關(guān)參數(shù)對(duì)比

從表3可以看出，單純從玻璃室內(nèi)面t6溫度的高低來判斷熱舒適性，配置3的溫度值是最低的，熱舒適性也應(yīng)該是最低的，但實(shí)際情況并非如此。熱舒適性實(shí)際是人體皮膚表面與室內(nèi)環(huán)境熱傳遞的感受，熱傳遞的途徑有三種：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。由于人體與玻璃一般相距在幾十厘米以上，傳導(dǎo)和對(duì)流可以認(rèn)為是近似不變的，只有熱輻射與熱舒適性相關(guān)。

將人體皮膚表面簡化為平板，與玻璃平行，可以粗略估算研究人體與玻璃之間的輻射傳熱。兩平行表面之間的輻射傳熱可由式（1）計(jì)算：

表4 人體與玻璃輻射傳熱

從表4可以看出，配置Ⅱ的單位面積輻射傳熱僅相當(dāng)于配置Ⅰ的26%，也就是說，人體皮膚感受到的熱量散失是大幅度減少的，熱舒適性更佳。

5 結(jié)語

在線Low-E膜具備暴露在空氣中使用的條件，通過三玻兩腔Low-E中空玻璃U值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)將其布置于中空玻璃的室內(nèi)面，可以獲得傳熱系數(shù)更低的中空玻璃解決方案。對(duì)三玻兩腔Low-E中空玻璃的室內(nèi)面和室溫之間的溫度差、單位面積輻射傳熱進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)單純用外窗室內(nèi)面和室內(nèi)環(huán)境之間的溫度差來衡量熱舒適性是不準(zhǔn)確的，將在線Low-E膜布置于中空玻璃的室內(nèi)面熱舒適性更好。