低辐射薄膜对双层中空玻璃性能的影响

0 引言

中空玻璃是指两片或多片玻璃以有效支撑均匀隔开，周边黏结密封，使玻璃层间形成有干燥空间的制品，因其具有良好的隔音、保温、防结露等性能，目前被广泛应用于建筑门窗中。为了进一步提高中空玻璃的热学性能，必须降低传热系数。表面镀有低辐射薄膜的Low-E 玻璃很具代表性。本文主要是从理论上讨论玻璃表面镀低辐射薄膜对双层中空玻璃保温和防结露性能的影响。

1 计算方法与数据

1.1 计算方法

如图1 所示，对于由两片玻璃组成的双层中空玻璃，总的传热热阻为以下热阻之和：玻璃表面1 与室外环境之间的对流和辐射换热热阻Ro1，玻璃表面2、3 之间的对流和辐射换热热阻R23，玻璃表面4 与室内环境之间的对流和辐射换热热阻R4i ，两片玻璃本身的导热热阻R12、R34。

在无太阳辐射的情况下，分别以玻璃的4 个表面节点为对象列热平衡方程为：

式中：tin、tout 分别为室内、外环境的温度；t1、t2、t3、t4分别为中空玻璃4 个表面的温度；Ro1、R23、R4i、R12、R34 可分别由以下公式求得：

式中：hc，out、hr，out分别是玻璃表面1 与室外环境之间的对流和辐射换热系数；hc ，in、hr ，in 分别是玻璃表面4 与室内环境之间的对流和辐射换热系数；hc ，gap、hr ，gap 分别是玻璃表面2、3 之间的对流和辐射换热系数；d、k分别为单片玻璃的厚度和导热系数。hc，out、hc，in在本文计算中认为是固定值，hr，out、hc，gap、hr，gap、hr，in的计算方法详见文献。

因为Ro1、R23、R4i 均是玻璃表面温度的函数，所以表面温度的求解是个循环迭代的过程。首先假设t1、t2、t3、t4 为某一值，求出热阻，代入方程(1)、(2)、(3)、(4)求出新的t1、t2、t3、t4，当两者之差满足精度要求时停止迭代，否则以新得到的解作为初始值重复上述过程。

表面的温度求出之后，中空玻璃的传热系数U 就可以根据下式确定：

1.2 计算数据

本文计算中所采用的单片玻璃厚度d为6mm，玻璃的导热系数k为1 W/(m·K)，两层玻璃之间的间距L 为13 mm，玻璃表面1 与室外环境之间的对流换热系数hc,out 为16 W/(m2·K)，玻璃表面4 与室内环境之间的对流换热系数hc,in 为3.6 W/(m2·K)，室内环境温度tin 为20 ℃，相对湿度φ 为60%，未镀膜玻璃表面的辐射率为0.84，低辐射薄膜的辐射率为0.04～0.15。

2 计算结果分析

由于目前在我国市场上的Low-E 玻璃主要为离线产品，为了防止膜层氧化，需要把镀有低辐射薄膜的玻璃表面放置在中空玻璃空气腔的两侧，所以本文仅讨论图1 中表面2 和3 镀低辐射薄膜的情况。

2.1 保温性能分析

使用中空玻璃之所以能够降低建筑的能耗，其中一个重要原因是由于中空玻璃具有良好的隔热保温性能，传热系数是衡量其保温性能的重要指标，传热系数越低，其保温性能也就越好。

图2 为当室外环境温度tout = -20 ℃时，双层中空玻璃传热系数U 与表面3 辐射率ε3 的关系。曲线a表示表面2 的辐射率ε2 = 0.84，即仅在表面3 镀低辐射薄膜的情况，曲线b 表示表面2 和3 同时镀低辐射薄膜的情况。根据计算，ε2 = ε3 = 0.84，即两个表面都未镀低辐射薄膜时，U = 2.641W/(m2·K)。从曲线a 可以看出，对于仅在表面3 镀低辐射薄膜的情况，当ε3 =0.15 时，U = 1.859 W/(m2·K)，相对于两个表面均未镀膜，U 降低了0.782W/(m2·K)。随着ε3 的减小，U 值进一步减小，当ε3 = 0.04 时，U = 1.663 W/(m2·K)，相对于两个表面均未镀膜，U 降低了0.978 W/(m2·K)。因此，在中空玻璃空气腔一侧镀低辐射薄膜可以大幅度提高中空玻璃的保温性能。另外，曲线b 和a 相比较，当ε3 = 0.15 时，两者U 值之差为0.117 W/(m2·K)，随着ε3 的减小，两条曲线的垂直距离逐渐减小，当ε3 =0.04 时，两者U 值之差仅为0.038 W/(m2·K)，因此，在双层中空玻璃空气腔中一侧表面镀低辐射薄膜后再同时在另一侧表面镀膜，对降低传热系数的作用较小。

2.2 防结露性能分析

当玻璃表面的温度低于空气的露点时，在其表面就会结露。结露不仅影响着窗户的可视性，而且容易滋生细菌，污染空气，露水的流淌也会对房间的装饰造成破坏。由于中空玻璃的空气腔内存在着可吸附水分的干燥剂，在温度很低时其内部也不会结露，因此，冬季中空玻璃最容易结露的表面位于室内侧，即图1中4 的位置，要减小结露现象的发生必须降低中空玻璃的传热系数以提高该表面的温度。

图3 为不同ε2 和ε3 下，双层中空玻璃表面4 温度t 4 随室外环境温度tout 的关系。曲线a 表示表面2和3 均未镀低辐射薄膜的情况，b1、c1 分别表示仅在表面3 镀辐射率为0.15、0.04 薄膜的情况，b2 表示在表面2 和3 同时镀辐射率为0.15 薄膜的情况，c2 表示在表面2 和3 同时镀辐射率为0.04 薄膜的情况。从图中可以看出，在相同的tout 下，b1、c1 与a1 相比，对应的t4 有较大程度的提高，但是b2 与b1 相比，t4提高的程度较小，c2 和c1 相比，t4 更是相差无几。此外，已知标准大气压下，室内环境温度tin 为20 ℃，相对湿度φ 为60%对应的空气露点为12.0℃，从图2 可以查得，当t4 = 12.0 ℃时，a、b1、b2、c1、c2 对应的tout 分别为-4.1、-15.8、-18.0、-19.6、-20.3℃，相同室内条件发生结露时，a、b1、b2、c1、c2 对应的tout依次降低，但是b2 与b1 相比，c2 与c1 相比，它们的降低程度远小于b1、c1 与a1 相比所降低的程度，这也从另一方面说明在双层中空玻璃空气腔一侧镀低辐射薄膜可以有效减小结露现象的发生，但是当在双层中空玻璃空气腔其中一侧表面镀低辐射薄膜后再同时在另一侧表面镀膜，对提高其防结露性能作用较小。

3 结语

房间的热量是通过导热、对流和辐射3 种形式由玻璃传到室外环境中去的，在双层中空玻璃空气腔一侧表面镀低辐射薄膜可以减小辐射热量的传递，从而能够降低传热系数，使其保温和防结露性能都得到提高。然而，当在其空气腔一侧表面镀辐射薄膜后，由于通过辐射形式传递的热量已经很小，如果再在另一侧表面镀膜，所起的作用也不会太大。因此，如果结合成本因素综合考虑，双层中空玻璃空气腔两侧表面不宜同时镀低辐射薄膜。

（来源：河南理工大学土木工程学院 中国科学院广州能源研究所）