雙層中空玻璃鍍(貼)膜遮陽效果的理論和實驗研究

    雙層中空玻璃鍍(貼)膜技術(shù)在降低建筑能耗，改善室內(nèi)熱環(huán)境、光環(huán)境等方面都起到了很好的效果。根據(jù)太陽光譜的能量分布范圍可知太陽的能量主要集中在可見光區(qū)和近紅外區(qū)，考慮到節(jié)能和采光的綜合效果，建筑玻璃鍍(貼)膜的作用就是盡量阻擋在近紅外和紫外線波段的太陽能量進(jìn)入室內(nèi)。膜貼在玻璃的不同位置會導(dǎo)致不同的遮陽效果。該效果可通過玻璃的熱工參數(shù)來給出。國內(nèi)目前通常采用遮陽系數(shù)和傳熱系數(shù)來作為評判玻璃遮陽效果的熱工參數(shù)［1～2］，遮陽系數(shù)定義［3］為在給定條件下，玻璃、門窗或玻璃幕墻的太陽光總透射比與相同條件下相同面積的標(biāo)準(zhǔn)玻璃(3mm厚透明玻璃)的太陽光總透射比的比值。傳熱系數(shù)定義［4］為在穩(wěn)態(tài)條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫度差為1℃，1小時內(nèi)通過1m2面積傳遞的熱量。為了得到雙層中空玻璃不同面鍍(貼)膜后對遮陽系數(shù)和傳熱系數(shù)的影響規(guī)律，本文主要對雙層中空鍍(貼)膜玻璃的熱工參數(shù)進(jìn)行理論和實驗研究。

    為了了解雙層中空鍍(貼)膜玻璃對光學(xué)能量的透過、反射和吸收情況，根據(jù)光學(xué)能量平衡原理來推導(dǎo)對于鍍(貼)膜玻璃系統(tǒng)的透射比、反射比和吸收比［3］。假定一個具有n層玻璃的玻璃系統(tǒng)，該玻璃系統(tǒng)中玻璃可為鍍(貼)膜玻璃。玻璃系統(tǒng)最外層為室外環(huán)境(i=0)，最內(nèi)層為室內(nèi)環(huán)境(i=n+1)，形成n+2層空腔。玻璃系統(tǒng)的光學(xué)分析應(yīng)考慮在n－1層和i層之間輻射能量I﹢i和I－i建立能量平衡方程，角標(biāo)+和－分別表示輻射流向外和向內(nèi)，如圖1所示。

    對通過第i層的太陽輻射能量建立能量平衡方程可得:

    假設(shè)室外只有太陽輻射，室外太陽輻射能量為Is，室外和室內(nèi)環(huán)境的反射比為零，可得邊界條件方程如下:

    當(dāng)i=1時:

    當(dāng)i=n+1時:

    通過上述方程推導(dǎo)后可得雙層中空玻璃的總透射比、總反射比、每層玻璃的吸收比。

    總透射比為:

    總反射比為:

    第1 層玻璃的吸收比為
:

    第2 層玻璃的吸收比為:

    式中,τ1和τ2分別為第1、2層玻璃的透射比；ρf,1和

ρf,2分別為第1、2層玻璃在光由室外側(cè)射入室內(nèi)側(cè)條件下的反射比；ρb,1和ρb,2分別為第1、2層玻璃在光由室內(nèi)側(cè)射入室外側(cè)條件下的反射比。

    通過上述公式可知，雙層中空鍍(貼)膜玻璃的透射比、反射比和吸收比可通過分別求解雙層鍍(貼)膜玻璃中每一層玻璃透射比、反射比和吸收比來得到。

    鍍(貼)膜玻璃系統(tǒng)的遮陽作用表現(xiàn)在兩方面：第一方面是由于室內(nèi)外溫差的存在，熱量以傳導(dǎo)方式通過玻璃系統(tǒng)進(jìn)行傳熱，玻璃系統(tǒng)在傳熱過程中起了熱阻的作用；第二方面是陽光照射到玻璃系統(tǒng)表面后，一部分被反射掉，一部分直接透過玻璃系統(tǒng)進(jìn)入室內(nèi)；剩下的部分被玻璃系統(tǒng)吸收，使玻璃溫度升高，被吸收的一部分以對流和長波熱輻射方式進(jìn)入室內(nèi)，另一部分以對流和長波熱輻射方式和室外進(jìn)行換熱。在該過程中，玻璃系統(tǒng)主要對太陽輻射起到了遮擋的作用。上述第一方面的遮陽作用可以通過傳熱系數(shù)來體現(xiàn)；第二方面的遮陽作用可以通過遮陽系數(shù)來體現(xiàn)。

    玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)推導(dǎo)過程如下：不考慮輻射作用，僅考慮室內(nèi)外溫差，則玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)為：

    式中，Rt為玻璃系統(tǒng)的熱阻，m2K/W。

    由多層玻璃和空氣層組成的玻璃系統(tǒng)的傳熱阻應(yīng)為各層玻璃、氣體間層、內(nèi)外表面換熱阻之和，其中玻璃包括鍍(貼)膜玻璃，如下式所示。

式中，hout為室外表面換熱系數(shù)，W/(m2K) ; Ri為第i層氣體間層的熱阻，m2K/W; Rg，i為第i層玻璃的固體熱阻，m2K/W; hin為室內(nèi)表面換熱系數(shù)，W/(m2K) ;lg，i為第i 層玻璃厚度，m; λg，i為第i層玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)。

    Ri可通過查表求出［4］，室外表面換熱系數(shù)和室內(nèi)表面換熱系數(shù)如下式所示［5］:

    式中，v為風(fēng)速，m/s; 在實際計算時可選用hout=23W/( m2K) ; ξ是玻璃表面的校正發(fā)射率，未鍍膜的清潔玻璃表面校正發(fā)射率值為0. 837。

    玻璃系統(tǒng)的遮陽系數(shù)推導(dǎo)過程如下: 根據(jù)遮陽系數(shù)定義可得:

式中，g為玻璃系統(tǒng)的太陽光總透射比；g3mm為3mm

玻璃的太陽光總透射比。陽光照射到玻璃系統(tǒng)表面后進(jìn)入室內(nèi)的太陽光總透射比應(yīng)按下式計算［3］:

式中，τs為玻璃系統(tǒng)的太陽光直接透射比; αs,i為第i層玻璃的吸收比；Rk為第k層氣體間層的熱阻，m2K/W; Rg,k為第k 層玻璃的固體熱阻，m2K/W。

    為了了解不同種類的膜貼在玻璃的不同面后對遮陽效果熱工參數(shù)的影響，本文選取了夏熱冬冷地區(qū)常用的三種太陽控制膜和一種Low-E 膜進(jìn)行測試，并將測試結(jié)果代入理論公式求出對應(yīng)的熱工參數(shù)，來比較貼膜位置不同對熱工參數(shù)的影響大小。同時考慮到貼膜對室內(nèi)采光效果會有影響，故對可見光透射比也進(jìn)行了比較分析。

    4. 1 光學(xué)參數(shù)

    選取三種太陽控制膜和一種Low-E 膜，三種太陽控制膜分別為Sterling40型(視景40，以下簡稱S40)、Sterling60型(視景60，以下簡稱S60)和P20型。將膜貼在5mm普通單層玻璃上，采用紫外、可見分光光度計和傅里葉變換紅外光譜儀分別測試其貼膜面和普通面的光學(xué)參數(shù)。貼膜面即太陽光直接照射在貼膜的玻璃側(cè)；普通面即太陽光直接照射在貼膜玻璃的不貼膜側(cè)。測試時太陽光反射比和太陽光透射比波長檢測范圍為250～2500nm，可見光透射比波長檢測范圍為380～780nm，發(fā)射率波長檢測范圍為4.5～25μm。根據(jù)測試結(jié)果分析［6］可以得到各種膜對應(yīng)的貼膜面和普通面對太陽光反射比、透射比、發(fā)射率和對可見光透射比的對比數(shù)據(jù)如下表所示。

    4. 2 可見光透射比

    將上述四種膜分別貼在雙層中空玻璃(5mm+9A+5

mm) 的四側(cè)，如圖2所示。通過測得的光學(xué)參數(shù)來分析貼膜位置對可見光透射比、遮陽系數(shù)和傳熱系數(shù)的影響關(guān)系。

    貼膜對可見光透射比影響的實驗結(jié)果，如表2所示。根據(jù)測試結(jié)果可知，S40膜貼在第2面和第3面的透射比是相同的，第1面和第4面也是相同的，第2、3面和第1、4面的差別很小。通過Rmax數(shù)據(jù)可以看出，S60，P20和Low-E也是如此。故可得出結(jié)論: 貼膜在雙層玻璃不同貼面位置處，對可見光透射比影響很小。

    4. 3 遮陽系數(shù)

    貼膜對遮陽系數(shù)影響的實驗結(jié)果如表3 所示:

    由表中數(shù)據(jù)可知貼膜位置在各面的遮陽系數(shù)是不一樣的。對于同一種膜而言，S40的第一面遮陽系數(shù)大于第2面遮陽系數(shù)；第3面遮陽系數(shù)大于第4面遮陽系數(shù)。而S60、P20和Low-E則與之相反。根據(jù)理論研究可知，遮陽系數(shù)與太陽光透射比、反射比和吸收比有關(guān)，而根據(jù)表1可知貼膜對透射比沒有影響。由于透射比、反射比和吸收比三者之和為1，故在透射比確定的前提下，吸收比由反射比決定，即遮陽系數(shù)由反射比決定。這種現(xiàn)象是由于反射比不同導(dǎo)致的。通過表3和表1可知，對于同一種膜而言，貼膜后反射比大的面越靠近室外側(cè)，對應(yīng)的遮陽系數(shù)越小，玻璃系統(tǒng)的遮陽效果越好。如Sterling60，P20和Low-E貼膜面的反射比都大于普通面，遮陽系數(shù)隨著膜的位置向室內(nèi)移動而變大，S40貼膜面的反射比小于普通面，當(dāng)普通面在室外側(cè)時，遮陽系數(shù)最小，遮陽效果最好。通過Rmax數(shù)據(jù)可以看出，貼P20膜后遮陽系數(shù)變化率最大。

    圖3給出了不同膜貼在各面的貼膜面反射比與遮陽系數(shù)之間的關(guān)系，通過圖形可知，當(dāng)不同膜的貼膜面同時位于某一面時，反射比越大并不能得到遮陽系數(shù)越小的結(jié)論。這是由于不同膜的貼膜面透射比是不一樣的，故對于不同膜而言，除了比較貼膜面之間的反射比還要看太陽光透射比，如S60的反射比雖然大于S40，但是由于S60的太陽光透射比大于S40，兩者貼在同一面時，S40的遮陽效果均好于S60。

    4. 4 傳熱系數(shù)

    貼膜對傳熱系數(shù)影響的實驗結(jié)果如下表4所示。

    如表4所示，對于同一種膜而言，除中間2、3面的傳熱系數(shù)相同外，貼膜面越靠近室內(nèi)側(cè)，傳熱系數(shù)越小。貼膜面放在室內(nèi)側(cè)的傳熱系數(shù)最小，保溫效果最好。根據(jù)理論研究可知傳熱系數(shù)與發(fā)射率有關(guān)。通過表4和表1可知，對于同一種膜而言，除中間2、3面的傳熱系數(shù)相同外，貼膜后發(fā)射率小的面越靠近室內(nèi)側(cè)，對應(yīng)的傳熱系數(shù)越小，玻璃系統(tǒng)的保溫效果越好。通過Rmax數(shù)據(jù)可以看出，貼Low-E膜后傳熱系數(shù)變化率最大。

    圖4分別給出了不同膜貼在各面的貼膜面發(fā)射率與傳熱系數(shù)之間的關(guān)系，通過圖形可知，當(dāng)不同膜的貼膜面同時位于某一面時，發(fā)射率越小則傳熱系數(shù)越小。故對于不同膜而言，貼于雙層中空玻璃同一面時，傳熱系數(shù)與貼膜面的發(fā)射率成正比。

    本文主要對鍍(貼)膜玻璃系統(tǒng)的熱工參數(shù)進(jìn)行理論和實驗研究。從能量平衡角度出發(fā)，對多層玻璃進(jìn)行了理論分析，給出玻璃系統(tǒng)傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)的理論推導(dǎo)公式。通過理論公式可知只要通過實驗測得玻璃系統(tǒng)中每層玻璃的透射比、反射比、吸收比、表面發(fā)射率即可求得玻璃系統(tǒng)的遮陽系數(shù)和傳熱系數(shù)，從而可以得到玻璃系統(tǒng)的鍍(貼)膜層位置和熱工參數(shù)之間的關(guān)系。

    為了了解不同種類的膜貼在玻璃的不同面上后對遮陽效果熱工參數(shù)的影響，本文選取了常用的三種太陽控制膜和一種Low-E膜進(jìn)行測試，并將測試結(jié)果代入理論公式求得相應(yīng)的熱工參數(shù)，來比較雙層中空玻璃貼膜位置不同對熱工參數(shù)的影響大小。通過研究可知，對同一種膜而言，貼于玻璃系統(tǒng)的不同位置，會使得該面反射比和發(fā)射率產(chǎn)生變化，從而影響遮陽系數(shù)和傳熱系數(shù)的大小。對遮陽系數(shù)而言，越靠近室外側(cè)面的反射比越大，遮陽系數(shù)越小，遮陽效果越好。不同種類的膜，還要考慮太陽光直接透射比的影響，綜合兩者來判斷遮陽效果的好壞。對傳熱系數(shù)而言，越靠近室內(nèi)側(cè)面的發(fā)射率越小，傳熱系數(shù)越小，保溫效果越好。同時通過研究發(fā)現(xiàn)貼膜對可見光透射比的影響很小。工程應(yīng)用中對于膜的選擇，要結(jié)合遮陽系數(shù)、傳熱系數(shù)和可見光透射比要求綜合考慮。