双层中空玻璃镀(贴)膜遮阳效果的理论和实验研究

    双层中空玻璃镀(贴)膜技术在降低建筑能耗，改善室内热环境、光环境等方面都起到了很好的效果。根据太阳光谱的能量分布范围可知太阳的能量主要集中在可见光区和近红外区，考虑到节能和采光的综合效果，建筑玻璃镀(贴)膜的作用就是尽量阻挡在近红外和紫外线波段的太阳能量进入室内。膜贴在玻璃的不同位置会导致不同的遮阳效果。该效果可通过玻璃的热工参数来给出。国内目前通常采用遮阳系数和传热系数来作为评判玻璃遮阳效果的热工参数［1～2］，遮阳系数定义［3］为在给定条件下，玻璃、门窗或玻璃幕墙的太阳光总透射比与相同条件下相同面积的标准玻璃(3mm厚透明玻璃)的太阳光总透射比的比值。传热系数定义［4］为在稳态条件下，围护结构两侧空气温度差为1℃，1小时内通过1m2面积传递的热量。为了得到双层中空玻璃不同面镀(贴)膜后对遮阳系数和传热系数的影响规律，本文主要对双层中空镀(贴)膜玻璃的热工参数进行理论和实验研究。

    为了了解双层中空镀(贴)膜玻璃对光学能量的透过、反射和吸收情况，根据光学能量平衡原理来推导对于镀(贴)膜玻璃系统的透射比、反射比和吸收比［3］。假定一个具有n层玻璃的玻璃系统，该玻璃系统中玻璃可为镀(贴)膜玻璃。玻璃系统最外层为室外环境(i=0)，最内层为室内环境(i=n+1)，形成n+2层空腔。玻璃系统的光学分析应考虑在n－1层和i层之间辐射能量I﹢i和I－i建立能量平衡方程，角标+和－分别表示辐射流向外和向内，如图1所示。

    对通过第i层的太阳辐射能量建立能量平衡方程可得:

    假设室外只有太阳辐射，室外太阳辐射能量为Is，室外和室内环境的反射比为零，可得边界条件方程如下:

    当i=1时:

    当i=n+1时:

    通过上述方程推导后可得双层中空玻璃的总透射比、总反射比、每层玻璃的吸收比。

    总透射比为:

    总反射比为:

    第1 层玻璃的吸收比为
:

    第2 层玻璃的吸收比为:

    式中,τ1和τ2分别为第1、2层玻璃的透射比；ρf,1和

ρf,2分别为第1、2层玻璃在光由室外侧射入室内侧条件下的反射比；ρb,1和ρb,2分别为第1、2层玻璃在光由室内侧射入室外侧条件下的反射比。

    通过上述公式可知，双层中空镀(贴)膜玻璃的透射比、反射比和吸收比可通过分别求解双层镀(贴)膜玻璃中每一层玻璃透射比、反射比和吸收比来得到。

    镀(贴)膜玻璃系统的遮阳作用表现在两方面：第一方面是由于室内外温差的存在，热量以传导方式通过玻璃系统进行传热，玻璃系统在传热过程中起了热阻的作用；第二方面是阳光照射到玻璃系统表面后，一部分被反射掉，一部分直接透过玻璃系统进入室内；剩下的部分被玻璃系统吸收，使玻璃温度升高，被吸收的一部分以对流和长波热辐射方式进入室内，另一部分以对流和长波热辐射方式和室外进行换热。在该过程中，玻璃系统主要对太阳辐射起到了遮挡的作用。上述第一方面的遮阳作用可以通过传热系数来体现；第二方面的遮阳作用可以通过遮阳系数来体现。

    玻璃系统的传热系数推导过程如下：不考虑辐射作用，仅考虑室内外温差，则玻璃系统的传热系数为：

    式中，Rt为玻璃系统的热阻，m2K/W。

    由多层玻璃和空气层组成的玻璃系统的传热阻应为各层玻璃、气体间层、内外表面换热阻之和，其中玻璃包括镀(贴)膜玻璃，如下式所示。

式中，hout为室外表面换热系数，W/(m2K) ; Ri为第i层气体间层的热阻，m2K/W; Rg，i为第i层玻璃的固体热阻，m2K/W; hin为室内表面换热系数，W/(m2K) ;lg，i为第i 层玻璃厚度，m; λg，i为第i层玻璃的导热系数，W/(mK)。

    Ri可通过查表求出［4］，室外表面换热系数和室内表面换热系数如下式所示［5］:

    式中，v为风速，m/s; 在实际计算时可选用hout=23W/( m2K) ; ξ是玻璃表面的校正发射率，未镀膜的清洁玻璃表面校正发射率值为0. 837。

    玻璃系统的遮阳系数推导过程如下: 根据遮阳系数定义可得:

式中，g为玻璃系统的太阳光总透射比；g3mm为3mm

玻璃的太阳光总透射比。阳光照射到玻璃系统表面后进入室内的太阳光总透射比应按下式计算［3］:

式中，τs为玻璃系统的太阳光直接透射比; αs,i为第i层玻璃的吸收比；Rk为第k层气体间层的热阻，m2K/W; Rg,k为第k 层玻璃的固体热阻，m2K/W。

    为了了解不同种类的膜贴在玻璃的不同面后对遮阳效果热工参数的影响，本文选取了夏热冬冷地区常用的三种太阳控制膜和一种Low-E 膜进行测试，并将测试结果代入理论公式求出对应的热工参数，来比较贴膜位置不同对热工参数的影响大小。同时考虑到贴膜对室内采光效果会有影响，故对可见光透射比也进行了比较分析。

    4. 1 光学参数

    选取三种太阳控制膜和一种Low-E 膜，三种太阳控制膜分别为Sterling40型(视景40，以下简称S40)、Sterling60型(视景60，以下简称S60)和P20型。将膜贴在5mm普通单层玻璃上，采用紫外、可见分光光度计和傅里叶变换红外光谱仪分别测试其贴膜面和普通面的光学参数。贴膜面即太阳光直接照射在贴膜的玻璃侧；普通面即太阳光直接照射在贴膜玻璃的不贴膜侧。测试时太阳光反射比和太阳光透射比波长检测范围为250～2500nm，可见光透射比波长检测范围为380～780nm，发射率波长检测范围为4.5～25μm。根据测试结果分析［6］可以得到各种膜对应的贴膜面和普通面对太阳光反射比、透射比、发射率和对可见光透射比的对比数据如下表所示。

    4. 2 可见光透射比

    将上述四种膜分别贴在双层中空玻璃(5mm+9A+5

mm) 的四侧，如图2所示。通过测得的光学参数来分析贴膜位置对可见光透射比、遮阳系数和传热系数的影响关系。

    贴膜对可见光透射比影响的实验结果，如表2所示。根据测试结果可知，S40膜贴在第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面的差别很小。通过Rmax数据可以看出，S60，P20和Low-E也是如此。故可得出结论: 贴膜在双层玻璃不同贴面位置处，对可见光透射比影响很小。

    4. 3 遮阳系数

    贴膜对遮阳系数影响的实验结果如表3 所示:

    由表中数据可知贴膜位置在各面的遮阳系数是不一样的。对于同一种膜而言，S40的第一面遮阳系数大于第2面遮阳系数；第3面遮阳系数大于第4面遮阳系数。而S60、P20和Low-E则与之相反。根据理论研究可知，遮阳系数与太阳光透射比、反射比和吸收比有关，而根据表1可知贴膜对透射比没有影响。由于透射比、反射比和吸收比三者之和为1，故在透射比确定的前提下，吸收比由反射比决定，即遮阳系数由反射比决定。这种现象是由于反射比不同导致的。通过表3和表1可知，对于同一种膜而言，贴膜后反射比大的面越靠近室外侧，对应的遮阳系数越小，玻璃系统的遮阳效果越好。如Sterling60，P20和Low-E贴膜面的反射比都大于普通面，遮阳系数随着膜的位置向室内移动而变大，S40贴膜面的反射比小于普通面，当普通面在室外侧时，遮阳系数最小，遮阳效果最好。通过Rmax数据可以看出，贴P20膜后遮阳系数变化率最大。

    图3给出了不同膜贴在各面的贴膜面反射比与遮阳系数之间的关系，通过图形可知，当不同膜的贴膜面同时位于某一面时，反射比越大并不能得到遮阳系数越小的结论。这是由于不同膜的贴膜面透射比是不一样的，故对于不同膜而言，除了比较贴膜面之间的反射比还要看太阳光透射比，如S60的反射比虽然大于S40，但是由于S60的太阳光透射比大于S40，两者贴在同一面时，S40的遮阳效果均好于S60。

    4. 4 传热系数

    贴膜对传热系数影响的实验结果如下表4所示。

    如表4所示，对于同一种膜而言，除中间2、3面的传热系数相同外，贴膜面越靠近室内侧，传热系数越小。贴膜面放在室内侧的传热系数最小，保温效果最好。根据理论研究可知传热系数与发射率有关。通过表4和表1可知，对于同一种膜而言，除中间2、3面的传热系数相同外，贴膜后发射率小的面越靠近室内侧，对应的传热系数越小，玻璃系统的保温效果越好。通过Rmax数据可以看出，贴Low-E膜后传热系数变化率最大。

    图4分别给出了不同膜贴在各面的贴膜面发射率与传热系数之间的关系，通过图形可知，当不同膜的贴膜面同时位于某一面时，发射率越小则传热系数越小。故对于不同膜而言，贴于双层中空玻璃同一面时，传热系数与贴膜面的发射率成正比。

    本文主要对镀(贴)膜玻璃系统的热工参数进行理论和实验研究。从能量平衡角度出发，对多层玻璃进行了理论分析，给出玻璃系统传热系数和遮阳系数的理论推导公式。通过理论公式可知只要通过实验测得玻璃系统中每层玻璃的透射比、反射比、吸收比、表面发射率即可求得玻璃系统的遮阳系数和传热系数，从而可以得到玻璃系统的镀(贴)膜层位置和热工参数之间的关系。

    为了了解不同种类的膜贴在玻璃的不同面上后对遮阳效果热工参数的影响，本文选取了常用的三种太阳控制膜和一种Low-E膜进行测试，并将测试结果代入理论公式求得相应的热工参数，来比较双层中空玻璃贴膜位置不同对热工参数的影响大小。通过研究可知，对同一种膜而言，贴于玻璃系统的不同位置，会使得该面反射比和发射率产生变化，从而影响遮阳系数和传热系数的大小。对遮阳系数而言，越靠近室外侧面的反射比越大，遮阳系数越小，遮阳效果越好。不同种类的膜，还要考虑太阳光直接透射比的影响，综合两者来判断遮阳效果的好坏。对传热系数而言，越靠近室内侧面的发射率越小，传热系数越小，保温效果越好。同时通过研究发现贴膜对可见光透射比的影响很小。工程应用中对于膜的选择，要结合遮阳系数、传热系数和可见光透射比要求综合考虑。