雙層中空玻璃鍍(貼)膜遮陽效果的理論和實(shí)驗(yàn)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(huì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí):

    當(dāng)i=n+1時(shí):

    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(shí)際計(jì)算時(shí)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(jì)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(shí)考慮到貼膜對室內(nèi)采光效果會(huì)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(jì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)，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(shí)位于某一面時(shí)，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(shí)，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(shí)驗(yàn)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(shí)位于某一面時(shí)，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(shí)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(huì)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(shí)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。