节能窗与节能玻璃概要
唐健正 罗维（北京新立基真空玻璃技术有限公司 北京 100086）

摘 要：本文介绍节能窗的基本概念并对节能玻璃的原片、中空玻璃、真空玻璃的结构及性能参数作了概要介绍。
关键词：传热系数K值（U值）；遮阳系数；LOW-E玻璃；真空玻璃

建筑节能的关键是门窗节能[1]，这是一个讨论多年而贯彻不力的议题。我国窗户能耗占整个建筑围护结构能耗的一半左右，这一论断是有科学根据的，许多专家对此作了大量的研究工作。

1、玻璃窗能耗的来源—空气渗透漏热、温差传热、太阳辐射得热
玻璃窗由窗框（包括框架、密封件、五金件）及玻璃构成，这里所指“玻璃”是单片玻璃或二片以上玻璃组合的简称。隐性玻璃幕墙虽然从外部看不到边框，但实际上也有不透明的框架部分。
通过玻璃窗传递的总热量Q可表达为：
Q=Qg+Qf+Ql ………………………………………(1)
式中Qg为通过玻璃的传热量
Qf为通过窗框的传热量
Ql为通过缝隙渗透的空气的传热量
1.1、空气渗透漏热Q1
Ql的大小取决于窗户的气密性。由于窗户密封性差使窗内外冷热空气在压差和温差作用下通过缝隙交换造成的能耗相当大，我国许多建筑物此项能耗可占到整窗能耗的1/3甚至更高，约占整个建筑物能耗的20%至30%[2]。从节能考虑应尽可能提高窗户的气密性，从防噪音、防沙尘、防潮湿等角度考虑，也应该提高窗户的气密性。但从人体健康的角度，窗户必须具备前面提到的基本属性之一—通风，必须确保室内空气清新，特别是每人每小时所需约20m3的新鲜空气要有保证。没有特殊设计通风换气设施的建筑物，部分靠窗户的空气渗透来换气，部分通过开关窗户来人工换气，这是无规律的也是不节能的。在新型住宅或公共建筑设计中，必须设计节能环保的空气调节系统，既保持空气清新，又减少换气带来的热耗，特别是大型公共建筑，内部由于人群、照明及各种设备发热量大，如果围护结构密封和保温性很好，但没有设计良好的自然通风，即使冬天也可能出现需空调降温情况，结果反而使能耗增加。原则上讲，要降低Ql值，在非采暖或制冷期应尽可能自然通风，在采暖或制冷期，应尽可能使进气和出气进行热交换，或利用地热等天然能源对进气预热或预冷等方式进行节能的换气。
如何计算和测量窗户通过空气渗透及换气造成的能耗是非常专业的问题，在此不作进一步讨论。
1.2、玻璃和窗框的能耗—相对增热（RHG）
产生（1）式中Qg和Qf的主要来源有二：一是由室内外温差引起的传热，二是太阳辐射引入的传热，二者之和称为相对增热，用RHG（Relative Heat Gain）表示，在忽略窗框从太阳辐射吸收得热的条件下，可得到：
RHG=(Qg+Qf)=Kw(T0-Ti)+ Se×SHGF …………………………(2)
1.2.1、传热系数K值（U值）
（2）式右边第一项中T0为室外空气温度，Ti为室内空气温度，Kw为整窗的传热系数。传热系数在中国和欧洲也称为K值，美国称为U值，是建筑物围护结构（墙体、窗户、地面、屋顶）热工性能的重要指标。其含义是当室内外空气温差为1度时，单位时间内通过单位面积的玻璃窗室内外空气间传递的热量，我国法定单位为Wm-2K-1。各国标准对传热系数规定的边界条件不同，但计算出的数值相差不大。但如使用的单位不同，则数值相差很大。如美国常用英制单位Btuft-2℉-1表示U值，又把U值的倒数称为R值，以此表示级别，如R-12，即U=1/12 Btuft-2℉-1，约相当于0.45 Wm-2K-1。
1.2.2、遮阳系数Se和太阳辐射得热因子SHGF
(2)式右边第二项中Se为玻璃的遮阳系数，其含义是透过玻璃的太阳辐射总透射比与3mm厚普通平板玻璃的太阳辐射总透射比的比值。Se越高说明透过的太阳辐射比例越高。SHGF（Solar Heat Gain Factor）为太阳辐射得热因子，其含义是当时当地、单位时间内透过3mm厚普通玻璃的太阳辐射能量，单位是Wm-2。Se和SHGF两者的乘积则代表单位时间太阳辐射透过单位面积玻璃的热量及被玻璃吸收后向室内二次辐射的热量的总和。
1.2.3、“得热”与“失热”，“保温”与“隔热”—玻璃窗节能设计思路
可以看出，（2）式中第一项是温差引起的传热，如果以室外向室内传热为正值，则当T0＞Ti时（例如夏季），则第一项为正值，表明热量从室外传入室内为“得热”，当T0＜Ti时（例如冬季）则第一项为负值，表明热量从室内传向室外为“失热”。
由于太阳辐射是由室外射向室内的，所以（2）式中第二项总是正值为“得热”。
从节能的角度看，K值表征围护结构的“保温”性能，Se表征其“隔热”性能。
例如：某地夏季南向窗外温度T0=32℃，室内温度Ti=24℃，中午时分太阳辐射得热因子SHGF=800Wm-2，所用单玻窗玻璃K=6.0 Wm-2K-1，Se=0.99，
则根据（2）式RHG=K△T+ Se×SHGC=6×8+0.99×800=48+792=+840(Wm-2)
正号表示热功率从室外传向室内，是“得热”，而且其中94%是太阳辐射透过玻璃引起的，所以要减少空调能耗，就应加强“隔热”，即降低Se或加遮阳设备。
如果当地冬天夜间室外气温T0=﹣20℃，室内温度Ti=24℃，则
RHG=K（T0﹣Ti）=6×（﹣20-24）=﹣6×44=-264(Wm-2)
负号表示热功率从室内传向室外，是“失热”，而且全部是由温差引起的，所以要降低取暖能耗，就应加强“保温”，即降低玻璃的K值。
由于（2）式中温差（T0﹣Ti）和太阳辐射得热因子SHGF取决于各环境因素（比如建筑物所在位置的地理、气候、日照条件等）及建筑物本身的特性（如朝向、高度等），而环境因素是随季节时间变化的。也就是说对任何一个建筑物（2）式中△T和SHGF都是时间t的函数，总的能耗应是（2）式对时间t积分的结果，主要时段为采暖期和空调制冷期。建工行业通过专业的测算方法来估算建筑物的能耗。
归纳起来，由（2）式可见，设计“节能窗”时应注意以下三点：
(1)、只要窗户内外存在比较大的温差（T0-Ti）且持续时间较长，比如需要长时间供暖或空调制冷，原则上讲，为了降低能耗，玻璃窗的Kw值应该尽可能低，其标准应和当地建筑物墙体K值标准相匹配。实行时还要根据建筑物的类型和内外条件作精心的设计。
(2)、要根据建筑物所在地区，朝向等因素来选取玻璃的Se参数，例如在阳光充沛的热带地区，应选Se低的遮阳型玻璃，减少“得热”，以降低制冷能耗，低层建筑也可以采用外遮阳来调解“得热”。设计时应与玻璃参数选取统一考虑。在严寒地区，则应选Se高的高透性玻璃，增加“得热”以降低采暖能耗。
(3)、（2）式中第一项和第二项看似互相独立，其实不然，随后的分析可见，第一项中玻璃的Kg值越小，说明此玻璃的热阻越高，会影响第二项中玻璃吸收太阳辐射升温而形成的二次辐射得热。
下面对传热系数Kw及遮阳系数Se分别作进一步分析：
1.3、玻璃窗的传热系数KW及其构成—窗框传热系数Kf和玻璃传热系数Kg
玻璃窗由窗框和玻璃构成。在忽略窗框与玻璃之间横向传热的简化条件下，设玻璃的传热系数为Kg，面积为Mg，窗框的传热系数为Kf，面积为Mf，则可将Kw表达为：

设 表示窗框面积在整窗面积中占的百分比，简称窗框比。
则上式可化简为
Kw =Kg+η(Kf-Kg) ………………………………………………(3)
要降低整窗的Kw值来和墙体K值匹配。可根据（3）式作些分析。
表1 列出几种常见窗框的传热系数Kf值。
表1 几种常见窗框的传热系数（Kf）值

单片玻璃Kg为6左右，而下文可见，节能玻璃的K g已越做越低，目前充惰性气体LOW-E中空玻璃K g计算值可低到1.2[3]，而LOW-E真空玻璃产品的K g经实测已可达0.7—0.9，不久即可达0.4—0.6。一旦选了Kg低的玻璃，必定要选K f低的窗框，使（3）式中（K f-Kg）尽可能小。此外，目前对玻璃窗的采光要求越来越高，玻璃面积越来越大，η值趋向减小，窗框比η有从40%向20%甚至更低下降的趋势，这样K g对Kw值的高低起主导作用。玻璃面积大不但Kw低而且也有利于节约照明能耗及提高舒适性。那种认为玻璃窗越小越节能的概念应该改变。

2、节能玻璃的品种及性能
2.1、吸热玻璃、热反射玻璃及低辐射膜玻璃（LOW-E玻璃）
从前面的分析可知，节能玻璃原片在太阳辐射参数方面，首先要满足两方面的要求：
首先、可见光透过率不能太低，使白天建筑物尽可能得到自然采光并降低照明能耗。其次、遮阳系数Se可根据建筑物所在地区和朝向作不同选择。曾经相当流行的吸热着色玻璃是在玻璃中加入金属离子等着色物质成为彩色玻璃，使Se降低，而热反射玻璃则是在玻璃表面镀一层薄金属膜，以提高对太阳辐射的反射，从而使Se降低，这两种玻璃对太阳辐射的透射曲线如图1所示：

图1 吸热玻璃、反射玻璃与LOW-E玻璃的透射曲线
由图1可见，这两种玻璃使0.3～2.5μm范围的太阳辐射透过率整体降低从而使Se降低，但同时使可见光透过率也大大降低。同时吸热玻璃在阳光照射下吸收热量使本身温度升高后向室内辐射大量热能，降低了隔热效应。热反射玻璃除可见光透过率低外，对可见光也有较强的反射，容易造成“光污染”。因此，此两种玻璃都不是理想的节能玻璃。
正在研发中的“调光玻璃”是在玻璃上镀一层特殊金属氧化物材料，其遮阳系数可随太阳辐射强度自动调整，是理想的遮阳玻璃，目前尚未进入规模化生产阶段。
20世纪70年代能源危机后快速发展起来的低辐射膜玻璃（LOW-E玻璃），是目前从物理角度看更科学合理的节能玻璃。
LOW-E玻璃是利用在线高温热解沉积法（简称在线膜）或离线真空溅射法（简称离线膜）在玻璃表面镀上金属或金属氧化物等多种成分的多层膜，通过精确调整膜系结构和工艺，得到热辐射率低同时对太阳光谱的透射具有选择性的光谱结构。图1所示为两种LOW-E玻璃的光谱曲线，这两种LOW-E玻璃的膜表面辐射率均可做到低于0.1，近年来甚至达到0.02—0.04[4]，大大低于普通玻璃表面辐射率0.84。同时，高透型LOW-E玻璃具有较高的可见光透射比和遮阳系数。适用于气候冷，冬季采暖能耗大的地区，以增加阳光“得热”。遮阳型LOW-E玻璃遮阳系数较低，适用于气候热、阳光强而空调制冷能耗大的地区，减少阳光“得热”。

2.2、中空玻璃和真空玻璃
2.2.1、中空玻璃和真空玻璃的结构
中空玻璃是目前节能玻璃的主流产品，其结构如图2所示。两片玻璃中间间距6-24mm，周边用结构胶密封，间隔内是空气或其它气体。分子筛吸潮剂置于边框中或置于密封胶条中（称为暖边胶条），用以吸收气体中的水汽以防止内结露。LOW-E玻璃的膜面置于中空的内表面，从性价比考虑，一般为单LOW-E结构。

图2 LowE中空玻璃的结构示意图

真空玻璃是节能玻璃中崭露头角的新产品。真空玻璃的结构如图3所示。从原理上看真空玻璃可比喻为平板形保温瓶，二者相同点是两层玻璃的夹层均为气压低于10-1Pa的真空，使气体传热可忽略不计；二者内壁都镀有低辐射膜，使辐射传热尽可能小。二者不同点：一是真空玻璃用于门窗必须透明或透光，不能像保温瓶一样镀不透明银膜，镀的是不同种类的透明低辐射膜；二是从可均衡抗压的圆筒型或球型保温瓶变成平板，必须在两层玻璃之间设置“支撑物”方阵来承受每平方米约10吨的大气压力，使玻璃之间保持间隔，形成真空层。“支撑物”方阵间距根据玻璃板的厚度及力学参数设计，在20mm-40mm之间。为了减小支撑物“热桥”形成的传热并使人眼难以分辨，支撑物直径很小，目前产品中的支撑物直径在0.3mm-0.5mm之间，高度在0.1-0.2mm之间，为保持真空度长期稳定，真空层内置有吸气剂。

图3　真空玻璃的基本结构

2.2.2、中空玻璃和真空玻璃的传热机理
由于结构不同，真空玻璃与中空玻璃的传热机理也有所不同。图4为简化的传热示意图，真空玻璃中心部位传热由辐射传热和支撑物传热及残余气体传热三部分构成，合格产品中残余气体传热可忽略不计，而中空玻璃则由气体传热（包括传导和对流）和辐射传热构成。

图4　真空玻璃和中空玻璃的传热机理示意图
由此可见，要减小因温差引起的传热，真空玻璃和中空玻璃都要减小辐射传热，有效的方法是采用上述低辐射膜玻璃（LOW-E玻璃），在兼顾其它光学性能要求的条件下，膜的发射率（也称辐射率）越低越好。二者的不同点是真空玻璃不但要确保必须的真空度，使残余气体传热小到可忽略的程度，还要尽可能减小支撑物的传热，中空玻璃则要尽可能减小气体传热。为了减小气体传热并兼顾隔声性及厚度等因素，中空玻璃的空气层厚度一般为9-24mm，以12mm居多，要减小气体传热，还可用大分子量的气体（如惰性气体：氩、氪）来代替空气，但即便如此，气体传热仍占据主导地位。
2.2.3、各种玻璃的K值
文献[5]中引用了美国伯克利—洛仑兹实验室M.Rubin教授等所作的玻璃K值模拟计算，结果如图5所示。图中给出单片玻璃，空气层厚度为12.7mm的中空玻璃和双中空玻璃的“K值——辐射率ε”关系图。模拟的室外温度为-18℃，风速24kmh-1。图中用阿拉伯数字标明LOW-E膜所在位置，数字1表明LOW-E膜在从外数第1表面，依次类推。本文作者在原图上加上了LOW-E真空玻璃的曲线。

图5各种玻璃的“K-ε”曲线
由图5可见
（1）LOW-E膜对降低K值起着重要作用，普通建筑玻璃表面辐射率ε约为0.84，随着ε由0.84降低，每种玻璃相应的曲线都呈大幅度下降趋势。
（2）单片玻璃膜在第2表面（即内表面）的K值比在第1表面低得多，因此，单片使用LOW-E玻璃时，膜面应置于室内侧。
对于双片玻璃构成的中空玻璃或真空玻璃，LOW-E膜置于内表面（2or3）的K值比膜置于外表面（1or4）要低得多（图中真空玻璃只给出膜置于内表面的曲线），对于三片玻璃构成的双中空或双真空玻璃，LOW-E膜也必须置于内表面（2or3or4or5）才能得到低的K值。总之，膜必须置于气体对流和传导影响最小的位置，才能突出降低辐射传热的效果，这从物理上是容易理解的。
（3）从对降低K值的效率来看，LOW-E膜用于中空玻璃远胜于单片使用，而用于真空玻璃又远胜于中空玻璃，随ε降低，真空玻璃K值曲线下降更陡，K值远低于双中空玻璃。更勿论双真空玻璃了。这也是真空玻璃有发展前景的原因之一。
目前国内可制作真空玻璃的在线LOW-E（硬膜）的辐射率可达到0.17，可制作真空玻璃的离线LOW-E硬膜的辐射率可在0.04—0.10之间选择。

2.2.4、中空玻璃和真空玻璃相关参数举例
4种LOW-E玻璃与4mm白玻制成的中空和真空玻璃的参数列于表4。

表2. 四种中空玻璃和真空玻璃相关参数（计算值）

注：V：0.15mm真空层
N4：4mm白玻
( )内为同样玻璃制成的间隔12mm空气层中空玻璃的计算值。
A：LOW-E膜在从外数第2表面
B：LOW-E膜在从外数第3表面

表4中的数据除遮阳系数Se、得热系数SHGC和K值三项外，其余都适用于用同样两片玻璃构成的中空玻璃，且与空气层厚度无关。中空玻璃的相关数据已纳入表4中括号内作为对比参考。由此数据可见，玻璃组件的热阻不仅影响K值，也影响Se值，但对后者影响稍小而已。
从表4的数据可以看出：由于LOW-E膜的光学性质不同，即使K值相近的真空玻璃其辐射特性也会有较大区别。可见光特性影响建筑物的采光；紫外线特性影响室内的紫外辐照；而太阳辐射特性则影响室内得到的太阳辐射能量，关系到建筑物的节能。
由表4数据还可以看出， LOW-E膜在第二表面与LOW-E膜在第三表面两种安装方式的K值相同，紫外线、可见光及太阳辐射的透射比均相同，但反射比则有大有小。更主要的是遮阳系数Se不同，LOW-E膜在第三表面时Se值明显高于在第二表面的值。这主要是由于LOW-E玻璃吸收太阳辐射能热引起的，所以在气候炎热，太阳辐射强的情况下，为了减少太阳辐射得热，减少空调能耗，应按A安装。在气候严冷地区，往往希望增加太阳辐射得热，则应选遮阳系数高的LOW-E玻璃制作真空玻璃并按B安装，以提高白天相对增热。
同时在选择LOW-E膜时，也要考虑除辐射率之外的其它因素，如膜的颜色及其它光学参数，一般情况下膜置于第2表面时外观颜色更接近膜的颜色，由于从原理上分析人眼对这种含膜的多层玻璃的视觉效果比较困难，最好在各种“天空光”情况下直接观察来作出判断。另外，可见光反射比太高会造成建筑物外观闪亮或出现较强的光污染（如出现周围建筑的强映象）。这些因素应在设计时综合考虑。但即使是同一座楼且选用同一种玻璃，在不同朝向的外观颜色在不同时段看起来也是不同的，应该把节能作为重点来考虑。
对于阳光强烈的地区或朝向或建筑物顶棚，为了节能和室内环境的舒适，往往用LOW-E膜还达不到必须的遮阳系数，可以在中空玻璃或真空玻璃中选配一块着色玻璃来满足要求。比如某建筑物顶棚要求玻璃外观灰色，K值＜1，Se＜0.20，可选用表2所列1的真空玻璃再配一块“兰星”灰色玻璃就可达到所有指标。
当前，推广节能窗和节能玻璃的工作在我国尚属起步阶段，应该在积极推广LOW-E中空玻璃的同时，大力推动真空玻璃产业化，使我国在节能玻璃领域走在世界前列。

参考文献：
[1] 杜宗翰：“建筑节能的关键是门窗节能”《中国建材报》2005.8.1 B4
[2] 杨善勤、郎四维、涂逢祥：《建筑节能》P39 中国建筑工业出版社1999版
[3] 圣戈班玻璃产品资料：PLANTTHERM 1.16T Ⅱ
[4] Joonas Halainen、姚南：“低辐射玻璃钢化与技术”，中国玻璃深加工研讨会（北京2008）文集P50
[5] C.G.Granqvist,Energy efficient windows:present and forthcoming technology,in Materials Science for Solar Energy Conversion Systems(Edited by C.G.Granqvist),p.106,Pergamon,Oxford
(1991).

作者简介：
唐健正（Tang Jianzheng）：
澳大利亚籍华裔学者，1938年12月生于云南昆明。1957年至1963年北京大学物理系毕业，1963年至1990年北京大学物理系助教、讲师、副教授、教研室主任，1990年以高级访问学者名义到悉尼大学应用物理系工作期间与该系主任 R.E.Collins教授合作申请五项真空玻璃国际发明专利，1995年日本“板硝子”玻璃公司取得专利使用权并于1997年投产，成为世界首家推出真空玻璃的厂商。日本报纸称真空玻璃为“神奇玻璃”，认为这些专利开创了真空玻璃新纪元使科学家自1883年发明保温瓶以来的百年梦想成真。
与R..E.Collins教授等人合作发表了多篇论文，其中1993年在国际“太阳能”杂志上发表的“透明真空平板玻璃”一文获1997年国际太阳能协会颁发的“鲁道夫最佳论文奖”，真空玻璃成果也获得澳大利亚科技奖。1993年由悉尼大学提名以“特殊技能人才”类别加入澳大利亚籍。
1998年10月回国继续研发真空玻璃，并在青岛建立实验基地。2001年加入“北京新立基真空玻璃技术有限公司”任技术总监兼“北京东方新立基新材料研究所”所长，又申请十多项专利，有些专利解决了真空玻璃发展中的一些难题，具有国际领先水平。

罗维：
1989年毕业于上海同济大学，在1989年至2001年期间，曾任首钢总公司第一耐火材料厂技术科长、技术厂长等职务，负责科技开发和技术质量管理等工作，2002年就职北京新立基真空玻璃真空玻璃技术有限公司，任常务副总经理。带领团队实现了真空玻璃技术创新和产业化关键进程。