具有隔热功能的夹层玻璃中间膜的研究与使用

来源:2016年会论文集 查看原文  时间:2016-4-19

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  近年来,由于纳米分散技术、磁控溅镀技术的快速发展,通过对PVB夹层玻璃中间膜的生产过程中进行添加、加工和处理,使中间膜具有了光谱选择性,特别是对太阳近红外光谱段有较好的吸收或反射性能,使近红外透射比大幅降低,因此降低了太阳能总透射比SHGC。

  目前一般有三种PVB组合成型方法:

  第一种是在加入聚乙烯醇缩丁醛的可塑剂(增塑剂-plasticizer)中添加吸热材料,如纳米级金属氧化物,通过调整添加材料的纳米颗粒尺寸和比例,使中间膜可吸收近红外谱热能,如图1。

  第二种是在两层PVB胶中夹有一片隔热膜,隔热膜是采用磁控溅镀工艺的金属反射膜,膜层对近红外线有较高的反射,优点是可以反射大部分红外线热能,减少了膜层吸热后再向室内的传热,降低了太阳能总透射比SHGC,该种PVB中间膜的主要缺点是价格高昂,其夹层玻璃力学特性也为业界所存疑。

  第三种是采用遮阳型Low-E玻璃代替其中的一片白玻(图3),用普通PVB胶片进行热压粘合,利用遮阳型Low-E膜层对近红外线的反射特性实现对近红外的阻隔。

  由于近红外光谱紧邻可见光区,为保证较高的可见光透光率,在光谱交界波长的780nm处的带阻滤波斜率需尽可能陡峭(接近90度),该种PVB中间膜就需要离线溅镀双银或三银多层反射膜。由于这些膜层容易受到水汽侵蚀氧化,必须使用在干燥气体环境中,如制成中空或真空玻璃。单独用做夹层玻璃时,需将Low-E膜层与中间膜粘合。但这种组合同时带来三个问题,一是由于和中间膜粘结后,给热/换热系数远大于Low-E膜层的辐射换热,相当于Low-E膜层被短路,失去对传热系数U值的贡献。其二是多银Low-E膜层的力学特性(抗拉力和剪切力等)较差,降低了夹层玻璃的牢固性,其三是水汽侵入更容易使Low-E膜层氧化,并进一步降低夹层玻璃的力学和光学性能。

  对第一种方案来说,在PVB中掺入纳米级复合金属氧化物多以对近红外热能的吸收为主,吸收的热能一部分又会经内侧玻璃传递到室内。因此三种方案各有优缺点。本文希望通过对不同技术方案进行光热计算,给夹层玻璃厂商选择中间膜方案时提供参考。

  1、 太阳辐照能量

  了解太阳辐射按的光谱能量分布,对通过对光谱滤波实现光学节能十分重要,例如红色谱的辐照度超过蓝色的两倍多,显然阻隔红色谱比阻隔蓝色谱对减少进入室内的总辐射量贡献要大得多。

  太阳辐射能量主要分布在波长为0.38um~0.78um的可见光区,和0.78um~4um的红外区,前者约占50%,后者约44%,紫外区的太阳辐射能很少,只占总量的6%。在全部辐射能中,波长在0.15~4μm之间的占99%以上。

  太阳辐射通过大气后,其强度和光谱能量分布都发生变化。到达地面的太阳辐射能量比大气上界小得多,在太阳光谱上能量分布在紫外光谱区很小,大约在4%,在可见光谱区为48%,红外光谱区为48%。

  科学计算常用太阳照射角度偏离头顶46.8度的AM1.5G表示在地面上太阳光谱能量,其辐照度为963.75瓦/米2。室内得热受自然环境影响,包括在0.295~2.5μm波长区间的太阳直接辐照,以及在10um左右物体吸热再辐射的部分。

  因各地太阳辐射强度不同,为方便热工计算和制定产品标准,在计算由室内、外温差和太阳辐射引入的传热之和RHG(Relative Heat Gain—相对增热)时,一般会采用统一的太阳辐射得热因子SHGF(Solar Heat Gain Factor),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W/m²,并用Sc和SHGF的乘积表示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,如在ASHRAE夏季标准条件下,SHGF取值630W/m²;相对增热表达式为:

  RHG=14°F x U(夏)+200 x Sc(BTU/h-ft²)=7.78℃ x U(夏)+630 x Sc(W/m²)

  以下对各种组合的夹层玻璃吸热温升值、节能效果、遮阳比等给出一些计算和结果,特别是针对一些夹层玻璃制造企业和用户,对吸热型中间膜产品由于吸热导致玻璃温升过高,以至引起爆裂的认识误区和顾虑做出澄清。计算采用的设定值取自一些典型产品的技术参数,并不针对所有产品。

  2、 双白玻组合的夹层玻璃:

  i) 白玻+吸热型中间膜+白玻

  · 设产品技术参数如下:

  可见光直接透射比:0.78;

  近红外直接透射比:0.08;

  太阳光直接反射比(300nm~2500nm):0.08;

  · 其它参数分别设定如下:

  室内侧换热系数αi:8.7W/m²K;

  室外侧换热系数αe:23 W/m²K;

  太阳总辐射能:630 x 0.87 = 548W/m²;

  在总辐射能中,可见光、红外+紫外合计各占50%;

  可见光直接透射比0.78,占太阳总辐射量的(简称占比)39%;近红外直接透射比为0.08,占比4%;太阳光直接反射比为0.08,合计为:51%,其余为中间膜及玻璃吸收部分为49%,为268.5W/m²。

  中间膜吸收的太阳辐射热向玻璃两侧传递(如图4)。由于玻璃两侧面的温差相对于玻璃因吸热升温较小,因此在计算玻璃升温时忽略不计,设稳态下的玻璃二侧表面温度均为T,与室内侧温差为△Ti,与室外侧温差为△Te,由于换热系数与温差不同,中间膜吸热再传递到两侧的热流密度也不同,向换热较大的室外侧面传递热量比换热较小的室内侧面要多。在热稳态下:

  αi△Ti+αe△Te=268.5W/m²;

  △Ti=T-Ti;△Te=T-Te;

  其中:Ti、Te分别为室内、外温度;αi、αe分别为室、内外换热系数;

  a. 当Ti=Te;△Ti=△Te=△T

  △T(8.7+23)=268.5;

  △T=268.5/31.7=8.47℃;

  b. 内侧环境温度24℃,外侧环境温度32℃

  αi△Ti+αe△Te=268.5W/m²;

  8.7(T-24)+23(T-32)=268.5;

  T=38.3℃;

  当两侧环境温度相等时,稳态下玻璃吸热再传入内侧的热量为74W/m²,占总辐射能量的13.5%:

  玻璃升温:8.5℃;

  近红外透射比:0.35;

  SHGC :0.56;

  Sc(SHGC/0.87):0.65;

  光热比:1.38;

  当室内温度小于室外,如室内24℃,室外32℃时,玻璃与室内环境温差变大,玻璃吸热再传热到内侧增大为124W/m²,占总辐射能量:22.4%

  玻璃表面温度:38.3℃;

  近红外透射比:52.8%;

  SHGC:0.65;

  Sc(SHGC/0.87):0.75;

  光热比:1.1。

  就吸热型夹层玻璃温度来看,内外侧环境温度相等时,玻璃表面温升为8.5℃,在室内24℃、室外32℃情况下,玻璃表面温度为38.3℃。采用双白玻组合的夹层玻璃对降低U值没有贡献。

  ii) 白玻+反射型中间膜+白玻

  · 设产品技术参数如下:

  可见光直接透射比:0.60;

  近红外直接透射比:0.10;

  可见光直接反射比:0.20;

  近红外直接反射比:0.75;

  其它参数按前述设定值

  反射型中间膜夹层玻璃可见光透射比60%;近红外透射比10%;近红外反射比为75%;可见光直接反射比20%;合计占比82.5%。其余为中间膜及玻璃吸收部分17.5%,为96W/m²。内侧24℃、外侧32℃:

  8.7(T-24)+23(T-32)=96;

  T=1041/31.7=32.8℃

  以上计算得出,稳态时中间膜吸热再传入室内的热量为8.7(32.8-24)=77W/m²,占总辐射能量的14%。采用双白玻组合的反射型夹层玻璃对降低U值没有贡献:

  玻璃温度:32.8℃;

  近红外透射比0.38;

  SHGC:0.49;

  Sc(SHGC/0.87):0.56;

  光热比:1.1

  3、 白玻+普通PVB+在线Low-E白玻:

  该组合为一面玻璃采用普通白玻,另一面采用在线Low-E玻璃的夹层玻璃(图5),在线Low-E膜面朝外,不与中间膜粘合。利用在线Low-E低辐射,以及膜层坚硬、牢固、可清洗、不发生氧化反应、可直接面对室内使用环境等稳定特性,进一步降低太阳辐射和室内外温差对室内的增温。

  设产品技术参数如下:

  可见光直接透射比:0.70;

  近红外直接透射比:0.05;

  太阳光直接反射比(300nm~2500nm):0.08;

  采用在线Low-E玻璃旨在减小玻璃内侧换热系数,从而减少进入室内的太阳辐射与室内外温差对室内的增温。以下计算中换热系数采用如下简化计算公式:

  αi = 6. 12 × εi + 3. 6

  αe =6. 12 × εe + 17. 9

  εi- 室内侧玻璃辐射率:在线Low-E取0.2;

  εe- 室外侧玻璃辐射率:普通白玻取0.84;

  按上式计算出:

  室内侧玻璃给热/换热系数αi=4.8;

  室外侧玻璃给热/换热系数αe=23;

  按以上参数,太阳光直接透射及反射合计为47%,其余53%为中间膜及玻璃吸收部分,吸收太阳辐射299W/m²。

  αi△Ti+αe△Te=299W/m²;

  4.8△Ti+23△Te=299W/m²

  △Ti=T-Ti;

  △Te=T-Te;

  其中:Ti、Te分别为室内、外温度;αi、αe分别为室、内外换热系数;

  a. 当Ti=Te;△Ti=△Te=△T

  △T(4.8+23)=290;

  △T=10.7℃;

  b. 内侧环境温度24℃,外侧环境温度32℃

  αi△Ti+αe△Te=290W/m²;

  4.8(T-24)+23(T-32)=290;

  T=41.4℃;

  当两侧环境温度相等时,稳态下因中间膜吸热导致的玻璃温升为10.7℃。吸热再传入室内的热量为51.6W/m²,占总辐射能量的9%:

  玻璃升温:10.7℃

  近红外透射比:0.24;

  SHGC :0.47;

  Sc(SHGC/0.87):0.54;

  光热比:1.5

  U(夏):3.3W/m²K

  U(冬):3.0 W/m²K

  当室内温度小于室外时,室内侧温差变大,玻璃吸收再传热到室内比例增大。室内24℃,室外32℃时,向内侧传热为83.4W,占总辐射能量的15%。

  玻璃表面温度:41.4℃。

  近红外透射比:0.35;

  SHGC:0.53;

  Sc(SHGC/0.87):0.60

  光热比:1.16。

  U(夏):3.3W/m²K

  U(冬):3.0 W/m²K

  从以上计算结果及实际测试结果看,对吸热型中间膜采用白玻与Low-E玻璃的组合会降低SHGC值,这是因为中间膜吸收近红外热能后转为长波向两面传递,在达到玻璃外侧的Low-E膜层时,由于膜层的低辐射特性,使玻璃表面换热系数大幅降低。例如在本例中的换热系数由8.7W/m²降低到4.8W/m²,降幅接近一半,因此吸收再传递到室内侧的热量大幅减少。而根据能量守恒定律,室内侧换热减少必然增加室外侧换热量,玻璃温度也将增加,如在本例中玻璃温度提高2℃。

  4、 白玻+吸热型中间膜+白玻与Low-E中空玻璃的组合:

  将双白玻夹层玻璃视为一块外玻璃,与Low-E中空玻璃进行组合(图6),也可以视为Low-E中空玻璃的一侧玻璃透过中间膜与外侧玻璃粘合。中间膜吸热后通过接触换热传递到中空玻璃,与中空玻璃先吸收长波再降低热量传递的原理相同,利用中空玻璃低传热系数的保温特性,将中间膜吸收的热量降到最低。

  设在单位面积中间膜吸收热量为Q,根据下式可计算在不同的室内外温度下,中间膜吸热后在稳态平衡下的玻璃温度:

  Q=U△i+ αe△e = U(T-Ti)+ 23(T-Te)

  中间膜将太阳辐射热能吸收,并转换为长波向两侧玻璃传递,中空玻璃的Low-E面在第二面或第三面对降低室内传热没有区别。采用较低传热系数的中空玻璃对保温与隔热十分重要,因此需采用辐射率较低的高透型离线Low-E玻璃,例如采用辐射率为0.03的low-E玻璃,充惰性气体可以将U值降到1.3W/m²K以下,在可见光透射比达到60%时,仍可将SHGC值降到0.4。

  吸吸收型中间膜可以实现最高的可见光透射比,以及最低的近红外线(直接)透射比,而中空玻璃可将U值控制在1W/m²K以下也已经不是难题,而这种夹层中空玻璃又是安全玻璃的最好选择,因此相信定会在业界获得大范围推广。

  5、 结论与展望:

  本文主要讨论隔热型夹层玻璃,最重要的指标是可见光透射比Tvis和太阳能总透射比SHGC,以及光热比Tvis/SHGC。采用哪种解决方案主要是看能否在保证可见光透射比满足要求的前提下,选用能提供最高光热比的组合。

  从理论、实测结果和实际使用上看,纳米陶瓷夹层玻璃可以提供最高的可见光透射比及光热比。

  吸热型夹层玻璃会在吸收太阳辐照时会产生温升,但温升的幅度并不大。计算与实际测试证明,即使在室内温度26℃,室外温度40℃的情况下,在普通大气环境中,玻璃温度不会超过45℃。即使室内外温度同为40℃室内的情况下,玻璃温度仍小于48.5℃,这个温度离中间膜软化温度很远,更不会引起爆裂。

  从以上计算也可以得出,玻璃温度每增加1℃,内外表面散热约增加30W/m²,扣除玻璃透射及反射,中间膜吸收的最大热量为太阳最大辐照的60%,即使在某些极端环境下,太阳辐照达到600W/m²,玻璃温升也不会大于20℃。这个下幅度并不大,如本文中的计算与实际测试结果温差较大时,红外线

  而在采用白玻+Low-E组合时,吸热型玻璃表现出明显的优势,SHGC低于反射型夹层玻璃,而且室内外温差增加对SHGC影响也很小。

  吸热型夹层玻璃之所以具有较高的可见光透射比和光热比,是因为其滤波特性曲线比较陡峭,因此可保留更多的可见光。而且反射率较低,不会产生光污染,而反射型中间膜如在可见光区反射过高,会造成光污染和透光率下降。

  结论:在强调绿色节能和舒适性的时代大需求下,兼顾节能与舒适性的夹层玻璃有着巨大的市场前景。综合表1比较结果,纳米陶瓷中间膜可以提供最高的可见光透射比、最低的遮阳比和最高光热比,因此能够使夹层玻璃大幅提升其节能与舒适性,在和Low-E中空玻璃组合后,还能提供最优异的保温性能。

  展望:纳米陶瓷中间膜为夹层玻璃带来节能与舒适性的大幅提升,相信不仅必会带动汽车前挡风玻璃,以及新能源汽车玻璃的整体升级,而且对强调更安全、更节能的夹层中空玻璃具有重大意义,将带动中空玻璃的产业进步。

  参考资料:

  陈启高 《建筑热物理基础》. 西安交通大学出版社. 1991

  王 耶 《低辐射玻璃的概念及其研究与应用问题的讨论》中国玻璃 2007年第一期

  董子忠 许永光 陈启高 温永玲 重庆大学建筑技术科学研究所《 窗户传热系数的简化计算方法》保温材料与建筑节能

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专家介绍

牛晓
铝门窗幕墙委员会专家组
工作单位:合肥威迪变色玻璃有限公司
技术职称:教授级高工
专业:超白玻璃、LOW-E玻璃生产工艺研究
专长:建筑玻璃深加工技术

  作者:牛晓 武爱平
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