贴膜玻璃及其热工性能测试

引自http://www.topenergy.org/news_7629.html
 
 华南理工大学:周荃 孟庆林 赵立华

1 引言
 
       在各种能源消耗中,建筑物采暖及空调耗能占有相当大的比重,而通过门窗散失的热量约占整个建筑采暖及空调耗能的50%。窗节能与否的关键是看透明部分也就是玻璃的热工性能如何。为了进一步提高现代建筑的节能功效,对重要建筑材料——平板玻璃功能的研究被视为重要的课题,各种节能型的玻璃以不同的工艺相继被开发。贴膜玻璃就是其中一种，具有隔热节能、防紫外线、美化外观等特点的高性能窗用玻璃。
 
2 贴膜玻璃概述
 
       贴膜玻璃是在平板玻璃表面上贴上一种多层的聚酯薄膜，以改善玻璃的性能和强度，使其具有保温、隔热、节能、防紫外线、美化外观、遮蔽私密、安全等功能。早期的膜仅具有将太阳辐射反射出玻璃窗外，以阻止玻璃内表面的热量增加的性能。 随着制造工艺的不断发展，新一代的本体着色隔热膜诞生了， 它丰富的色彩为建筑师提供了广阔的设计空间。主要的颜色有：棕色、灰色、金色、琥珀色、蓝色、绿色等。1970年美国的能源危机引出了膜的另一方面的性能开发--减少室内热能损失（即"保温性"）。研究发现，聚酯膜不仅可作透明介质，更具有吸收和反射长波红外线的能力。经过反复试验，膜的材料、结构有了大的改变，这一改变，更提高了膜的"保温性"，也就产生了"低辐射膜"--LOW-E膜。
 
      目前，全世界有60多个国家使用贴膜玻璃，主要用于室内或室外与玻璃有关的地方或场所，如大厦玻璃幕墙、门窗，玻璃隔断，居家用玻璃门窗等。特别值得一提的是，当贴膜玻璃制品被用于高层建筑物的窗玻璃日寸，大大降低了玻璃碎片对下面行人造成的危险。由于我国尚不能自行生产类似箔膜，国外一些箔膜生产厂家便在我国设立了代理公司。至此，我国于1993年开始使用贴膜玻璃，最初主要用于银行门窗、商场门窗及摆放贵重物品的橱窗玻璃、高层建筑玻璃幕墙等。
 
      贴膜玻璃的生产工艺比较简单。如果需要，也可直接贴到门窗的玻璃上。因此，玻璃贴膜不仅适合在新建筑物中使用，对翻修改造现有建筑物更具独特的效果。不难推测，我国旧有建筑门窗改造也为玻璃功能膜提供了一个广阔市场。
 
3 实验部分
 
3.1测试及数据处理依据
 
       本实验是按照国标GB/T2680-94的要求,并参考国外ISO标准9050-1990进行的，测试的是太阳光透过大气层直接照射到窗玻璃上，而不包括地面、建筑物的反射、散射光的情况，也就是不考虑遮阳、建筑物互遮挡等情况。太阳光是指近紫外线、可见光和近红外线组成的辐射光，波长范围为280～2500nm。其中，280～380nm内为紫外光区，380～780nm为可见光区，780-2500 nm为近红外光区。
 
3.2实验方案
 
       本次实验测试4mm厚平板玻璃、在4mm厚平板玻璃上贴高透明隔热膜(龙膜LS60)的贴膜玻璃，在4mm厚平板玻璃上贴高级反射膜(龙膜R50)的贴膜玻璃。本次实验是测试在3种类玻璃在波长为280nm～2600nm范围内光源沿玻璃表面法向入射时的透过率和反射率。
 
3.3实验设备
 
      本实验采用分光光度计来测量玻璃在不同波长下的光谱透射比和光谱反射比。分光光度计是专门用来测量光学材料如玻璃、镜头和棱镜等的各种参数的仪器。本次实验所采用的分光光度计带有高精度的积分球，可以保证在其测量的波长范围内（175nm～2600nm）的准确性；同时，该仪器的数据输出已经全部实现电脑控制，减少了人工操作所带来的误差。此外，还可以对测试得到的数据进行初步的数学处理，如求出最值，进行曲线的平滑等等。
 
      国标中规定：在光谱透射比测定中，采用与试样相同厚度的空气层作参比标准；在光谱反射比测定中，采用标准镜面反射体作为工作标准。因此，在进行测量前都要对分光计的基准线进行标定，以确定基点。
 
3.4数据计算处理
 
      光度计测得的光谱透射比和反射比并不可以直接用来描写玻璃在整个波长内的透过率和反射率，还需要考虑太阳光直接辐射时相对光谱的分布情况、太阳光光谱功率的分布情况等因素，再通过积分的方法才可以求出可见光透射比，可见光反射比，太阳光直接透射比，太阳光直接反射比，太阳能总透射比，遮蔽系数等参数。按照国标的规定,这些积分可以简化成在一定波长间隔下光谱透射比和反射比与相应系数的乘积的累加值。其中，太阳能总透射比是指太阳光直接透射比与玻璃吸收太阳能升温后向室内二次热传递系数之和。遮蔽系数是指试样的太阳能总透射比与3mm厚普通透明平板玻璃的太阳能总透射比（其理论值取88.9%）
 
       根据分光光度计测得的数据形式和最后需要的参数及国标中规定的求解公式，本人用FORTRAN语言编辑了一个程序。把分光光度计测得的数据以TXT格式存入到指定文件夹，就可直接得出测试结果。

3.5数据分析

       在280~380nm紫外光区，从图2看，4mm平板玻璃在280~320nm之间透过率较低，320~380nm较高，最大值81.1%， 最小值12.6%，因此紫外线对平板玻璃还是有较高的通过率； LS60贴膜玻璃此区间的透过率很低，最大值0.4%， 最小值0.1%；R50贴膜玻璃此区间的透过率也很低，最大值0.7%， 最小值0.1%。
 
       从图1看，4MM平板玻璃反射率最大值7.9%，最小值5.4%； LS60贴膜玻璃反射率最大值16.9%， 最小值6%；R50贴膜玻璃反射率较低最大值4.5%，最小值3.8%。根据α+τ+ρ＝1，可见LS60和R50对紫外线都有较高的吸收率。
 
        在380~780nm可见光区间，从图2看，4mm平板玻璃有较高的透过率，最大值89.3%， 最小值76.5%，在表1中查出可见光透过率为86.4%，； LS60贴膜玻璃此区间也有较高的透过率，最大值62.2%， 最小值26.4%，可见光透过率为55.4%；R50贴膜玻璃此区间透过率最大值34.1%， 最小值57.3%，可见光的透过率为44.1%。从图1看，4mm平板玻璃反射率较低，最大值8.4%， 最小值7.7%，可见光的反射率为8.3%； LS60贴膜玻璃在此区间反射率最大值31.5%， 最小值17.3%，可见光的反射率为25.6%；R50贴膜玻璃反射率较低最大值26.6%，最小值8.8%，可见光的反射率为24.7%。
 
        在780~2600nm近红外光区间，从图2看透射率，4mm平板玻璃有较高的透过率，最大值78.8%， 最小值65.9%； LS60贴膜玻璃此区间透过率较低，最大值29.3%， 最小值0.9%；R50贴膜玻璃此区间透过率也较低，最大值35.2%， 最小值15.6%。从图1看反射率，4mm平板玻璃反射率较低，最大值7.2%， 最小值6.2%； LS60贴膜玻璃在此区间反射率较高，最大值68%， 最小值19.1%；R50贴膜玻璃反射率最大值36.3%，最小值20.7%。
 
3.5.1 贴膜玻璃与平板玻璃的比较
 
        根据以上的数据分析，贴膜玻璃的紫外线透射率远远小于平板玻璃，即加膜后隔绝了98%以上的紫外线；在可见光区，贴膜玻璃与平板玻璃相比较可见光透射率有所下降，但仍有较高的可见光透射率，反射率有所提高，但都在30%以下；在近红外光区，贴膜玻璃透射率远远低于平板玻璃，也就是说贴膜后阻隔了大量的近红外部分的太阳能。看表1可看出，LS60与R50与平板玻璃相比太阳能总透射比分别降低了38.9%和34.7%，遮蔽系数分别减少了0.438和0.39。这次实验测试的两种贴膜玻璃的半球辐射率与平板玻璃（E=0.83）相比较低，分别为：0.67和0.75。如果降低半球辐射率，就可以防止玻璃吸热后的二次换热，将更有利于玻璃的保温隔热。
 
3.5.2 贴膜玻璃LS60与贴膜玻璃R50性能比较
 
       从图2看这两种贴膜玻璃的透射曲线，差别主要在可见光区和近红外区，可以看出，它们的在这个区间里的交点刚好在780nm附近。780nm之前的可见光区，LS60各波长都相应大于R50的透射率，表1的计算结果显示LS60的可见光透射比比R50高11.3%。在780nm以后的近红外区，LS60各波长的透射率都相应小于R50，也就是说LS60更有效地阻隔了这一部分太阳能的传入。太阳能总透射比，LS60比R50小4.2%；遮蔽系数，LS60比R50小0.048。
 
        鉴于一般的建筑窗的采光的功能需求，我们希望贴膜玻璃的可见光透过率越高越好，但是我们知道可见光部分的总能量占太阳能的43%左右，所以可见光透过率提高的代价必然是进入室内热量的增加，在夏季我们为了减少室内空调的冷负荷，我们的对策是：尽量减少占太阳总能41%的近红外部分的能量进入室内。根据上面的分析，我们可以看出应用于普通采光窗时，ls60的隔热性能明显优于R50，具有较好的节能效果。
 
5 结论
 
基于以上的实验与分析我们得出以下结论：
 
1.普通平板玻璃贴膜后，在保证了足够的可见光透射率的同时阻隔了大量的紫外线和太阳能传入室内，保温隔热性能大大提高，具有明显的节能效果。
 
2.为了优化贴膜玻璃的热工性能，应通过工艺的改进，在保证较好的可见光透过率的同时，尽量降低太阳能中近红外部分的透过率（这里主要指隔热），并且通过降低半球辐射率减少玻璃吸热后的二次换热，从而提高玻璃的保温性能。
 
贴膜玻璃是一种新型节能建材，目前国内尚不能生产玻璃膜，各生产厂家使用的玻璃膜全从国外进口。为了降低贴膜玻璃的成本，便于推广应用，玻璃膜的生产必须国产化。
 
参考文献
[1]  GB/T 2680-94 建筑玻璃 可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗户玻璃参数的测定，1994.
[2] ISO9050  Glass in building-Determination of light transmittance, solar direct transmittance and ultraviolet transmittance, and related glazing factors, 1990.