建筑玻璃光學(xué)及熱工性能檢測方法分析

李 慧 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，安徽 合肥 230031）

1 引言

在以往的能源發(fā)展與利用過程中，能源的消耗量極大，且利用率較低。隨著高質(zhì)量發(fā)展時代的到來，傳統(tǒng)的能源發(fā)展模式已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前節(jié)能減排等方面的要求。鑒于此，各行各業(yè)相繼提出了相應(yīng)的節(jié)能減排措施和計劃，建筑行業(yè)作為資源消耗量巨大的典型行業(yè)，亦需要做出相應(yīng)的改革與調(diào)整。對于門窗和玻璃幕墻而言，它是建筑結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它們的使用不僅可以對室內(nèi)環(huán)境做出調(diào)節(jié)，同時還能降低照明工具的使用量，并且還可以作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，對熱量傳遞起到阻隔作用。因此，當(dāng)前應(yīng)做好建筑玻璃光學(xué)及熱工性能的檢測，進(jìn)而為節(jié)能材料的選擇提供理論與依據(jù)。

2 光學(xué)及熱工性能參數(shù)的介紹

2.1 可見光透射比

大量試驗研究表明，波長介于280～3500nm 的光譜，能夠集聚太陽光97%左右的能量。同時，這些光譜同樣是建筑工程圍護(hù)機(jī)構(gòu)中輻射與熱量輻射的重要來源之一。由于外界太陽光的入射量，再加之太陽光的反射量、吸收量，就得到了太陽光的入射量。由此能夠看出，玻璃的入射、反射量，對于玻璃的吸收能力有著直接的影響。玻璃吸收熱量之后，能夠進(jìn)一步傳遞到建筑室內(nèi)，另一部分可以通過輻射作用傳遞到室內(nèi)。因此，建筑項目圍護(hù)結(jié)構(gòu)與外墻上的玻璃的光學(xué)性能有著重要的聯(lián)系。在進(jìn)行建筑項目建設(shè)各種期間，應(yīng)結(jié)合實際情況選擇合理類型的玻璃，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能減排的目的[1]。一般來說，透光系數(shù)的定義為兩項參數(shù)的比值，即透過玻璃與入射在玻璃表面上的可見光通量之間的比值。設(shè)計與施工過程中，可以通過調(diào)節(jié)上述參數(shù)，進(jìn)而實現(xiàn)對室內(nèi)明暗程度的調(diào)整。上述兩項參數(shù)的調(diào)整，也關(guān)系到室內(nèi)照明能量的消耗情況。鑒于此，應(yīng)通過科學(xué)的方式對玻璃的光學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行控制。

圖1 太陽光入射圖

2.2 遮陽系數(shù)

對于遮陽系數(shù)而言，它與玻璃阻擋陽光輻射的能力呈反比關(guān)系。遮陽系數(shù)包含兩部分，其一是太陽光的直接透射，其二為二次熱傳遞。在不同的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)選擇不同遮陽系數(shù)的玻璃材料。如果遮陽系數(shù)較高，那么透過玻璃進(jìn)入到室內(nèi)環(huán)境的太陽能輻射就比較多，這對于降低冬季的取暖費(fèi)用有著重要的意義，在一些冬季時間長的北方地區(qū)，主要用到此類玻璃。對于遮陽系數(shù)低的玻璃，主要應(yīng)用在夏季時間較長的南方地區(qū)。

2.3 太陽能總透射比

這一概念主要是指玻璃及其構(gòu)件吸收的太陽光直接透射與輻射，在介質(zhì)傳熱作用之后，進(jìn)入到建筑室內(nèi)的能量。隨著進(jìn)入室內(nèi)能量的不斷增多，室內(nèi)溫度將會出現(xiàn)大幅的升高，尤其在夏季會導(dǎo)致空調(diào)制冷消耗的能量增多[2]。因此，在進(jìn)行玻璃的選擇時，太陽能總透射比也是一項重要的參數(shù)。

2.4 傳熱系數(shù)

傳熱系數(shù)是指在穩(wěn)定的一個傳熱條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫差為1 度（K或℃），單位時間通過單位面積傳遞的熱量。建筑玻璃的U 值通俗解釋，即在標(biāo)準(zhǔn)條件下，單位時間內(nèi)從單位面積的玻璃組件一側(cè)空氣到另一側(cè)空氣的傳輸熱量。其是衡量材料隔熱性能的物理量。

除此之外，對于門窗與幕墻玻璃的選擇，還應(yīng)考慮太陽光直接反射比、可見光反射比光傳熱系數(shù)等相關(guān)的參數(shù)，由于篇幅所限，這里不再對其基本概念進(jìn)行詳細(xì)的解說。

3 光學(xué)及熱工性能檢測技術(shù)分析

3.1 玻璃系統(tǒng)厚度檢測

在受到外界環(huán)境溫度等因素的影響下，所用的中空玻璃氣體間隔層將會發(fā)生熱脹冷縮的問題，因而應(yīng)當(dāng)考慮玻璃系統(tǒng)構(gòu)造的厚度。為避免厚度受到溫度等因素的影響而出現(xiàn)變化，應(yīng)當(dāng)對靠近玻璃邊角的地方做出厚度測量。對于玻璃系統(tǒng)構(gòu)造厚度而言，測量過程中應(yīng)當(dāng)注意以下問題：其一，在使用激光測厚儀或者是超聲波測厚儀進(jìn)行檢測時，分辨率不大于0.5mm；其二，檢測時應(yīng)當(dāng)在玻璃的四角位置選取4 個不同的測點(diǎn)，并對其構(gòu)造厚度以及每層的厚度、氣體間層厚度等參數(shù)進(jìn)行測量。需要注意的是，測點(diǎn)位置與玻璃邊部的距離應(yīng)當(dāng)控制在50～120mm[3]；其三，對于所測得的4 個測點(diǎn)的厚度參數(shù)，應(yīng)當(dāng)取其算術(shù)平均值，當(dāng)作厚度檢測值。該數(shù)值主要用于驗收工作中的尺寸核驗，同時在熱工參數(shù)的計算過程中也需要用到該參數(shù)，測量結(jié)果要修正至0.1mm；其四，如果玻璃結(jié)構(gòu)是異形，那么應(yīng)當(dāng)分別選取距邊頂點(diǎn)50～120mm 的測點(diǎn)做出相應(yīng)的測量，并且要保證測點(diǎn)的數(shù)量超過3個。

圖2 玻璃測厚儀及工作原理圖

對于玻璃系統(tǒng)的平均厚度而言，是針對實際使用環(huán)境中的玻璃所測量得到的厚度參數(shù)，并利用上述厚度值，計算得到相應(yīng)的熱工參數(shù)。該參數(shù)主要用于節(jié)能評估。玻璃的平均厚度將對傳熱系數(shù)的計算產(chǎn)生重要的影響。尤其在冬季時間較長的北方地區(qū)，且建筑的節(jié)能要求較高，那么應(yīng)當(dāng)在冬季進(jìn)行玻璃平均厚度的測量。需要注意的是，應(yīng)當(dāng)使用等面積均分方式，對檢測區(qū)域做出劃分，進(jìn)而確保玻璃檢測結(jié)果的精確性。在進(jìn)行平均厚度的測量工作期間，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)問題：其一，對于平均厚度的測量，要結(jié)合節(jié)能性能評估方面的具體要求，同時還要在當(dāng)?shù)氐湫蜌夂驐l件下做出相應(yīng)的測量；其二，如果待測玻璃是矩形，檢測過程中應(yīng)當(dāng)對每個邊界進(jìn)行均等劃分。劃分期間，每個邊長不能超過500mm。其三，結(jié)合劃分的結(jié)果，對不同分區(qū)域的中點(diǎn)處厚度進(jìn)行測量。其四，對于每層玻璃的厚度、氣體間層厚度也要做出測量。其五，如果玻璃是三角形，那么要對各邊的中點(diǎn)進(jìn)行連接，進(jìn)而把玻璃劃分成為4 個不同的區(qū)域，再對每個區(qū)域的中點(diǎn)位置進(jìn)行總厚度的測量，同時還要對每層玻璃的厚度以及氣體間層厚度做出相應(yīng)的測量。需要注意的是，每個分區(qū)域的邊長不能超過500mm。

3.2 中空玻璃惰性氣體含量檢測

在受到外界環(huán)境溫度以及安裝角度等諸多因素的影響下，空氣間層內(nèi)的惰性氣體分布具有不均勻性，因此應(yīng)當(dāng)均勻地選取測量點(diǎn)，并對測量結(jié)果求取平均值，以此作為中空玻璃氣體含量的重要參數(shù)。現(xiàn)階段，在開展現(xiàn)場無損檢測工作期間，對于中空玻璃的惰性氣體含量檢測方法主要分為兩種：首先，采用等離子體發(fā)射光譜法進(jìn)行檢測；其次，采用半導(dǎo)體激光吸收光譜法進(jìn)行檢測。具體檢測過程中，應(yīng)當(dāng)注意以下兩點(diǎn)問題：一方面，在玻璃的兩側(cè)，應(yīng)當(dāng)分別選取5 個不同的測點(diǎn)，且測點(diǎn)的選取要均勻，距離玻璃邊部100mm 左右；另一方面，對于所測的10 個測點(diǎn)的結(jié)果，要求取平均值。

3.3 半球輻射率檢測

在開展建筑工程驗收工作以及節(jié)能評估等工作時，需要進(jìn)行熱工參數(shù)的計算，這一過程中需要用到膜面位置以及膜面半球輻射率值等相關(guān)參數(shù)。為了避免被測玻璃邊部金屬材料對測量儀的使用產(chǎn)生不利影響，因而所選測點(diǎn)應(yīng)當(dāng)距離玻璃邊部100mm 以上，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。具體測量過程中，應(yīng)當(dāng)注意以下兩點(diǎn)問題：其一，所選擇的測點(diǎn)應(yīng)當(dāng)盡可能遠(yuǎn)離玻璃的邊部，并且要確保距離超過100mm[3]，同時，所選測點(diǎn)的數(shù)量要超過3 個；其二，對于膜面半球輻射率的檢測值，應(yīng)當(dāng)對每個測點(diǎn)的檢測結(jié)果進(jìn)行平均值處理。

半球輻射率檢測結(jié)果 表1

4 玻璃光學(xué)熱工參數(shù)的檢測流程與方法分析

通常情況下，在進(jìn)行遮陽系數(shù)的檢測時，主要選擇的設(shè)備有兩種，即分光光度計、紅外光譜測量儀。在本文中，主要使用分光光度計等設(shè)備，對波長250～2500nm 的光譜進(jìn)行檢測。所選擇的紅外光譜測量儀為傅里葉變換光譜儀，借助于該設(shè)備，能夠?qū)ΣㄩL為2500～25000nm 的玻璃做出測定與檢測。其中，圖3 為單（左）、雙（右）層玻璃檢測的流程與方法示意圖。

圖3 單層、雙層玻璃檢測流程與方法示意圖

第一，具體測量期間，試樣表面法線和照明光束光軸之間的夾角不能超過10°。在進(jìn)行樣品的放置過程中，要確保樣品與檢測面緊貼，進(jìn)而保證檢測設(shè)備光線的入射角度，并保證檢測數(shù)據(jù)具有良好的精準(zhǔn)效果。第二，對于傳熱系數(shù)的計算，要利用冬季標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算，這一過程中應(yīng)當(dāng)保證太陽輻射Is=0。在進(jìn)行太陽光總透射比以及遮陽系數(shù)的計算過程中，要選擇夏季標(biāo)準(zhǔn)。第三，做好玻璃每一面位置的標(biāo)明工作。由于玻璃材質(zhì)的不同，那么遮陽系數(shù)會存在較大的差距，尤其是鍍膜玻璃。在進(jìn)行每一片玻璃的檢測時，要對每一面進(jìn)行標(biāo)明，同時還要根據(jù)現(xiàn)場實際情況，保證室內(nèi)、外檢測樣品的數(shù)據(jù)具有真實性。在進(jìn)行中空玻璃的檢測工作時，應(yīng)當(dāng)對每一片玻璃的紫外、紅外光做出測試，以獲取精確的參數(shù)。第四，在進(jìn)行中空玻璃的檢測時，由于膜面會受到潮氣、氧化劑等因素的影響，因而在進(jìn)行測試工作期間，要在拆分之后盡快做出檢測，拆分與檢測之間的時間不能超過12h[4]。第五，對于分光光度計的使用，在經(jīng)過長途運(yùn)輸之后，要對其進(jìn)行校正。第六，要做好反射附件的保存。

5 檢測方法實際應(yīng)用案例及結(jié)果分析

建筑門窗幕墻行業(yè)中，常見玻璃的種類主要有鋼化玻璃、夾層玻璃、低輻射鍍膜玻璃（Low-E 玻璃）、中空玻璃等。不同品種玻璃的光學(xué)、節(jié)能以及安全性能都有著比較大的差異?，F(xiàn)就安徽中部地區(qū)某項目工程的幾種不同規(guī)格玻璃取樣，按照單層、雙層玻璃檢測流程進(jìn)行試驗并數(shù)據(jù)比較，并分析其光學(xué)及熱工性能。

該工程中玻璃主要采用規(guī)格為6Low-Emm+12A+6mm 中空玻璃，部分區(qū)域使用6mm+12A+6mm 中空玻璃，為對比不同規(guī)格樣品的光學(xué)差異，先將樣品重新分組成單層玻璃樣品1/2，中空玻璃3/4/5進(jìn)行試驗并進(jìn)行數(shù)據(jù)比對。根據(jù)分光光度計掃描的光譜圖譜（圖4），由于低輻射鍍膜玻璃膜層具有對可見光高透過及對中遠(yuǎn)紅外線高反射的特性，樣品1 和樣品2 在380nm～780nm的可見光區(qū)域都有著較高的透過率，但在波長范圍800nm～2500nm 的紅外光區(qū)域，樣品2比樣品1有著較高的反射作用，其U 值也相對更低，隔熱效果比較明顯。而把兩片玻璃以有效支撐均勻隔開并周邊粘接密封，制成玻璃層間形成有限干燥氣體空間的中空玻璃，再按照雙層玻璃檢測流程進(jìn)行試驗，樣品1 和樣品3 對比，可以發(fā)現(xiàn)較單層玻璃，中空玻璃的U 值和SC 值更低，其隔熱性和保溫性能得到明顯提升（表2）。熱傳遞有三種方式，分別為熱輻射、熱對流和熱對導(dǎo)。中空玻璃兩片玻璃之間采取了密封結(jié)構(gòu)，玻璃中間間隔層內(nèi)的氣體處于靜止?fàn)顟B(tài)，從而基本上解決了熱傳遞中的熱對流，而熱對流的熱輻射占熱傳遞熱輻射的20%～25%，熱傳遞的阻隔決定了其保溫性能。為進(jìn)一步探究中空玻璃保溫性能，我們將中空玻璃的中空腔內(nèi)氣體填充成氬氣，通過樣品4和樣品5數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，其U 值持續(xù)下降，隔熱效果更好。這是由于惰性氣體有更高的穩(wěn)定性，中空腔內(nèi)分子運(yùn)動少，中空玻璃的保溫性能得到了進(jìn)一步提升。因項目地點(diǎn)屬安徽中部地區(qū)，氣候條件為夏熱冬冷，其項目玻璃設(shè)計要求為遮陽型，6Low-Emm+12A+6mm可見光透射比工程設(shè)計值為0.50，遮陽系數(shù)設(shè)計值為0.48，經(jīng)樣品4 試驗數(shù)據(jù)可判定，該樣品滿足設(shè)計要求。

不同種類玻璃光學(xué)參數(shù)統(tǒng)計表 表2

圖4 6mm透明玻璃和6LOW-E鍍膜玻璃光譜圖

6 結(jié)語

通過分析與研究可以發(fā)現(xiàn)，不同類型的玻璃在光學(xué)、熱工性能方面存在著較大的差別。為提高建筑行業(yè)的節(jié)能減排效果，在進(jìn)行玻璃的選用時要遵循因地適宜的基本原則，同時還要對不同的環(huán)境要求、建筑要求做出分析，最終選擇比較適合的玻璃材料，以此提高建筑項目的節(jié)能減排效果。