建筑玻璃光学及热工性能检测方法分析
发布时间：2023-04-20作者：小编来源：点击：次
在以往的能源发展与利用过程中，能源的消耗量极大，且利用率较低。随着高质量发展时代的到来，传统的能源发展模式已经无法适应当前节能减排等方面的要求。鉴于此，各行各业相继提出了相应的节能减排措施和计划，建筑行业作为资源消耗量巨大的典型行业，亦需要做出相应的改革与调整。对于门窗和玻璃幕墙而言，它是建筑结构的重要组成部分，它们的使用不仅可以对室内环境做出调节，同时还能降低照明工具的使用量，并且还可以作为围护结构，对热量传递起到阻隔作用。因此，当前应做好建筑玻璃光学及热工性能的检测，进而为节能材料的选择提供理论与依据。
2 光学及热工性能参数的介绍
2.1 可见光透射比
大量试验研究表明，波长介于280～3500nm的光谱，能够集聚太阳光97%左右的能量。同时，这些光谱同样是建筑工程围护机构中辐射与热量辐射的重要来源之一。由于外界太阳光的入射量，再加之太阳光的反射量、吸收量，就得到了太阳光的入射量。由此能够看出，玻璃的入射、反射量，对于玻璃的吸收能力有着直接的影响。玻璃吸收热量之后，能够进一步传递到建筑室内，另一部分可以通过辐射作用传递到室内。因此，建筑项目围护结构与外墙上的玻璃的光学性能有着重要的联系。在进行建筑项目建设各种期间，应结合实际情况选择合理类型的玻璃，进而达到节能减排的目的[1]。一般来说，透光系数的定义为两项参数的比值，即透过玻璃与入射在玻璃表面上的可见光通量之间的比值。设计与施工过程中，可以通过调节上述参数，进而实现对室内明暗程度的调整。上述两项参数的调整，也关系到室内照明能量的消耗情况。鉴于此，应通过科学的方式对玻璃的光学性能参数进行控制。
图1 太阳光入射图
2.2 遮阳系数
对于遮阳系数而言，它与玻璃阻挡阳光辐射的能力呈反比关系。遮阳系数包含两部分，其一是太阳光的直接透射，其二为二次热传递。在不同的地区，应当选择不同遮阳系数的玻璃材料。如果遮阳系数较高，那么透过玻璃进入到室内环境的太阳能辐射就比较多，这对于降低冬季的取暖费用有着重要的意义，在一些冬季时间长的北方地区，主要用到此类玻璃。对于遮阳系数低的玻璃，主要应用在夏季时间较长的南方地区。
2.3 太阳能总透射比
这一概念主要是指玻璃及其构件吸收的太阳光直接透射与辐射，在介质传热作用之后，进入到建筑室内的能量。随着进入室内能量的不断增多，室内温度将会出现大幅的升高，尤其在夏季会导致空调制冷消耗的能量增多[2]。因此，在进行玻璃的选择时，太阳能总透射比也是一项重要的参数。
2.4 传热系数
传热系数是指在稳定的一个传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度（K或℃），单位时间通过单位面积传递的热量。建筑玻璃的U值通俗解释，即在标准条件下，单位时间内从单位面积的玻璃组件一侧空气到另一侧空气的传输热量。其是衡量材料隔热性能的物理量。
除此之外，对于门窗与幕墙玻璃的选择，还应考虑太阳光直接反射比、可见光反射比光传热系数等相关的参数，由于篇幅所限，这里不再对其基本概念进行详细的解说。
3 光学及热工性能检测技术分析
3.1 玻璃系统厚度检测
在受到外界环境温度等因素的影响下，所用的中空玻璃气体间隔层将会发生热胀冷缩的问题，因而应当考虑玻璃系统构造的厚度。为避免厚度受到温度等因素的影响而出现变化，应当对靠近玻璃边角的地方做出厚度测量。对于玻璃系统构造厚度而言，测量过程中应当注意以下问题：其一，在使用激光测厚仪或者是超声波测厚仪进行检测时，分辨率不大于0.5mm；其二，检测时应当在玻璃的四角位置选取4个不同的测点，并对其构造厚度以及每层的厚度、气体间层厚度等参数进行测量。需要注意的是，测点位置与玻璃边部的距离应当控制在50～120mm[3]；其三，对于所测得的4个测点的厚度参数，应当取其算术平均值，当作厚度检测值。该数值主要用于验收工作中的尺寸核验，同时在热工参数的计算过程中也需要用到该参数，测量结果要修正至0.1mm；其四，如果玻璃结构是异形，那么应当分别选取距边顶点50～120mm的测点做出相应的测量，并且要保证测点的数量超过3个。
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图2 玻璃测厚仪及工作原理图 下载原图
对于玻璃系统的平均厚度而言，是针对实际使用环境中的玻璃所测量得到的厚度参数，并利用上述厚度值，计算得到相应的热工参数。该参数主要用于节能评估。玻璃的平均厚度将对传热系数的计算产生重要的影响。尤其在冬季时间较长的北方地区，且建筑的节能要求较高，那么应当在冬季进行玻璃平均厚度的测量。需要注意的是，应当使用等面积均分方式，对检测区域做出划分，进而确保玻璃检测结果的精确性。在进行平均厚度的测量工作期间，应注意以下几点问题：其一，对于平均厚度的测量，要结合节能性能评估方面的具体要求，同时还要在当地典型气候条件下做出相应的测量；其二，如果待测玻璃是矩形，检测过程中应当对每个边界进行均等划分。划分期间，每个边长不能超过500mm。其三，结合划分的结果，对不同分区域的中点处厚度进行测量。其四，对于每层玻璃的厚度、气体间层厚度也要做出测量。其五，如果玻璃是三角形，那么要对各边的中点进行连接，进而把玻璃划分成为4个不同的区域，再对每个区域的中点位置进行总厚度的测量，同时还要对每层玻璃的厚度以及气体间层厚度做出相应的测量。需要注意的是，每个分区域的边长不能超过500mm。
3.2 中空玻璃惰性气体含量检测
在受到外界环境温度以及安装角度等诸多因素的影响下，空气间层内的惰性气体分布具有不均匀性，因此应当均匀地选取测量点，并对测量结果求取平均值，以此作为中空玻璃气体含量的重要参数。现阶段，在开展现场无损检测工作期间，对于中空玻璃的惰性气体含量检测方法主要分为两种：首先，采用等离子体发射光谱法进行检测；其次，采用半导体激光吸收光谱法进行检测。具体检测过程中，应当注意以下两点问题：一方面，在玻璃的两侧，应当分别选取5个不同的测点，且测点的选取要均匀，距离玻璃边部100mm左右；另一方面，对于所测的10个测点的结果，要求取平均值。
3.3 半球辐射率检测
在开展建筑工程验收工作以及节能评估等工作时，需要进行热工参数的计算，这一过程中需要用到膜面位置以及膜面半球辐射率值等相关参数。为了避免被测玻璃边部金属材料对测量仪的使用产生不利影响，因而所选测点应当距离玻璃边部100mm以上，确保测量数据的准确性。具体测量过程中，应当注意以下两点问题：其一，所选择的测点应当尽可能远离玻璃的边部，并且要确保距离超过100mm[3]，同时，所选测点的数量要超过3个；其二，对于膜面半球辐射率的检测值，应当对每个测点的检测结果进行平均值处理。
表1 半球辐射率检测结果
4 玻璃光学热工参数的检测流程与方法分析
通常情况下，在进行遮阳系数的检测时，主要选择的设备有两种，即分光光度计、红外光谱测量仪。在本文中，主要使用分光光度计等设备，对波长250～2500nm的光谱进行检测。所选择的红外光谱测量仪为傅里叶变换光谱仪，借助于该设备，能够对波长为2500～25000nm的玻璃做出测定与检测。其中，图3为单（左）、双（右）层玻璃检测的流程与方法示意图。
第一，具体测量期间，试样表面法线和照明光束光轴之间的夹角不能超过10°。在进行样品的放置过程中，要确保样品与检测面紧贴，进而保证检测设备光线的入射角度，并保证检测数据具有良好的精准效果。第二，对于传热系数的计算，要利用冬季标准进行计算，这一过程中应当保证太阳辐射Is=0。在进行太阳光总透射比以及遮阳系数的计算过程中，要选择夏季标准。第三，做好玻璃每一面位置的标明工作。由于玻璃材质的不同，那么遮阳系数会存在较大的差距，尤其是镀膜玻璃。在进行每一片玻璃的检测时，要对每一面进行标明，同时还要根据现场实际情况，保证室内、外检测样品的数据具有真实性。在进行中空玻璃的检测工作时，应当对每一片玻璃的紫外、红外光做出测试，以获取精确的参数。第四，在进行中空玻璃的检测时，由于膜面会受到潮气、氧化剂等因素的影响，因而在进行测试工作期间，要在拆分之后尽快做出检测，拆分与检测之间的时间不能超过12h[4]。第五，对于分光光度计的使用，在经过长途运输之后，要对其进行校正。第六，要做好反射附件的保存。
图3 单层、双层玻璃检测流程与方法示意图
5 检测方法实际应用案例及结果分析
建筑门窗幕墙行业中，常见玻璃的种类主要有钢化玻璃、夹层玻璃、低辐射镀膜玻璃（Low-E玻璃）、中空玻璃等。不同品种玻璃的光学、节能以及安全性能都有着比较大的差异。现就安徽中部地区某项目工程的几种不同规格玻璃取样，按照单层、双层玻璃检测流程进行试验并数据比较，并分析其光学及热工性能。
该工程中玻璃主要采用规格为6Low-Emm+12A+6mm中空玻璃，部分区域使用6mm+12A+6mm中空玻璃，为对比不同规格样品的光学差异，先将样品重新分组成单层玻璃样品1/2，中空玻璃3/4/5进行试验并进行数据比对。根据分光光度计扫描的光谱图谱（图4），由于低辐射镀膜玻璃膜层具有对可见光高透过及对中远红外线高反射的特性，样品1和样品2在380nm～780nm的可见光区域都有着较高的透过率，但在波长范围800nm～2500nm的红外光区域，样品2比样品1有着较高的反射作用，其U值也相对更低，隔热效果比较明显。而把两片玻璃以有效支撑均匀隔开并周边粘接密封，制成玻璃层间形成有限干燥气体空间的中空玻璃，再按照双层玻璃检测流程进行试验，样品1和样品3对比，可以发现较单层玻璃，中空玻璃的U值和SC值更低，其隔热性和保温性能得到明显提升（表2）。热传递有三种方式，分别为热辐射、热对流和热对导。中空玻璃两片玻璃之间采取了密封结构，玻璃中间间隔层内的气体处于静止状态，从而基本上解决了热传递中的热对流，而热对流的热辐射占热传递热辐射的20%～25%，热传递的阻隔决定了其保温性能。为进一步探究中空玻璃保温性能，我们将中空玻璃的中空腔内气体填充成氩气，通过样品4和样品5数据对比可以发现，其U值持续下降，隔热效果更好。这是由于惰性气体有更高的稳定性，中空腔内分子运动少，中空玻璃的保温性能得到了进一步提升。因项目地点属安徽中部地区，气候条件为夏热冬冷，其项目玻璃设计要求为遮阳型，6Low-Emm+12A+6mm可见光透射比工程设计值为0.50，遮阳系数设计值为0.48，经样品4试验数据可判定，该样品满足设计要求。
表2不同种类玻璃光学参数统计表 下载原图
图4 6mm透明玻璃和6LOW-E镀膜玻璃光谱图
6 结语
通过分析与研究可以发现，不同类型的玻璃在光学、热工性能方面存在着较大的差别。为提高建筑行业的节能减排效果，在进行玻璃的选用时要遵循因地适宜的基本原则，同时还要对不同的环境要求、建筑要求做出分析，最终选择比较适合的玻璃材料，以此提高建筑项目的节能减排效果。
