宝泰隔热条小课堂—建筑玻璃表面辐射率测试方法研究

辐射率是建筑节能玻璃，尤其是Low-E低辐射玻璃的重要指标，决定了Low-E中空玻璃传热性能。那么，玻璃表面辐射率如何测试和计算呢？

1、前言

辐射率，又称发射率，是衡量物体表面以辐射形式释放能量相对强弱的能力。物体的辐射率等于物体在一定温度下辐射的能量与同一温度下黑体辐射能量之比。

我们通常所说的Low-E玻璃的E，即辐射率“emissivity”的英文缩写。建筑玻璃表面半球辐射率是影响低辐射镀膜中空玻璃传热系数的重要参数。

根据与黑体比较的辐射量不同，辐射率又可分为半球辐射率(或“半球全波长辐射率”)和垂直辐射率(或“方向光谱辐射率”)。

GB/T 18915.2-2013《镀膜玻璃 第2部分：低辐射镀膜玻璃》中规定低辐射镀膜玻璃的辐射率是温度293K，波长4.5~25μm范围内膜面的半球辐射率。

建筑玻璃辐射率测试主要采用反射率法，先通过测量材料反射比，再计算出辐射率；也有采用热电堆法和面电阻法的，各有其优缺点和适用场景。

常用玻璃类型中，普通平板玻璃半球辐射率为0.84，阳光控制镀膜玻璃半球辐射率为0.3~0.75，在线低辐射镀膜玻璃半球辐射率为0.15~0.25，离线单银低辐射镀膜玻璃半球辐射率为0.07~0.15，双银低辐射镀膜玻璃为0.03~0.06，三银低辐射镀膜玻璃为0.01~0.03。

半球辐射率对玻璃系统传热系数测试结果有直接影响，因此准确测量玻璃半球辐射率是一个重要的研究课题。

2、国外标准测试方法及差异分析

目前国际上玻璃半球辐射率的测试标准主要为EN 12898:2019《建筑玻璃-辐射系数的测定》，于2019年3月发布，代替EN 12898:2001。

该标准中玻璃半球辐射率测试方法为，先测试垂直辐射率，再通过校正得到校正辐射率。

ISO标准体系中相关标准如ISO15099:2003和ISO 10292:1994等，玻璃表面辐射率测定方法主要引用EN 12898:2001，因此这里主要探讨EN 12898:2001与EN 12898:2019的差异。

EN 12898:2001/EN 12898:2019规定了测定玻璃表面辐射率时设备性能要求，要求采用傅立叶红外光谱仪测试玻璃在5~50μm范围内30个典型数据点的反射光通量，测试样品反射光线与入射光夹角不能大于10°。

EN 12898:2001规定平板玻璃表面辐射率为0.837，EN 12898:2019规定平板玻璃表面辐射率为0.89。

EN 12898:2001给出了玻璃标准辐射率及校正辐射率的计算方法：

(1) 按照表1给出的30个波长值，测定相应的反射系数Rn(λi)曲线，取其数学平均值，得到283 K温度下的常规反射系数。

表1用于测定283K下标准反射系数Rn的波长

(2) 在283 K温度下的标准辐射率按下式计算：

εn=1-Rn

(3) 用表2给出的系数乘以标准辐射率εn即得出校正辐射率ε。

表2校正辐射率与标准辐射率之间的关系εn

与EN 12898:2001相比，EN 12898:2019也要首先测试5~50μm范围内30个典型的数据点的反射光通量，再通过公式拟合计算得到校正辐射率：

EN 12989:2001与EN 12989:2019校正辐射率计算差异见图1。

图1EN 12989的2001版与2019版校正辐射率计算差异

EN12898:2019与EN 12989:2001在校正辐射率对比发现：玻璃表面辐射率0.04以下时误差约3%，0.04~0.07之间时误差约1%，0.07以上时基本相同。

3、国内标准测试方法及差异分析

国内玻璃辐射率测量标准有JGJ/T 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》、GB/T 2680-2021《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玻璃参数的测定》、GB/T 22476-2008《中空玻璃稳态U值(传热系数)的计算及测定》。

JGJ/T 151-2008、GB/T 2680-2021、GB/T 22476-2008玻璃辐射率的测试和计算引用自EN 12989: 2001，在此不再重复。

如前所述，EN 12898:2019目前采用公式拟合法计算校正辐射率的方法，国内刚刚修订的GB/T 2680-2021仍然采用了EN 12898:2001版的表格计算方法。

4、热电堆及面电阻辐射率测试方法分析

除了傅立叶红外光谱仪外，还有采用热电堆辐射率仪或面电阻测试仪测量玻璃的辐射率。

热电堆辐射率仪是常温下测量金属、涂料等不透明、高导热材料常用的辐射率确定方法，依据ASTM C1371《使用便携式辐射率仪测定接近室温的材料的辐射率的标准试验方法》。

我国HG/T 4341-2012《金属表面用热反射隔热涂料》、JG/T 235-2014《建筑反射隔热涂料》引用了该标准。

热电堆辐射率仪采用稳态量热法测定材料辐射率，见图2，与JGJ/T 151-2008的积分球反射法有较大差别。

图2 辐射率测试仪

采用美国某公司生产的热电堆辐射率仪和傅立叶光谱仪对玻璃样品的辐射率进行测试比对，结果见表3。

表3热电堆辐射率仪与红外傅立叶光谱测试仪结果对比

由表3可知，1-9#测试样品中的辐射率仪测试结果低于0.05，低于高反标准板的标准值；序号10-12#的测试样品辐射率差异在20%以上，13-15#测试样品辐射率差异较小。

ASTM C1371标准主要适用于不透明、高导热材料辐射率测试，因而采用热电堆辐射率仪测试玻璃辐射率时会存在较大误差。

面电阻利用金属镀膜玻璃，特别是低辐射镀膜玻璃金属膜层导电的特性，主要用于对玻璃生产质量、色差均匀性的控制。

镀膜玻璃的表面电阻随金属膜厚的增加而逐渐减小，即镀膜膜层电阻与电阻系数ρ成正比，与膜层厚度d成反比，面电阻Rs被定义为：Rs=ρ/d，单位是Ω。

通常金属膜的表面电阻与辐射率呈线性关系，表面电阻越大，辐射率越大，通过测量镀膜玻璃的表面电阻，根据经验公式换算可得到玻璃的辐射率值。

垂直辐射率与面电阻可按下式计算：

εn=R/z0

Z0为镀膜玻璃的辐射率计算常数，不同的镀膜类型、不同辐射率甚至不同膜号的镀膜玻璃均有所不同，需通过大量实验后方可得到，过程较复杂。

表面电阻辐射率测试方法仅能用于金属镀膜玻璃，不能用于非镀膜玻璃或无机镀膜玻璃，对于阳光控制膜等辐射率大的玻璃误差大，基本只能用于低辐射金属镀膜玻璃的测试。

目前国内对于采用面电阻测量玻璃辐射率无标准方法，使用也存在较多的局限性，主要用于玻璃生产过程中产品质量监测。

5、结论

辐射率，又称发射率，是衡量物体表面以辐射形式释放能量相对强弱的能力。物体的辐射率等于物体在一定温度下辐射的能量与同一温度下黑体辐射能量之比。

EN 12898首先测试5μm~50μm范围内30个典型的数据点的反射光通量，再通过表格(2001版)或公式拟合(2019版)计算校正辐射率，玻璃表面辐射率0.04以下时两个版本的差异约3%。

国内建筑玻璃表面辐射率测量标准有JGJ/T 151-2008、GB/T 2680-2021、GB/T 22476-2008，均引用自EN 12898:2001。

目前常用的热电堆辐射率仪主要适用于不透明、高导热材料辐射率测试，测试玻璃辐射率会存在较大误差。

面电阻测量方法存在局限性，需要通过大量实验后得到计算常数，主要用于玻璃生产过程中产品质量监测。

作为与建筑玻璃节能性能最密切相关的表面辐射率指标，国内相关研究严重欠缺，在测试方法、标准制定、仪器设备方面亟需进行研究开发。