氣凝膠建筑玻璃透光隔熱性能及影響因素

呂亞軍，吳會軍，王珊，付平，周孝清

(1.廣州大學(xué) a.土木工程學(xué)院；b.廣東省建筑節(jié)能與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，廣州510006；2.華北水利水電大學(xué) 建筑學(xué)院，鄭州 450056)

氣凝膠建筑玻璃透光隔熱性能及影響因素

呂亞軍1a,2，吳會軍1a,1b，王珊1a，付平1a，周孝清1a

(1.廣州大學(xué) a.土木工程學(xué)院；b.廣東省建筑節(jié)能與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，
廣州510006；2.華北水利水電大學(xué) 建筑學(xué)院，鄭州 450056)

新型氣凝膠玻璃具有良好的透光隔熱性能，作為高性能建筑玻璃能有效降低建筑能耗。通過氣凝膠顆粒粒徑和填充厚度設(shè)計，制成8種不同結(jié)構(gòu)的氣凝膠填充玻璃；實驗研究了氣凝膠顆粒粒徑與填充厚度對氣凝膠玻璃透光和隔熱性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)氣凝膠粒徑從0.41 mm增大到0.93 mm時，玻璃透光率明顯增大，而當(dāng)氣凝膠粒徑繼續(xù)增大時透光率變化不大；當(dāng)氣凝膠粒徑從0.41 mm增大到2.7 mm時，氣凝膠玻璃傳熱系數(shù)增大約15%；相對于普通玻璃，相同尺寸的普通玻璃傳熱系數(shù)最多可降低51.43%。采用玻璃隔熱實驗測試研究了氣凝膠玻璃與普通中空玻璃的隔熱溫差，結(jié)果表明,氣凝膠玻璃較普通玻璃隔熱效果提高5.4～10.2 ℃。

氣凝膠玻璃；粒徑；填充厚度；熱工性能；光學(xué)性能

建筑能耗已經(jīng)占到社會總能耗的40%[1]，并產(chǎn)生了全球約1/3的溫室氣體[2]，建筑節(jié)能受到前所未有的關(guān)注。建筑窗戶作為重要的建筑構(gòu)件，影響室內(nèi)的采光、通風(fēng)，也在很大程度上影響建筑能耗。據(jù)統(tǒng)計,40%～50%建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗是通過窗戶玻璃消耗的[3-4]，因此,建筑玻璃性能是影響建筑室內(nèi)光環(huán)境、熱環(huán)境和建筑采暖空調(diào)能耗的重要因素。

氣凝膠作為一種具有耐火不燃、超級絕熱和透光等高性能的新型材料[5]，在建筑墻體、玻璃等節(jié)能應(yīng)用方面引起了越來越多的關(guān)注。氣凝膠含有開放空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)納米多孔性非晶體固體材料[6-7]，孔隙率高達(dá)99.8%，特殊的納米多孔結(jié)構(gòu)使其具有比空氣還低的導(dǎo)熱系數(shù)、高透明度和良好的隔聲性能[8]，在建筑節(jié)能方面有廣泛的應(yīng)用前景[9]。

將氣凝膠與玻璃相結(jié)合制成氣凝膠玻璃，能夠有效地降低玻璃的太陽輻射透過率和傳熱系數(shù)，降低建筑能耗。目前，氣凝膠玻璃的應(yīng)用形式主要是整塊氣凝膠玻璃和粉末狀氣凝膠玻璃。一些學(xué)者將顆粒狀氣凝膠填充到兩塊玻璃中間，制備了顆粒氣凝膠玻璃。Buratti等[10-11]將氣凝膠顆粒直接充入4 mm厚浮法玻璃的14 mm空腔中，得到氣凝膠玻璃的傳熱系數(shù)為1.31 W/m2·K，Garnier等[12]、Cotana等[13]、Huang等[14]將制備的氣凝膠玻璃，應(yīng)用于建筑中，由于氣凝膠玻璃具有較低的傳熱系數(shù)，取得了良好的節(jié)能效果。學(xué)者們就氣凝膠粒徑和厚度的大小對于玻璃傳熱系數(shù)、太陽光和太陽輻射透過率進(jìn)行了研究，例如，Gao等[15]實驗制備了兩種不同粒徑(3～5 mm和<0.5 mm)的氣凝膠玻璃，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小粒徑氣凝膠玻璃對可見光及太陽輻射透過性較差，對應(yīng)的玻璃傳熱系數(shù)更低。但是，對于氣凝膠顆粒粒徑對玻璃性能的影響規(guī)律有待進(jìn)一步系統(tǒng)和深入研究。

筆者首先制備了氣凝膠顆粒，采用篩分方法獲得了4組不同粒徑的氣凝膠顆粒，將兩種填充厚度制成8種氣凝膠玻璃；實驗測試各種氣凝膠玻璃的太陽輻射透射率、傳熱系數(shù)和隔熱溫差，研究氣凝膠顆粒粒徑、填充厚度等參數(shù)對氣凝膠玻璃透光性和傳熱系數(shù)的影響；最后，通過氣凝膠和普通中空玻璃隔熱實驗，對比氣凝膠玻璃相對于普通中空玻璃的隔熱效果。

1 實驗

1.1 材料和玻璃的制備

圖1 4種不同粒徑的氣凝膠顆粒Fig.1 Aerogel granule of different particle siz

1.1.2 氣凝膠玻璃的制備 將氣凝膠顆粒作為填充材料填充到在兩塊4 mm厚的普通玻璃中間，并通過橡膠條密封制成氣凝膠玻璃，構(gòu)造方式如圖2所示。對于4種不同顆粒粒徑的氣凝膠顆粒，采用7.5 mm和10 mm厚兩種填充厚度，制成8中不同結(jié)構(gòu)的氣凝膠玻璃，編號如表1所示，其中，T代表氣凝膠填充厚度，P代表氣凝膠顆粒的平均粒徑。

圖2 氣凝膠玻璃構(gòu)造圖Fig.2 Diagram of aerogel glazing unit

玻璃編號粒徑范圍/mm平均粒徑/mm氣凝膠填充厚度/mmT7.5P0.410.25～0.500.417.5T7.5P0.640.50～0.830.647.5T7.5P0.930.83～1.000.937.5T7.5P2.71.00～4.002.707.5T10P0.410.25～0.500.4110T10P0.640.50～0.830.6410T10P0.930.83～1.000.9310T10P2.71.00～4.002.7010

1.2 氣凝膠與玻璃的性能實驗測試

1.2.1 氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)測試 采用TPS2500熱常數(shù)分析儀(瑞典Hot Disk公司)測試不同粒徑氣凝膠顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)。

使用LS300隔熱膜溫度測試儀(深圳林上)測試氣凝膠玻璃和普通中空玻璃的隔熱溫差，如圖3所示，使用的玻璃尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。具體步驟為：將普通中空玻璃和氣凝膠玻璃(如圖3中A、B)放置在紅外加熱燈前面，所選用的玻璃規(guī)格如表2所示。試驗時，開啟加熱燈，對兩種玻璃的一側(cè)進(jìn)行加熱，3 min后溫度達(dá)到穩(wěn)定，記錄測溫點C和D加熱前后的溫差。

圖3 LS300隔熱膜溫度測試儀Fig.3 LS300 thermal insulation film temperature

玻璃編號中空玻璃尺寸氣凝膠玻璃尺寸14mm+7.5mm+4mm4mm+7.5mm+4mm24mm+10mm+4mm4mm+10mm+4mm

續(xù)表2

2 結(jié)果與討論

2.1 氣凝膠顆粒材料的結(jié)構(gòu)與性能

2.1.2 氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù) 不同粒徑的氣凝膠密度和導(dǎo)熱系數(shù)如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)氣凝膠的平均粒徑由0.41 mm增加到2.7 mm，隨著氣凝膠粒徑的增大，氣凝膠的密度由1.022 g/cm3降為0.979 g/cm3，其導(dǎo)熱系數(shù)由0.022 9 W/(m·K)增大為0.026 3 W/(m·K)。這是由于氣凝膠顆粒呈不規(guī)則形狀，隨著粒徑的增大，氣凝膠顆粒間的空隙也相應(yīng)增大，從而導(dǎo)致氣凝膠顆粒堆積密度下降。

圖4 氣凝膠粒徑與密度及導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship of aerogel thermal conductivity and bulk densit

由于氣凝膠自身特殊的納米多孔結(jié)構(gòu)，其膠體顆粒尺寸小于空氣自由程，使得骨架內(nèi)部的空氣不能自由活動，因而，氣凝膠內(nèi)部的對流傳熱可忽略不計，氣凝膠導(dǎo)熱系數(shù)受空氣導(dǎo)熱與氣凝膠固相導(dǎo)熱的綜合影響，其關(guān)系式為[17]

(1)

式中：λ為氣凝膠的表觀導(dǎo)熱系數(shù)；λs為氣凝膠的固相導(dǎo)熱系數(shù)；λa為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)；ε為氣凝膠的孔隙率。

孔隙率的計算式為

ε=1-ρb/ρs

(2)

式中:ρb為樣品的實測密度；ρs為樣品的堆積密度。

將式(2)代入式(1)中，可得

(3)

由式(3)可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)隨著實測密度的增大而增大，這也與實驗測試的氣凝膠結(jié)果相一致。

2.1.3 氣凝膠的疏水性 氣凝膠顆粒具有明顯的疏水性，水分難以進(jìn)入氣凝膠顆粒內(nèi)部，這就保證了氣凝膠在潮濕的環(huán)境中仍能保持較低的導(dǎo)熱系數(shù)，不受水的侵蝕。研究中使用疏水角來表征氣凝膠材料的疏水性。從圖5中可以看出，幾種氣凝膠的疏水角介于139°～147°之間，表明其具有良好的疏水性，可以有效降低氣凝膠吸水率，在使用過程中不會由于吸水而造成導(dǎo)熱系數(shù)下降現(xiàn)象，應(yīng)用于建筑外表面具有較好的耐候性。

圖5 氣凝膠疏水角Fig.5 Hydrophobic angle of aeroge

2.2 氣凝膠玻璃的透光和隔熱性能

二氧化硅顆粒狀氣凝膠制作成本相對低廉，導(dǎo)熱系數(shù)低、具有較好的透光性，制成氣凝膠夾層玻璃，能夠有效地降低建筑能耗[18]。而氣凝膠顆粒大小及厚度對氣凝膠玻璃的光、熱性能會造成一定的影響[15]，在本部分，重點研究不同氣凝膠顆粒及厚度，對氣凝膠玻璃的可見光透光率、太陽輻射透過率和傳熱系數(shù)的影響。

2.2.1 氣凝膠顆粒粒徑和填充厚度對氣凝膠玻璃透光性的影響 研究中，采用氣凝膠填充厚度為7.5、10 mm玻璃，4種氣凝膠平均粒徑為2.7、0.93、0.64、0.41 mm，對應(yīng)的氣凝膠玻璃如表1所示。圖6中對可見光透過率、太陽輻射透過率和玻璃的傳熱系數(shù)進(jìn)行了測試，并做了對比分析。

圖6 輻射透過率圖Fig.6 Radiation transmittance diagra

圖6(a)、(c)反映出太陽輻射(300～2 500 nm)透過不同粒徑氣凝膠玻璃透過率的情況，從圖中可以看出，不同粒徑氣凝膠玻璃對于太陽輻射相同波段透過趨勢相一致，當(dāng)氣凝膠顆粒增大時太陽輻射透過率增大，尤其氣凝膠顆粒平均粒徑由0.41 mm增大到0.64 mm及由0.64 mm增大到0.93 mm時，太陽輻射透過率增加非常明顯。但是，當(dāng)氣凝膠顆粒平均粒徑由0.91 mm增大到2.7 mm時，太陽輻射透過曲線非常接近(如圖6(a)、(c)中的A、B區(qū)域所示)，可見,氣凝膠顆粒增大到0.93 mm以后，再增大氣凝膠的粒徑并不能明顯增加太陽輻射的透過率。圖6(b)、(d)所示是不同氣凝膠玻璃粒徑情況下，可見光(390～780 nm)透過率?？梢姽獾耐高^規(guī)律與太陽輻射的透過規(guī)律類似，當(dāng)平均粒徑由0.41 mm增加到0.93 mm時，可見光透過率增加非常明顯，但是,當(dāng)粒徑由0.93 mm增加到2.7 mm時，可見光透過率增加并不明顯。

如表3所示，對于7.5、10 mm厚氣凝膠玻璃，降低氣凝膠的粒徑能夠有效地降低太陽輻射(300～2 500 nm)和可見光(390～780 nm)的透過率，以7.5 mm厚玻璃太陽輻射透過率為例，平均粒徑由2.7 mm降為0.93 mm時，氣凝膠玻璃的太陽輻射透過率下降并不明顯，但是，由0.93 mm降為0.41 mm時，太陽輻射透過率明顯下降，這種現(xiàn)象在10 mm厚氣凝膠玻璃也可以看到；當(dāng)氣凝膠玻璃平均粒徑由0.93 mm降為0.41 mm時，減少的粒徑對于阻擋輻射的作用越明顯，以7.5 mm厚玻璃太陽輻射透過率為例，平均粒徑由0.93 mm降為0.41 mm時，太陽輻射透過率由39%降為24.04%，但是，當(dāng)平均粒徑由2.7 mm降為0.93 mm時，太陽輻射透過率由39.01%降為39.00%，幾乎沒有任何下降，這樣的結(jié)論在10 mm厚玻璃以及可見光透過率中同樣也可以看到，這與圖6(a)、(c)中太陽輻射透過率和圖6(b)、(d)中可見光透過率的結(jié)論相一致。所以，在研究中，要通過改變氣凝膠粒徑來降低或者提高氣凝膠玻璃的透過率，最有效的粒徑范圍小于0.93 mm。

表3氣凝膠玻璃輻射透過率
Table3Transmittanceofaerogelglass

平均粒徑/mm7.5mm厚玻璃太陽輻射透過率/%10mm厚玻璃太陽輻射透過率/%7.5mm厚玻璃可見光透過率/%10mm厚玻璃可見光透過率/%2.739.0128.6831.0622.230.9339.0028.4330.0920.920.6431.0520.7226.2615.740.4124.0416.7422.6312.51

2.2.2 氣凝膠顆粒粒徑和填充厚度對氣凝膠玻璃傳熱系數(shù)的影響 在兩塊平板玻璃間使用氣凝膠填充能夠有效降低其傳熱系數(shù)，如圖7(a)所示。當(dāng)使用傳統(tǒng)空氣層厚度為7.5 mm中空玻璃時，其傳熱系數(shù)為3.17 W/(m2·K)，當(dāng)使用同樣填充厚度，平均粒徑分別為0.41、0.64、0.93、2.7 mm氣凝膠玻璃時，其傳熱系數(shù)分別為1.53、1.74、1.81和1.83 W/(m2·K)，相對于相同厚度的中空玻璃傳熱系數(shù)分別下降了52.37%、45.11%、42.90%和42.27%，下降非常明顯；另外，當(dāng)氣凝膠的粒徑減小時，玻璃的傳熱系數(shù)隨之下降，以7.5 mm氣凝膠玻璃為例，當(dāng)粒徑由2.7 mm降為0.41 mm時，傳熱系數(shù)由1.83 W/(m2·K)降為1.53 W/(m2·K)，降低了16.39%；氣凝膠填充厚度為10 mm時，當(dāng)粒徑由2.7 mm降為0.41 mm時，傳熱系數(shù)由1.39 W/(m2·K)降為1.19 W/(m2·K)，降低了14.39%?？梢?，通過減小氣凝膠的粒徑能夠有效降低傳熱系數(shù)。

圖7 玻璃的傳熱系數(shù)Fig.7 Heat transfer coefficient of glas

隨著氣凝膠填充厚度的增加，氣凝膠的傳熱系數(shù)隨之降低(如圖7(b)所示)。例如，氣凝膠填充厚度由7.5 mm增加為10 mm，對應(yīng)于氣凝膠的平均粒徑分別為0.41、0.64、0.93、2.7 mm時，傳熱系數(shù)分別降低了22.22%、29.31%、27.62%和24.04%。這是由于氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)為0.022 9～0.026 3 W/(m·K)，而普通玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為1.1 W/(m·K)，氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)介于玻璃導(dǎo)熱系數(shù)的1/41～1/48，所以，氣凝膠玻璃的傳熱系數(shù)主要由氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)和厚度決定，改變氣凝膠填充厚度能夠在很大程度上改變氣凝膠玻璃的傳熱系數(shù)。

2.3 氣凝膠玻璃與普通中空玻璃的隔熱性能對比

氣凝膠玻璃比普通中空玻璃具有更好的隔熱作用，從圖8可以看出，使用紅外加熱燈進(jìn)行照射后，對于相同規(guī)格尺寸的玻璃，氣凝膠玻璃升溫范圍在2.4～3.2 ℃之間，而普通中空玻璃的升溫幅度在8.6～11.7 ℃之間，所以，相對于普通中空玻璃而言，氣凝膠玻璃有非常明顯的隔熱效果。

圖8 氣凝膠玻璃隔熱性能測試Fig.8 Thermal insulation test of aerogel glas

3 結(jié)論

新型氣凝膠玻璃具有良好的透光隔熱性能，可有效降低建筑能耗。研究制成了8種不同粒徑和填充厚度的氣凝膠填充玻璃，實驗測試了氣凝膠玻璃的輻射透過率和傳熱系數(shù)，研究了氣凝膠顆粒粒徑與填充厚度對氣凝膠玻璃輻射透過率及對隔熱性能的影響，得到以下結(jié)論：

1)粒徑小的氣凝膠比粒徑大的氣凝膠更能降低玻璃的傳熱系數(shù)。如：對于填充厚度7.5 mm氣凝膠玻璃，當(dāng)氣凝膠粒徑從2.7 mm降低到0.41 mm時，氣凝膠玻璃的傳熱系數(shù)從1.83 W/(m2·K)降低到1.53 W/(m2·K)，降低了16.39%。

2)當(dāng)氣凝膠玻璃的粒徑增大時，透過氣凝膠玻璃太陽輻射透過率和可見光透過率都增大。在研究中，太陽輻射透過率和可見光透過率具有以下現(xiàn)象：當(dāng)氣凝膠粒徑從0.41 mm增大到0.93 mm時，玻璃太陽輻射和可見光透過率增大明顯，而當(dāng)氣凝膠粒徑繼續(xù)增大時，太陽輻射和可見光透過率增加不顯著。

3)隨著氣凝膠填充厚度的增大，氣凝膠玻璃的太陽輻射透過率，可見光透過率和傳熱系數(shù)均減小。

4)氣凝膠玻璃與普通玻璃相比具有良好的隔熱效果，通過紅外燈加熱對比實驗發(fā)現(xiàn)，對于相同尺寸的玻璃，氣凝膠玻璃升溫幅度較小，而中空玻璃升溫幅度較大。

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2017-05-19

National Natural Science Foundation of China(No.51678167)； Natural Science Foundation of Gangdong Province(No.S2013050014139); Postdoctoral Foundation of China (No.2017M612629)

Influencingfactorsofaerogelarchitecturalglazingthermalandlightproperties

LyuYajun1a,2,WuHuijun1a,1b,WangShan1a,FuPing1a,ZhouXiaoqing1b

(1a. School of Civil Engineering; 1b. Building Energy Research Institute, Guangzhou University, Guangzhou 510006, P.R.China; 2. College of Architecture, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045， P.R.China )

Aerogel glazing units (AGUs) with the high translucent insulation performance could reduce effectively energy saving in buildings. In this paper, eight kinds of AGUs were prepared and the effect on translucent and insulation performance of AGUs with different particle size and filling thicknesses was investigated. Experiments results indicate that visible light transmittance and solar radiation transmittance of AGUs increase obviously when particle size increases from 0.41mm to 0.93mm, while that change little when particle size continues to increase from 0.93mm. The heat transfer coefficient decreases about 15% when the particle size reduces from 2.7mm to 0.41mm. The increace of the thickness of aerogel effectively decrease visible light transmittance, solar radiation transmittance and heat transfer coefficient, the heat transfer coefficient of AGUs can decrease 51.43% compared with conventional double galzing at the same size. Finally, heat insulation experiments of testing insulation temperature difference of AGUs and conventional double glass were conducted, and the results reveal the temperature difference of AGUs before and after heating raise 5.4～10.2 ℃. Therefore，conclusion of this study give a clue to the application of this new heat insulating materials on energy saving in buildings.

aerogel glazing; particle size; incorporating thickness; thermal properties; optical properties

10.11835/j.issn.1674-4764.2018.01.019

TU171.72

A

1674-4764(2018)01-0134-07

2017-05-19

國家自然科學(xué)基金(51678167)；廣東省自然科學(xué)基金(S2013050014139)；中國博士后基金(2017M612629)

呂亞軍(1978-)，男，博士，主要從事建筑節(jié)能研究，E-mail:darkdanking@126.com。

吳會軍(通信作者)，男，研究員，博士，E-mail:wuhuijun@tsinghua.org.cn。

AuthorbriefLyu Yajun(1978-), PhD，main research interest: building energy efficiency，E-mail:darkdanking@126.com.

Wu Huijun(corresponding author), researcher,PhD,E-mail:wuhuijun@tsinghua.org.cn.

(編輯 王秀玲)