節(jié)能玻璃的光學(xué)和傳熱特性研究現(xiàn)狀

陳依然

（江西理工大學(xué)土木與測繪工程學(xué)院，江西贛州 341000）

據(jù)清華建筑節(jié)能研究所統(tǒng)計，我國民用建筑能耗占中國一次能源消耗量的20%[1]絕大部分的建筑能耗是圍護結(jié)構(gòu)的傳熱導(dǎo)致。窗玻璃對太陽光線的透過和吸收特性會造成建筑得熱量大幅增加，有研究表明通過窗玻璃產(chǎn)生的負(fù)荷可占建筑能耗的40%左右[2]。人們在生活中常見的普通透明窗玻璃通常為蘇打石灰玻璃，主要成分是71%～75%的SiO2，12%～16%從Na2CO3中提取的Na2O，10%～15%CaO和少量其他材料用于添加著色等特殊屬性。有研究表明透明玻璃對太陽光線的透射率約為0.75～0.90，具有的高透射率會對室內(nèi)空調(diào)造成較大的負(fù)荷壓力[3]。本文根據(jù)節(jié)能玻璃的制作方式將其分為鍍膜玻璃和填充玻璃，回顧節(jié)能玻璃的傳熱系數(shù)（U）和透射率（Tv）等特性，并對其優(yōu)缺點進行闡述，以期為圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計提供幫助。

1 鍍膜玻璃的光學(xué)特性

常見的鍍膜玻璃有低發(fā)射率（Low-E）涂層玻璃，此涂層不僅具有低發(fā)射率，還兼具高紅外反射率和高可見光透過率，在保證室內(nèi)采光的同時也可以降低不必要的熱交換。用于Low-E涂層的材料通常為摻雜金屬氧化物（SnO2、ZnO和TiO2等）的金屬薄膜（Ag、Cu和Al等）[4]。Mahtani等[5]采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）方法制備了DLC/Ag/DLC排列的類金剛石（DLC）多層膜，結(jié)果表明該涂層在中對紅外光譜具有95%的反射率，對可見光具有70%的透射率。Al-Shukri[6]用電子束蒸發(fā)法制備ZnS/Ag/ZnS和WO3/Ag/WO3多層膜，兩種材料的最大可見光透過率均大于0.8，紅外反射率較高。Al Kuhaili等[7-8]采用熱蒸發(fā)法制備MoO3/Ag和NiO/Ag，分別在492 nm和554 nm處獲得了最大0.78和0.69的可見光透射，獲得了較高的紅外反射。有研究者指出Ag在化學(xué)和物理性質(zhì)上并不穩(wěn)定，提出利用保護層擴散解決問題[9]。如Loka等[10]將Ag（Mo）合金插入TiNx層，采用射頻和直流磁控濺射技術(shù)制備了多層膜，通過試驗發(fā)現(xiàn)銀在多層膜中表現(xiàn)穩(wěn)定，薄膜的可見光透射率可達(dá)0.65，Low-E玻璃的具體參數(shù)如表1所示。

表1 Low-E涂層的加工技術(shù)和材料特性

2 填充玻璃的熱工性能和節(jié)能潛力

部分學(xué)者通過采用多窗格玻璃并在窗格間隙填充氣體或半透明材料改變玻璃的總傳熱系數(shù)，降低建筑能耗，Arici等[11]采用五種不同玻璃間隙寬度（6、9、12、15、18 mm），并在窗格間分別填充空氣和氬氣，對雙層、三層和四層窗玻璃的傳熱系數(shù)進行研究，結(jié)果表明通過增加窗格的間隙寬度以及用氬氣填充間隙寬度可以顯著降低窗戶的傳熱系數(shù)。

根據(jù)文獻[12]可知，使用氣體填充物能夠使窗戶性能獲得提升，但相比于氣體填充物增大窗戶的間隙和窗格的個數(shù)的提升效果更明顯，通過這種方式窗戶建設(shè)的成本也將大幅增加，多窗格玻璃使用的框架材料會影響窗的總傳熱系數(shù)。對此許多研究者將關(guān)注點轉(zhuǎn)移到填充材料的研究，氣凝膠是一種具有半透明性質(zhì)的材料。Lolli和Anresen[13]用氣凝膠雙層玻璃取代了部分住宅樓內(nèi)填充氬氣的三層玻璃，結(jié)果表明用氣凝膠的窗戶代替氬氣填充窗戶可節(jié)省約45%的空間供暖能耗，節(jié)省13%的建筑能耗，建筑排放的溫室氣體可減少至9%。鄭思倩等[14]在長沙地區(qū)建立對照試驗?zāi)Ｐ蛯Ρ仍摎饽z玻璃與普通中空玻璃的節(jié)能功效，結(jié)果表明夏季氣凝膠玻璃引起的總得熱量比中空玻璃減少約20%，冬季通過氣凝膠玻璃比中空玻璃的室內(nèi)得熱量高61%。采用氣凝膠作為填充物的窗玻璃節(jié)能效果非常顯著，但目前對氣凝膠窗玻璃的研發(fā)還處于初期階段，可見光透射率還尚未達(dá)到人們生活所需采光，還需要進一步提高其透明度。

除了氣凝膠，將相變材料（PCM）填充到窗戶中也是學(xué)者們經(jīng)常研究的課題，其特性是PCM的溫度超過其熔化溫度時，會吸收大量能量以進行相變，凝固時釋放吸收的能量。填充的PCM通常是基于石蠟的有機材料。Silva等[15]開發(fā)了一種帶PCM的百葉窗，使用石蠟Rubitherm rt28hc作為PCM，基于PCM百葉窗和普通百葉窗的性能比較，結(jié)果表明加入PCM后，最大室內(nèi)溫差達(dá)到16.6 ℃。Zhong[16]針對我國夏熱冬冷地區(qū)，選用石蠟MG29作為PMV填充物，與普通玻璃相比，PCM窗的保溫效果顯著，夏季晴朗天氣時，通過PCM窗進入的熱量可減少18.3%。除了有機相變材料，也有研究者對無機相變材料填充物的節(jié)能性進行研究，Li等[17]選取CaCl2?6H2O和Na2SO4?10H2O對玻璃窗進行填充并與中空玻璃窗進行了熱性能的比較，獲取窗口48 h內(nèi)的內(nèi)外表面溫度波動，結(jié)果表明夏季晴天條件下，填充了PCM材料的窗玻璃表面溫度比未填充低12～13°C。

PCM窗的材料特性如表2所示。

表2 PCM窗的材料特性

根據(jù)文獻[18]可知，石蠟雖然化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無毒、相變潛熱大，但導(dǎo)熱系數(shù)小，發(fā)生相變的過程中體積也會產(chǎn)生變化。無機相變材料導(dǎo)熱性能良好，但多數(shù)金屬會被腐蝕，熱循環(huán)后會對材料的熱性能造成損失。對于增加石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)方法、對于石蠟的形變問題以及防止無機材料被腐蝕的措施等方面還有待進一步研究。

3 結(jié)語

目前大部分Low-E窗玻璃所使用的膜結(jié)構(gòu)多為銀基材料，擁有較好的節(jié)能效果，但化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，應(yīng)全面對銀基膜結(jié)構(gòu)進行封裝工藝，以確保更高的使用率和節(jié)能性。氣凝膠窗玻璃也具有非常好的節(jié)能效果，但可見光透射率距室內(nèi)采光的需求還有可提升空間，今后應(yīng)對其采光性能進行提升。針對PCM窗玻璃，可以在石蠟里添加高導(dǎo)熱材料提升其導(dǎo)熱率以及對無機材料進行封裝工藝防止腐蝕等方面進行進一步研究。綜上所述，窗玻璃的結(jié)構(gòu)特性還具有良好的研究前景，以期獲得更高效、更具持久性的窗玻璃，降低建筑的能耗。