高透明隔熱玻璃的節(jié)能特點和發(fā)展趨勢

鐘應(yīng)

（貴州省建材產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測院 貴陽 550014）

0 引言

隨著我國進(jìn)入開啟現(xiàn)代化建設(shè)的新征程，實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)是推動高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求，特別是建筑生產(chǎn)領(lǐng)域的減碳，要堅定不移地推進(jìn)。但減碳是一個系統(tǒng)工程，既要在無數(shù)個細(xì)節(jié)上狠下功夫，以“積小流成江?！钡睦砟睿忠陉P(guān)鍵領(lǐng)域抓住重點，不斷實現(xiàn)減碳得以集中體現(xiàn)，讓減碳在循序漸進(jìn)中走深走實，如建筑門窗就是一個減碳的關(guān)鍵點。

建筑能耗占據(jù)總能耗的四分之一以上，在建筑的維護(hù)結(jié)構(gòu)中，門窗面積不足建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的四分之一，但其能耗高達(dá)建筑能耗的一半。僅2023年上半年，我國房屋竣工面積33904萬m2，建筑的體量非常之大，選擇在能耗薄弱環(huán)節(jié)門窗玻璃上加大創(chuàng)新革新力度，著重提高玻璃的采光性和節(jié)能性，對人們追求美好生活品質(zhì)的高端型、舒適性以及綠色減碳都具有重要的意義。

1 研究背景

目前，我國大部分地方的建筑玻璃和玻璃幕墻都是以普通玻璃為主，普通建筑玻璃的節(jié)能性差、安全性差，在整個光區(qū)中，不能有效阻止紫外線、近紅外、遠(yuǎn)紅外線等進(jìn)入室內(nèi)，對室內(nèi)舒適性和對家具造成一定的損傷，難以滿足人們對生活品質(zhì)的追求。從國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8484—2020《建筑外門窗保溫性能檢測方法》看出，把門窗的保溫性能、傳熱系數(shù)、熱導(dǎo)、熱流系數(shù)提到了一個比較高的地位，門窗的節(jié)能性擺在更加突出的位置。從GB/T 8478—2020《鋁合金門窗》來看，門窗的節(jié)能性可以由保溫隔熱指標(biāo)來體現(xiàn)，在炎熱的夏季，門窗的隔熱必定要阻止室外高溫產(chǎn)生的溫差，否則室內(nèi)將消耗大量的電能制冷以保持舒適性，所以保溫隔熱門窗就提出了傳熱系數(shù)K小于2.5 W/（m2·K）且太陽得熱系數(shù)SHGC不大于0.44，對外門窗用中空玻璃的空氣層厚度不應(yīng)小于9.0 mm的要求。

基于實際，玻璃在門窗中是節(jié)能保溫和舒適性的窗口，玻璃的品質(zhì)直接對門窗的節(jié)能減碳和品質(zhì)起巨大作用，如JC/T 2304—2015《建筑用保溫隔熱玻璃技術(shù)條件》中對不同種類、級別的保溫隔熱玻璃（K-LSG）熱工參數(shù)做出了具體要求（表1），顯示出玻璃的重要性舉足輕重。

表1 保溫隔熱玻璃的技術(shù)要求

因此，研究和開發(fā)高透明、低輻射、高保溫、高隔熱的建筑玻璃產(chǎn)品對減碳降能意義重大，對越來越流行的玻璃房的舒適性、品質(zhì)性意義不言而喻。

2 節(jié)能玻璃的研究現(xiàn)狀

從建筑玻璃的使用地區(qū)來說，建筑玻璃在東北嚴(yán)寒地區(qū)著重突出保溫性能，如廣州等沿海一帶城市主要突出玻璃的隔熱性能。玻璃的能耗主要是由于近紅外、遠(yuǎn)紅外直接透過玻璃進(jìn)入室內(nèi)，增加室內(nèi)制冷的負(fù)荷而引起電能上升，進(jìn)一步加劇熱島強(qiáng)度。

2.1 節(jié)能玻璃的種類及研究狀況

常規(guī)的節(jié)能玻璃主要有中空玻璃、熱反射玻璃、吸熱玻璃、低輻射玻璃等。

中空玻璃一般是由兩片及以上的玻璃隔開一定的空間重疊密封粘接而成的，中空玻璃層之間會有一層干燥的氣體層，氣流層的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)小于玻璃材料的導(dǎo)熱能力，與單層玻璃相比，中空玻璃的傳熱系數(shù)差不多是單層玻璃傳熱系數(shù)的1/2，具有非常好的阻熱作用。研究發(fā)現(xiàn)，中空玻璃的空氣層從9 mm增加至15 mm，傳熱系數(shù)降低30%，當(dāng)空氣層厚度繼續(xù)增加到20 mm時，傳熱系數(shù)降低2%［1］。如果一味地增加空氣層厚度，最終不僅不能降低傳熱系數(shù)，反而會適得其反。

低輻射貼膜（Low-E膜）玻璃能透過少量的短波太陽能輻射，進(jìn)入室內(nèi)的能量被室內(nèi)物體吸收，同時在溫差的條件下，能有效阻止室內(nèi)能量向室外輻射，其特點是能充分利用太陽能和保持室內(nèi)溫度相對穩(wěn)定，實現(xiàn)保溫節(jié)能，簡言之就是低反射近紅外和高反射遠(yuǎn)紅外的能力，同時兼具高透光的良好性能。單銀基膜系可見光透射率可達(dá)90%，近紅外光平均反射率高于75%，雙銀基膜系一般是對單銀基膜系在結(jié)構(gòu)上的簡單重復(fù)，平均近紅外光反射率為95%以上［2］。Lin等［3］將納米線/聚乙烯醇縮丁醛（AgNWs/PVB）涂層用于高性能Low-E窗，其可見光透過率和中紅外反射率分別為83.0%和69.8%。

熱反射貼膜玻璃主要反射遠(yuǎn)紅外線，能透過大量的可見光和少量的近紅外線，具有隔熱的效果。Sibin等［4］在127 mm厚的FEP襯底上制備的10 nm厚ITO薄膜，紅外發(fā)射率為79%，平均太陽透過率為94%，同時，研究發(fā)現(xiàn)Ag和ITO層的最佳厚度分別為21 nm 和60 nm，具有較高的可見光透過率（＞88%）和較高的紅外反射率（＞90%）。He等［5］研究了Ta摻雜對SnO2薄膜光學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)薄膜可見光透過率為88%。說明熱反射玻璃可以通過改變厚度、化學(xué)配方及工藝優(yōu)化多層膜的組合來實現(xiàn)高透光和高紅外反射的結(jié)果，優(yōu)點是傳熱系數(shù)低，能耗??；缺點是透光率高，室內(nèi)制冷能耗較大，密封技術(shù)要求高，加工成本昂貴。

2.2 透明納米隔熱玻璃節(jié)能研究狀況

Sun等［6］和Li等［7］通過分別在PMMA中添加0.8%的ZnO納米顆粒和在環(huán)氧樹脂基質(zhì)中添加0.07%的氧化鋅納米顆粒獲得了高紫外線，Xiong等［8］研究了透明PS-PnBA共聚物基質(zhì)的紫外線吸收，其中填充了不同直徑的ZnO顆粒，對于尺寸小于10 nm的半導(dǎo)體顆粒，與塊狀半導(dǎo)體材料相比，量子限制效應(yīng)增加了帶隙能量并導(dǎo)致吸收邊緣的藍(lán)移。隨機(jī)分布的納米顆粒對近紅外光和紫外光進(jìn)行了很好的吸收，從而有效阻礙紫外和近紅外進(jìn)入室內(nèi)。

氧化銦錫（ITO）和氧化銻錫（ATO）半導(dǎo)體顆粒是可被紅外吸收的，這種半導(dǎo)體顆粒可以通過自由載流子吸收紅外輻射。Liu等［9］實現(xiàn)了30 mm透明的ITO/丙烯酸聚氨酯納米復(fù)合材料，其在5%的ITO納米顆粒下阻隔50%的紅外光和45%的紫外光。一定濃度的ITO是可以很好的屏蔽，但是濃度過高后，也會降低可見光的透過率。因此，在努力屏蔽紅外光的前提下，解決可見光的高透過率是一個研究的方向，Wang等［10］制備F-TiO2納米晶體透明隔熱膜，發(fā)現(xiàn)隨著F摻雜量的增加，TiO2薄膜的近紅外屏蔽性能有所提高，當(dāng)F與Ti的摩爾比從0增加到0.3 時，薄膜的近紅外屏蔽值從1.3%增加到43.2%，且其可見光透過率高達(dá)90.1%～96.7%。

3 高透明隔熱玻璃的特點及種類

3.1 高透明隔熱玻璃的特點

在沿海一帶夏季比較炎熱的地區(qū)，選擇具有優(yōu)異光學(xué)性能的建筑玻璃，有效改善室內(nèi)舒適度、降低制冷能耗和光照能耗，實現(xiàn)建筑低碳節(jié)能是一個重點考慮方向。Wang等［10］發(fā)現(xiàn)F-TiO2納米隔熱薄膜降低熱箱內(nèi)溫度5.3 ℃。Luamsri等［11］制作了基于聚氯乙烯（PVC）/銻摻雜氧化錫（ATO）納米復(fù)合材料的近紅外屏蔽膜，發(fā)現(xiàn)在受到太陽照射后，貼有PVC/ATO薄膜的玻璃窗的熱箱內(nèi)溫度比普通玻璃下降了12.5 ℃。透明納米隔熱膜使玻璃具有良好的隔熱性，同時也大幅降低了建筑能耗。

3.2 納米透明玻璃隔熱涂料的種類

常規(guī)的納米透明玻璃隔熱涂料主要有三種：納米ATO透明玻璃隔熱涂料、ATO /PU納米透明玻璃隔熱涂料以及納米氧化錫基/丙烯酸樹脂透明玻璃隔熱涂料。

納米ATO透明玻璃隔熱涂料是通過球磨法、超聲分散法、高速剪切法等，制備穩(wěn)定分散納米ATO的透明玻璃隔熱涂料的一種技術(shù)［12］。唐富龍等［13］使用ATO半導(dǎo)體粉體通過球磨分散法制備了納米ATO透明隔熱涂料，研究表明：當(dāng)非離子高分子分散劑和陰離子分散劑的質(zhì)量比為2∶1時，得到的透明隔熱涂料的透光率最佳，且分散穩(wěn)定性最好。

ATO/PU納米透明玻璃隔熱涂料是采用水性環(huán)保的聚氨酯（PU）作為成膜物質(zhì)，和納米ATO作為隔熱材料復(fù)合而成的一種納米透明玻璃隔熱涂料。黃燕等［14］通過共混法工藝制備了ATO /PU納米透明玻璃隔熱涂料，研究發(fā)現(xiàn)：涂覆了該涂料的玻璃與空白樣對比，隔熱溫差約有10 ℃，該種工藝的涂料具有良好的隔熱性能。榮金闖等［15］對所制得ATO/PU復(fù)合涂膜進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：涂膜具有良好的隔熱性能，實現(xiàn)紅外阻隔率高達(dá)60%，而且隔熱溫差達(dá)到4.3 ℃左右。

納米氧化錫基/丙烯酸樹脂是以氧化銦錫（ITO）、納米ATO或鐿摻雜二氧化錫（YTO）為主要隔熱原材料，有機(jī)丙烯酸樹脂為成膜物質(zhì)，復(fù)配制得的納米透明玻璃隔熱涂料［12］。劉成樓［16］研究表明，在助劑的作用下，納米ATO與丙烯酸樹脂的主要原料制作的納米透明玻璃隔熱涂料具有較好的隔熱性，而且可見光的透過率達(dá)81.5%～85.0%，對近紅外光的阻隔率達(dá)62.5%～65.0%，其光學(xué)性能非常好。Kaneko等［17］在丙烯酸樹脂基體中摻入ITO或ATO制備了能夠阻隔太陽光熱輻射的納米透明玻璃隔熱涂膜，檢測結(jié)果顯示：該涂膜的可見光透過率高于90%，但是對紅外線透光率則小于10%?；谝陨涎芯勘砻鳎梢姽獾耐高^率在增高的時候，必然要以犧牲紅外線透過率作為代價，同時顯示出，該類涂料的豐富性和可研究的空間性比較廣闊。但是在實際的使用過程中，可以根據(jù)使用的要求，對不同的產(chǎn)品進(jìn)行選擇。

納米氧化錫基/PVB透明隔熱涂料是將納米氧化錫基材料（如ATO或ITO）作為主要的功能性隔熱填充料，以聚乙烯醇縮丁醛（PVB）作為成膜物質(zhì)，進(jìn)行復(fù)合而成的透明玻璃隔熱涂料。黃菊等［18］研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)ATO/PVB質(zhì)量比為1∶8 時，涂膜玻璃的透光隔熱性能最好，與空白玻璃相比溫差達(dá)到5～8 ℃，同時紅外光的屏蔽率為66.12%。蘆小松等［19］研究發(fā)現(xiàn)：ITO /PVB復(fù)合制作的涂膜，近紅外光的屏蔽率為65.3%，可見光的透過率超過80%。

4 高透明隔熱玻璃的發(fā)展趨勢及展望

隨著納米技術(shù)的成熟，以納米氧化錫基材料作為隔熱的功能填料制作的高透明隔熱玻璃涂料，越來越豐富多樣，因其制作工藝簡單，對環(huán)境污染小，必將在成本方面具有天然優(yōu)勢。此外，透明納米隔熱膜玻璃相較于常用的建筑節(jié)能玻璃具有高可見光透過率、高紫外紅外阻隔率、減少眩光、選擇面廣等優(yōu)點。在應(yīng)用建筑以后，展示出建筑物的隔熱性能和舒適性，進(jìn)一步推動透明納米隔熱膜中空玻璃窗在建筑玻璃領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，前景可期。