节能玻璃的发展与应用

节能玻璃的发展与应用材料0801潘飞宇（西安建筑科技大学华清学院学号16）1.摘要：本文简要介绍节能玻璃的种类及特点和在社会生产中的应用，各种节能玻璃拥有不同的物理特性，在建筑中起着不同的作用；文章并涉及到高科技节能玻璃的研究进展及应用进展，比如低辐射节能玻璃和复合型节能玻璃等等。主要阐述了节能玻璃开发意义、节能原理、分类及相应的生产工艺。结合国内外研究现状，对不同玻璃的节能效果和特性进行对比，并对今后节能玻璃的发展应用方向进行了评价及展望。在当今能源问题非常突出的时代，建筑能耗占社会总能耗的相当多一部分，尽快采取措施对建筑，特别是建筑幕墙进行节能改造，并且研究这些措施对建筑结构产生的影响，成为一项很紧迫的任务。2.引言：玻璃幕墙作为建筑物的外装饰是现代化城市建筑的重要标志之一，打破了传统的实体墙与门窗的界限，巧妙地将建筑物围护结构的使用功能与建筑物的装饰功能有机地融为一体，使建筑物更具有时代感和艺术造型。当前，建筑节能成为我国可持续发展战略的一部分，社会上对建筑节能的意识也在逐渐增强。建筑的节能主要是建筑围护结构节能，而玻璃幕墙是现代建筑围护结构的一个非常重要的组成部分。充分考虑玻璃幕墙使用的灵活性和最大限度地减少能耗，并且探求节能措施对建筑结构的影响，是结构师们应考虑的问题。现代建筑中,大面积的采光玻璃应用十分广泛,人们对建筑玻璃的要求越来越高,但建筑用普通玻璃的传热系数比砖体结构墙壁要高很多,从而导致建筑物的热量损耗增加。据统计,各项建筑能源消耗占总能耗的三分之一左右,而在建筑能耗中,高达50%以上又是由门窗玻璃散失的。在中国430亿m2的建筑中99%属于高能耗建筑,即使是新建筑,也有95%以上仍是高能耗建筑。因此,如何正确选择设计建筑玻璃,使其能耗降低到最小,满足国家公共建筑节能标准的规定,符合国家节能减排的要求,是当前能源危机条件下首要解决的问题之一。近些年来，舒适与自然、环保与节能逐渐成为新世纪国际建筑的准则，建筑节能成为世界性潮流。作为建筑节能最大潜力的门窗和幕墙，玻璃的节能成为关键环节之一。3．节能玻璃的种类与特点：目前玻璃种类有吸热玻璃、热发射玻璃、低辐射玻璃、中空玻璃、真空玻璃和普通玻璃等。1.吸热玻璃。吸热玻璃是一种能够吸收太阳能的平板玻璃，它是利用玻璃中的金属离子对太阳能进行选择性的吸收，同时呈现出不同的颜色。有些夹层玻璃胶片中也掺有特殊的金属离子，用这种胶片可以生产出吸热的夹层玻璃。吸热玻璃一般可减少进入室内的太阳热能的20％～30％，降低了空调负荷。吸热玻璃的特点是遮蔽系数比较低，太阳能总透射比、太阳光直接透射比和太阳光直接反射比都较低，见光透射比、玻璃的颜色可以根据玻璃中的金属离子的成分和浓度变化。可见光反射比、传热系数、辐射率则与普通玻璃差别不大。2.热反射玻璃。热反射玻璃是对太阳能有反射作用的镀膜玻璃，其反射率可达20％～40％，甚至更高。它的表面镀有金属、非金属及其氧化物等各种薄膜，这些膜层可以对太阳能产生一定的反射效果，从而达到阻挡太阳能进入室内的目的。在低纬度的炎热地区，夏季可节省室内空调的能源消耗，它同时具有较好的遗光性能，使室内光线柔和舒适另外，这种反射层的镜面效果和色调对建筑物的外观装饰效果都较好。热反射玻璃的遮蔽系数、太阳能总透射比、太阳光直接透射比和可见光透射比都较低。太阳光直接反射比、可见光反射比较高，而传热系数、辐射率则与普通玻璃差别不大。3.低辐射玻璃。低辐射玻璃又称为Low-E玻璃，是一种对波长在4.5～25um范围的远红外线有较高反射比的镀膜玻璃，它具有较低的辐射率。在冬季，它可以反射室内暖气辐射的红外热能，辐射率一般小于0.25，将热能保护在室内。在夏季马路、水泥地面和建筑物的墙面在太阳的暴晒下，吸收了大量的热量并以远红外线的形式向四周辐射。低辐射玻璃的遮蔽系数、太阳能总透射比太阳光直接透射比、太阳光直接反射比、可见光透射比和可见光反射比等都与普通玻璃差别不大，其辐射率传热系数比较低。4.中空玻璃。中空玻璃是将两片或多片玻璃以有效支撑均匀隔开并对周边粘接密封，使玻璃层之间形成有干燥气体的空腔，其内部形成了一定厚度的被限制了流动的气体层。由于这些气体的导热系数大大小于玻璃材料的导热系数，因此具有较好的隔热能力。中空玻璃的特点是传热系数较低，与普通玻璃相比，其传热系数至少可降低40％是目前最实用的隔热玻璃。我们可以将多种节能玻璃组合在一起，产生良好的节能效果。5.真空玻璃。真空玻璃的结构类似于中空玻璃，所不同的是真空玻璃空腔内的气体非常稀薄，近乎真空其隔热原理就是利用真空构造隔绝了热传导，传热系数很低。根据有关资料数据，同种材料真空玻璃的传热系数至少比中空玻璃低15%。6.普通玻璃。普通玻璃可以通过贴膜产生吸热、热反射或低辐射等效果。由于节能的原理相似，贴膜玻璃的节能效果与同功能的镀膜玻璃类似。4.节能玻璃的物理特性及应用：我国正处于建设的鼎盛时期，每年建成房屋近20亿平方米，而能达到国家规定节能标准的建筑只占10%左右；且在即有的约400亿平方米建筑中，95%以上是高耗能建筑可见，在我国推行节能建筑已刻不容缓。影响建筑能耗最直接的因素是建筑维护结构的保温与隔热性能，门窗又是其中最薄弱的环节。据统计，在建筑中门窗玻璃的能耗约占建筑总能耗的35%左右，因此节能玻璃的应用在建筑节能中具有重要意义。一、与节能玻璃相关的物理学原理及概念建筑是如何通过门窗玻璃传热的呢？我们知道，热量传递有热传导、对流和辐射三种基本方式热传导依靠物质的分子、原子或电子的移动或（和振动来传递热量。对流传热依靠流体微团的宏观运动来传递热量，所以它只能在流体中存在。辐射传热是通过电磁波传递热量，不需要物质作媒介。玻璃传热是热传导、辐射两种方式同时进行、综合作用的结果。太阳辐射能量的97%集中在波长为0.3~2.5μ的范围内，包括紫外线、可见光和红外线，这部分能量从室外进入室内；而室内物体的辐射以2.5μ以上的红外线为主。冬季，我们希望室外的辐射能量尽可能多的进入室内，而室内的辐射能量不要外泄，因此，选择具有一定物理特性的窗玻璃就成为建筑保温隔热的关键。为了下文叙述方便，先介绍几个和玻璃传热有关的物理概念。透射率透过材料的光通量与入射到材料表面上的光通量的百分比称为透射率。辐射率黑体被定义为在任意温度下，吸收并发射最大的辐射能的物体。物体表面的辐射率定义为物体表面辐射的热量与黑体在同一表面辐射热量之比。传热系数在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1开，1小时内通过1平方米面积传递的热量称为该材料的传热系数，单位为瓦/平方米·开（W/m2·K）。传热系数值越低，玻璃的保温性能就越好。热阻反映阻止热量传递能力的综合参量。当热量在物体内部以热传导的方式传递时，对于热流经过的截面积不变的平板，导热热阻为传热系数的倒数，单位为平方米·开/瓦。遮蔽系数表征窗玻璃在无其他遮阳措施情况下对太阳辐射透射得热的减弱程度。其数值为透过窗玻璃的太阳辐射得热与透过相同尺寸但无玻璃的开口进入室内的太阳辐射得热的比率。二、节能玻璃的种类及物理特性节能玻璃主要有镀膜玻璃、中空玻璃、真空玻璃、贴膜玻璃等，为了将节能玻璃的特性与普通玻璃进行比较，在此也列出了普通透明玻璃。普通透明玻璃透射率约为85%，它对阳光辐射阻挡能力很差，绝大部分的太阳辐射能量可透过玻璃进入室内。夏季白天进入室内的太阳辐射能量远大于玻璃向外辐射散发的热量，室内温度升高。该种玻璃的传热系数为5.8W/m2·K，若是内外温差为15℃，则因热传导而透过玻璃的热量就大于80W/m2。普通透明玻璃的辐射率为0.84,冬季，玻璃吸收室内热量后向外辐射，使室内温度降低，无法有效地阻挡室内热量泄向室外。单片透明玻璃的保温、隔热性能确实很差,不宜直接用于设有暖通或空调设施的建筑物。热反射镀膜玻璃是在玻璃表面镀一层或多层如铬、钛或不锈钢等金属或其化合物组成的薄膜，对可见光有适当的透射率，对近红外线有较高的反射率，对紫外线有很低的透过率。因金属膜对红外线的反射作用，使其具有丰富的颜色，因而对建筑物具有装饰效果。夏季热反射玻璃的隔热作用十分明显，能有效地限制进入室内的太阳热量。尤其当它被安装在建筑的西侧，能大大减弱西晒阳光的辐射热量。适用于夏热冬暖地区，能有效降低冷气设备的运行费用。但这种玻璃在限制阳光热辐射的同时，也限制了进入室内的可见光，这会影响到室内的自然采光。低辐射镀膜玻璃也称Low-E玻璃，是在玻璃表面镀上多层金属银或其他化合物组成的膜系产品，其镀膜层具有对可见光高透过及对中远红外线高反射的特性。Low-E玻璃对可见光的透射率可达80%以上，而反射率一般在11%以下，这使其与热反射镀膜玻璃相比，光学性能大为改观。既保证了建筑物的采光，又避免了玻璃幕墙、中空玻璃门窗光反射所造成的光污染。而且，Low-E玻璃可阻挡55%左右的紫外线进入室内，也起到了一定的防紫外线作用。Low-E玻璃的辐射率在0.35~0.5之间，比普通透明玻璃低很多，用Low-E玻璃制造建筑物门窗，可大大降低因辐射而造成的室内热能向室外的传递，有利于冬季室内温度的保持，达到节能的效果。北京奥林匹克篮球馆，采用了Low-E玻璃合成的中空玻璃幕墙体系。据报道，与普通单片玻璃比较，夏季就可以节能60%以上，冬季可以节能70%以上。贴膜玻璃由玻璃材料和贴膜两部分组成。贴膜是由特殊的聚脂薄膜作为基材，镀上各种不同的高反射率金属或金属氧化物涂层。它不仅能反射较宽频带的红外线，还具有较高的可见光透射率，而且具有选择性透光性能。例如可见光透射率高达70%以上，而对红外线和紫外线的反射率在75%以上，在3mm厚普通玻璃上贴一层隔热膜片后，太阳热辐射透过减少82.5%，其传热系数降为3.93W/（m2·K）。而且这种玻璃膜直接贴在玻璃表面，具有极强的韧性，不同种类的膜和玻璃配合使用，可达到不同要求的安全和节能效果。目前，此类玻璃贴膜在国内已广泛用于银行的防弹玻璃，大厦的玻璃幕墙上。例如，国家剧院的安全贴膜玻璃，不仅起到保温的作用，而减少了玻璃破碎可能引起的对人体的伤害，同时隔了99%以上的紫外线。中空玻璃由两片或多片平板玻璃组合而成，在两层玻璃之间用金属框隔开，四周再用密封胶或焊接密封而形成隔层空间，内部充入干燥的空气或惰性气体层。中空玻璃的空腔内形成了一定厚度的密闭气体层，由于气体的传热系数远小于玻璃的传热系数，因此中空玻璃具有了较好的隔热能力，在国外建筑中大量使用。中空玻璃具有防寒隔热、隔音、防结露，使用寿命长等特性。如果中空玻璃的内层玻璃改用Low-E玻璃，会有更好效果。随着能源问题的日益突出和“可持续发展”理念的推广，我国已经制定了建筑节能标准，广大建筑工作者也相当重视相应的设计和施工。但目前，我国的建筑节能水平还落后于发达国家。如欧美国家建筑已普遍采用节能玻璃，但由于初次投资要比普通玻璃高很多，而节能效果的收益要在较长一段时间才能显现，因此目前在我国大面积推广还存在一定困难。但相信，随着我国经济的发展和提高，节能玻璃会逐渐走进千家万户。三．建筑幕墙节能改造措施建筑幕墙节能措施有主动式节能和被动式节能两种方式。被动式节能是指我们选用合适的材料和构造措施来减少建筑能耗，提高节能效率。主动式节能是指不仅改进材料，更积极地是对风、太阳能等加以收集和利用，节约能源。1）幕墙主动式节能技术幕墙主动式节能主要有幕墙与建筑采光照明，幕墙与通风，幕墙与光电技术三个方面的措施。幕墙与建筑采光照明主要是指利用幕墙本身通透性的特点进行结构设计，使建筑可以利用尽可能多的室外光源，减少市内照明所需要的能耗。幕墙在通风节能方面的应用主要是利用热通道玻璃幕墙对空气的不同组织方式，使通道内的温度维持在我们所需要的温度上，从而减少室内取暖或制冷的能源消耗。以外循环为例来说明热通道玻璃幕墙的工作原理：外循环式DSF的一般构造是外层幕墙采用固定的单层玻璃，上下设有进出风口，有的不可关闭，有的可电动开闭和调节开启率；内层幕墙一般采用双层保温隔热玻璃窗扇，通常每两扇门窗设一个可开启扇，也有只设个别维护用开启扇的。在冬季，外层幕墙的进出风口和内层幕墙的