节能玻璃的光学和传热特性研究现状

陈依然

（江西理工大学土木与测绘工程学院，江西赣州 341000）

据清华建筑节能研究所统计，我国民用建筑能耗占中国一次能源消耗量的20%[1]绝大部分的建筑能耗是围护结构的传热导致。窗玻璃对太阳光线的透过和吸收特性会造成建筑得热量大幅增加，有研究表明通过窗玻璃产生的负荷可占建筑能耗的40%左右[2]。人们在生活中常见的普通透明窗玻璃通常为苏打石灰玻璃，主要成分是71%～75%的SiO2，12%～16%从Na2CO3中提取的Na2O，10%～15%CaO和少量其他材料用于添加着色等特殊属性。有研究表明透明玻璃对太阳光线的透射率约为0.75～0.90，具有的高透射率会对室内空调造成较大的负荷压力[3]。本文根据节能玻璃的制作方式将其分为镀膜玻璃和填充玻璃，回顾节能玻璃的传热系数（U）和透射率（Tv）等特性，并对其优缺点进行阐述，以期为围护结构的节能设计提供帮助。

1 镀膜玻璃的光学特性

常见的镀膜玻璃有低发射率（Low-E）涂层玻璃，此涂层不仅具有低发射率，还兼具高红外反射率和高可见光透过率，在保证室内采光的同时也可以降低不必要的热交换。用于Low-E涂层的材料通常为掺杂金属氧化物（SnO2、ZnO和TiO2等）的金属薄膜（Ag、Cu和Al等）[4]。Mahtani等[5]采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法制备了DLC/Ag/DLC排列的类金刚石（DLC）多层膜，结果表明该涂层在中对红外光谱具有95%的反射率，对可见光具有70%的透射率。Al-Shukri[6]用电子束蒸发法制备ZnS/Ag/ZnS和WO3/Ag/WO3多层膜，两种材料的最大可见光透过率均大于0.8，红外反射率较高。Al Kuhaili等[7-8]采用热蒸发法制备MoO3/Ag和NiO/Ag，分别在492 nm和554 nm处获得了最大0.78和0.69的可见光透射，获得了较高的红外反射。有研究者指出Ag在化学和物理性质上并不稳定，提出利用保护层扩散解决问题[9]。如Loka等[10]将Ag（Mo）合金插入TiNx层，采用射频和直流磁控溅射技术制备了多层膜，通过试验发现银在多层膜中表现稳定，薄膜的可见光透射率可达0.65，Low-E玻璃的具体参数如表1所示。

表1 Low-E涂层的加工技术和材料特性

2 填充玻璃的热工性能和节能潜力

部分学者通过采用多窗格玻璃并在窗格间隙填充气体或半透明材料改变玻璃的总传热系数，降低建筑能耗，Arici等[11]采用五种不同玻璃间隙宽度（6、9、12、15、18 mm），并在窗格间分别填充空气和氩气，对双层、三层和四层窗玻璃的传热系数进行研究，结果表明通过增加窗格的间隙宽度以及用氩气填充间隙宽度可以显著降低窗户的传热系数。

根据文献[12]可知，使用气体填充物能够使窗户性能获得提升，但相比于气体填充物增大窗户的间隙和窗格的个数的提升效果更明显，通过这种方式窗户建设的成本也将大幅增加，多窗格玻璃使用的框架材料会影响窗的总传热系数。对此许多研究者将关注点转移到填充材料的研究，气凝胶是一种具有半透明性质的材料。Lolli和Anresen[13]用气凝胶双层玻璃取代了部分住宅楼内填充氩气的三层玻璃，结果表明用气凝胶的窗户代替氩气填充窗户可节省约45%的空间供暖能耗，节省13%的建筑能耗，建筑排放的温室气体可减少至9%。郑思倩等[14]在长沙地区建立对照试验模型对比该气凝胶玻璃与普通中空玻璃的节能功效，结果表明夏季气凝胶玻璃引起的总得热量比中空玻璃减少约20%，冬季通过气凝胶玻璃比中空玻璃的室内得热量高61%。采用气凝胶作为填充物的窗玻璃节能效果非常显著，但目前对气凝胶窗玻璃的研发还处于初期阶段，可见光透射率还尚未达到人们生活所需采光，还需要进一步提高其透明度。

除了气凝胶，将相变材料（PCM）填充到窗户中也是学者们经常研究的课题，其特性是PCM的温度超过其熔化温度时，会吸收大量能量以进行相变，凝固时释放吸收的能量。填充的PCM通常是基于石蜡的有机材料。Silva等[15]开发了一种带PCM的百叶窗，使用石蜡Rubitherm rt28hc作为PCM，基于PCM百叶窗和普通百叶窗的性能比较，结果表明加入PCM后，最大室内温差达到16.6 ℃。Zhong[16]针对我国夏热冬冷地区，选用石蜡MG29作为PMV填充物，与普通玻璃相比，PCM窗的保温效果显著，夏季晴朗天气时，通过PCM窗进入的热量可减少18.3%。除了有机相变材料，也有研究者对无机相变材料填充物的节能性进行研究，Li等[17]选取CaCl2∙6H2O和Na2SO4∙10H2O对玻璃窗进行填充并与中空玻璃窗进行了热性能的比较，获取窗口48 h内的内外表面温度波动，结果表明夏季晴天条件下，填充了PCM材料的窗玻璃表面温度比未填充低12～13°C。

PCM窗的材料特性如表2所示。

表2 PCM窗的材料特性

根据文献[18]可知，石蜡虽然化学性质稳定、无毒、相变潜热大，但导热系数小，发生相变的过程中体积也会产生变化。无机相变材料导热性能良好，但多数金属会被腐蚀，热循环后会对材料的热性能造成损失。对于增加石蜡的导热系数方法、对于石蜡的形变问题以及防止无机材料被腐蚀的措施等方面还有待进一步研究。

3 结语

目前大部分Low-E窗玻璃所使用的膜结构多为银基材料，拥有较好的节能效果，但化学性质不稳定，应全面对银基膜结构进行封装工艺，以确保更高的使用率和节能性。气凝胶窗玻璃也具有非常好的节能效果，但可见光透射率距室内采光的需求还有可提升空间，今后应对其采光性能进行提升。针对PCM窗玻璃，可以在石蜡里添加高导热材料提升其导热率以及对无机材料进行封装工艺防止腐蚀等方面进行进一步研究。综上所述，窗玻璃的结构特性还具有良好的研究前景，以期获得更高效、更具持久性的窗玻璃，降低建筑的能耗。