断热稀土玻璃涂层在铁路站房外墙玻璃的应用

马 涛，王孜晗，史坚鹏

（1. 中国铁路济南局集团有限公司 计划统计部，山东 济南 250001；2. 中国铁路济南局集团有限公司 济南铁路房产建设集团有限公司，山东 济南 250001；3. 中国铁路济南局集团有限公司 济南铁路物资工业集团有限公司，山东 济南 250001）

建筑的保温和隔热主要由屋面、门窗、外墙和楼板等部件材料的保温及隔热性能共同决定[1]。随着玻璃幕墙在建筑领域的广泛应用，普通白光玻璃外墙的保温隔热性能较差已成为建筑保温隔热性能的短板，提升玻璃外墙保温隔热性能的方法备受关注。为了保持玻璃幕墙的美观透明，应尽可能保证其对入射光线的高透过率；同时，热量会以热辐射的形式入射到建筑物内，导致室温升高[2]。如何在不显著影响玻璃通透性的前提下，阻隔红外线透射进入建筑物内部，是提高玻璃幕墙保温隔热性能的关键之一。

1 技术背景

1.1 低热辐射玻璃(Low-E玻璃)

低热辐射玻璃是在普通玻璃表面镀多层金属或其他化合物的膜系产品，其镀膜层具有对可见光高透过、对中远红外线高反射的特性[3]，使其与普通玻璃和传统建筑用镀膜玻璃相比，具有优异的隔热效果和良好的透光性。但是，玻璃表面的金属镀层对无线通讯信号有吸收和反射作用，影响手机等设备的正常使用。生产低热辐射玻璃需要高洁净度的厂房和真空蒸镀工艺，无法以后期涂刷等方式使玻璃表面获得隔热能力，难以用于存量建筑玻璃的升级改造。此外，由于金属层可能受到氧化和外部侵蚀，其表面层寿命远低于玻璃本身的寿命。

1.2 着色玻璃

在玻璃烧制过程中加入着色剂可制备具有特定颜色的有色玻璃[4]。这类玻璃在吸热的同时也会吸收可见光，从而呈现不同颜色，在实现隔热效果的同时会牺牲可见光透过率，限制了需要高可见光透过场景的应用。该方法无法用于存量建筑玻璃幕墙的升级改造。

1.3 红外线吸收材料

通过在玻璃表面蒸镀红外线吸收材料，也可以提高玻璃对红外线的阻隔率。其中，以氧化铟锡(ITO)[5]和氧化锡锑(ATO)[6]为代表的金属氧化物半导体材料中，ITO 成本高昂，ATO 隔热性能不足。而钨青铜类材料中，铯钨青铜[7]材料具有最好的红外吸收效果，可实现高效吸收，这也是目前商业化应用最为广泛的红外吸收材料。但是，其在紫外线照射下会出现光致变色现象；在加热条件下，会与水和氧气发生不可逆的氧化反应生成三氧化钨，并丧失其红外吸收性能。由于蒸镀技术条件要求较高，该方法难以用于既有玻璃幕墙的升级。

1.4 玻璃表面镀层(断热稀土玻璃涂层)

稀土硼化物具有CsCl型立方晶体结构，这种晶体结构使稀土原子与硼原子紧密结合[8]。由于CsCl 型的特殊结构，使稀土硼化物具有大量的活性电子，从而使某些稀土化合物具有吸收特定波段红外线、同时透过可见光的特殊性质，利用这种性质将其制成断热稀土玻璃涂料，涂布于普通玻璃表面，可将太阳光中人眼不可见的红外光阻隔掉，即阻隔太阳光中红外线携带的能量向室内辐射而实现隔热，在实现隔热性能的同时不会影响可见光的透过。该方法可以以后期涂刷等方式在普通玻璃表面涂布，使其具有阻隔红外光热辐射的能力，适用于存量建筑玻璃的升级改造。

2 原理及特性

2.1 隔热节能原理

热传递的方式有3 种，即热传导、热对流和热辐射[9]。高铁站房外墙玻璃通常采用中空双层玻璃设计，这种方式可有效降低外墙玻璃构件的热传导和热对流带来的热量交换，但传统的外墙玻璃构件无法有效阻隔热辐射，太阳光特别是红外线可以以辐射形式透射玻璃构件并持续入射到建筑物内，将引起室内温度升高。为维持站房内温度恒定，需要空调系统提供冷量抵消红外线入射带来的热量，由此会消耗更多的电能，并相应带来更多的碳排放。

断热稀土玻璃涂层在可见光波段保持高透光性，在近红外波段显著降低红外线的透过，可在不显著影响可见光的情况下有效阻隔红外线，降低透过玻璃入射到建筑物内的辐射热量，从而实现隔绝热辐射的同时降低能耗。与常用的Low-E玻璃相比，断热稀土涂层处理过的玻璃具有更高可见光透过率和更好隔热性能。

2.2 断热稀土涂层阻隔特性

太阳光谱中的能量主要来源于200～2 500 nm波段范围，其中200～400 nm紫外光的能量占太阳光总能量的5%；400～780 nm可见光的能量占太阳光总能量的45%；780～2 500 nm近红外的能量占太阳光总能量的50%。

稀土硼化物属于CsCl型晶体结构，活性稀土原子会在CsCl型晶体结构框架中不断提供自由电子，使稀土硼化物具有优良活性。此外，由于稀土元素不同，稀土原子对外层4f轨道的电子吸引力不同，导致不同稀土硼化物具有不同的性能。断热稀土涂层光谱如图1所示。

图1 断热稀土涂层透过率光谱

根据图1，涂层对波长880 nm以上的红外光，透过率在8%以下，平均阻隔率达97%以上；对780～880 nm的近红外光透过率为22%以下，平均阻隔率约为85%；对波长小于400 nm 的紫外线平均透过率为2%以下；在400～780 nm的可见光段，透过率为22%～78%。可见，断热稀土涂层可有效阻隔室外热能以红外线辐射形式传递至室内，同时不会影响可见光的透过，确保维持正常的生产生活需要。

3 断热稀土涂层在车站的应用

以2020年全年日照强度、日照时长、室外气温等气象数据为依据，建立了某车站建筑热负荷模型，分析了稀土断热涂层在该车站应用的节能性能。

3.1 日照情况分析

地区日照情况数据包括日照强度和日照时数2 个指标。日照强度(Surface solar radiation，SSR)是指到达地球表面的太阳辐射总量，也被称为短波辐射。该参数相当于日射强度计在地表测量的模型数据，可直观表示目标建筑区域内太阳总辐射强度；日照时数为在所述时间内地表接收的太阳辐照度累计总量折算成标准测试条件下(辐照度1 000 W/m2)持续的时长。

为了仿真分析稀土断热涂层玻璃在该车站的使用情况，采用欧洲中期天气预报中心ERA5(ECMWF Re-Analysis 5)数据集和美国国家航空航天局提供的大气再分析资料。利用该气象数据绘制得到该车站所在地区2020年日照强度和日照时数数据，如图2所示。数据显示最大日照强度和日照时数出现在5 月，总日照强度为283.22 W/m2，日照时数为192.82 h。

图2 车站月度日照强度及日照时数

3.2 气温情况分析

以该车站所在城市2020年日平均气温为依据，并设定若当日最高气温超过20℃时开启中央空调进行制冷，通过统计当日最高气温来确定是否开启空调，进而确定产生能量消耗的时长。根据该车站所在城市日均气温数据可知，5—8月需要开启空调制冷功能。

3.3 建筑物日照及节能情况分析

为考虑该车站朝向、建筑结构、遮挡等因素对建筑物采光和热平衡的影响，根据车站建筑结构及建筑尺寸等条件建立仿真模型，并对不同时段内建筑物的日照情况进行仿真分析，测算其日照时数。

使用AutoCAD 对车站进行建模，使用天正软件进行日照分析。该项目中，在铁路站房的西面和顶面使用断热稀土玻璃涂层进行涂刷，根据近年气象资料测算结果，车站西面日照系数为0.4，顶面日照系数为1.00 (日照系数=某方位的日照时数/总日照时数)。设定2020 年每天总日照时数为8 h，将车站不同朝向的日照系数与车站2020 年每月日照时数进行综合分析，得到该建筑不同朝向的日照时数，如表1所示。

表1 2020年车站不同朝向每月日照时数

为了准确计算断热稀土涂层玻璃的节能效果，对试点工程中涂层玻璃的隔热性能进行了实际应用，对采用断热稀土涂层后的玻璃，使用红外阻隔率测试仪对红外阻隔率进行测试，得到其平均红外线阻隔率为97%。通过查询净日照强度气象资料，计算得到20℃以上阻隔热量如表2所示。

表2 2020年每月净日照强度及20℃以上阻隔热量

根据测试可知，使用稀土断热涂层玻璃后能够降低太阳入射热量97%，可显著减少空调开机时间和制冷量，使消耗的电量、电费明显减少。节能计算公式如下。

节省电量=阻隔热量/空调制冷效率式中：空调的制冷效率一般为2.4。

仿真结果表明，对车站3 150 m2玻璃全部使用断热稀土涂层升级改造后，每年可节约电能约21万kW·h，按照商业用电1.0 元/(kW·h)计算，可节约电费支出约21万元。

4 结束语

断热稀土玻璃涂层具有红外线阻隔率高、可见光通透率高等特点，是一种适用于既有玻璃幕墙、玻璃窗体节能改造的环保节能材料。在铁路玻璃站房涂刷后，可以有效降低入射至站房内部的紫外线和红外线辐射能量，能够降低站房内部候车时的体感温度，进而可以适当降低空调制冷的工作时间或工作功率，减少电量消耗，在铁路站房具有一定的应用前景，可为铁路节能减排提供新途径。