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引言
節能是推動當今社會進步和經濟發展的重要動力之一。建筑節能、工業節能、交通節能是全社會節能大業的重要組成部分。在建筑節能中, 門窗是建筑的“眼睛”, 它在建筑與環境的協調上擔負著自然、戶內及戶外既溝通又分離的多重實用功能。因此, 節能玻璃的重要作用不言而喻。21世紀房屋建筑快速發展, 據統計 , 我國建筑能耗占全社會總能耗的30%,隨著經濟和社會的發展, 這個比例還將不斷增長。而在建筑能耗中, 通過玻璃門窗造成的能耗占到了建筑總能耗的50%左右。因此, 實現建筑節能的重點是提高玻璃的節能性。
1 節能玻璃及其分類
節能玻璃是人們將某些玻璃的性能與普通玻璃比較后提出的, 通常是指具有隔熱和遮陽性能的玻璃。按其性能可分為隔熱性能型節能玻璃、遮陽性能型節能玻璃和吸熱性能型節能玻璃。其中隔熱性能型的節能玻璃有中空玻璃、真空玻璃等;遮陽性能型節能玻璃有鍍膜玻璃、調光玻璃等;吸熱性能型的節能玻璃有吸熱玻璃等。
2 隔熱性能型節能玻璃
2.1中空玻璃
中空玻璃是將2 片或多片玻璃以有效支撐均勻隔開并對周邊粘接密封, 使玻璃層之間形成有干燥氣體的空腔, 其內部形成了一定厚度的被限制了流動的氣體層。由于這些氣體的導熱系數遠遠小于玻璃材料的導熱系數, 因此具有較好的隔熱能力。
中空玻璃的特點是傳熱系數較低, 與普通玻璃相比其傳熱系數至少可降低40%, 目前實用性最好的就是隔熱玻璃。實際應用中也可以將多種節能玻璃組合在一起, 產生良好的節能效果。除了透明中空玻璃以外, 還有著色中空玻璃。著色中空玻璃是通過本體著色減小太陽光熱量的透過率、增大吸收率, 由于室外玻璃表面的空氣流動速度會大于室內, 所以能更多地帶走玻璃本身的熱量, 從而減少了太陽輻射熱進入室內的程度。不同顏色類型、不同深淺程度的著色中空玻璃, 都會使可見光透過率發生很大的改變。著色中空玻璃融合了著色玻璃的隔熱性和中空玻璃的保溫性, 與透明中空玻璃相比, 它的隔熱性優于透明中空玻璃, 但保溫性與透明中空玻璃相差無幾。法國發明了一種建筑外墻玻璃, 并且能起到太陽能熱水器的作用。據介紹這是一種雙層中空玻璃, 其40%是透明的, 其他部分被盤旋狀的銅管以及銀反射管所覆蓋, 覆蓋物位于玻璃內層。相對于一座大樓而言, 只利用外墻玻璃就可以解決熱水問題, 每年可以節省大量的電力或煤氣。由于這種玻璃并不是完全透明的, 因而不適合用作窗戶玻璃,而是可以用來替代除窗戶外的其他各種建筑的外墻玻璃。
2.2真空玻璃
真空玻璃的結構類似于中空玻璃, 不同之處是真空玻璃空腔內的氣體非常稀薄, 近乎真空。其隔熱原理就是利用真空構造隔絕了熱傳導, 傳熱系數很低(見圖1)。
真空玻璃與中空玻璃相比保溫性能更好, 熱阻更高, 因此具有更好的防結露性能和隔熱節能。兩片玻璃中間的真空層能消除傳導與對流傳熱, 使房間與外界的熱交換降到極限。
日本平板玻璃公司開發出真空玻璃, 即兩片玻璃板之間設真空層的玻璃。這種玻璃具有良好的隔熱隔音效果, 適于做居民樓和高層建筑的窗戶玻璃。這種真空玻璃的厚度只有6.2mm, 可直接安裝在通常使用的窗框上。它比目前在歐美流行的復層玻璃效果好得多, 而且安裝、使用方便。
3 遮陽性能型節能玻璃
3.1鍍膜玻璃
3.1.1基本原理
鍍膜玻璃是在玻璃表面鍍1層或多層金屬、合金或金屬化合物以改變玻璃的性能。按特性不同可分為熱反射玻璃和低輻射玻璃。
熱反射(陽光控制)玻璃, 一般是在玻璃表面鍍1層或多層金屬如鉻、鈦或不銹鋼等或其他化合物組成的薄膜, 使產品顏色豐富, 對可見光有適當的透射率, 對近紅外線有較高的反射率, 對紫外線有很低的透過率, 因此也稱為陽光控制玻璃。與普通玻璃相比, 降低了遮陽系數, 即提高了遮陽性能,但對傳熱系數改變不大。
低輻射(Low-E)玻璃, 是在玻璃表面鍍多層銀、銅或錫等金屬或其他化合物組成的薄膜, 產品對可見光有較高的透射率, 對紅外線有很高的反射率, 具有良好的隔熱性能。其采用的是對紅外線高反射、不吸熱的材料鍍膜, 具有反射遠紅外線的性能, 不但可以阻擋高溫場向低溫場的熱流輻射,而且還可以防止夏季熱能入室、冬季熱能的泄漏,具有雙向節能的效果。但由于膜層強度較差, 一般不單獨使用而是制成中空玻璃使用。
3.1.2研究進展
山東藍星玻璃集團有限公司等研發了高端節能玻璃產品即低輻射鍍膜玻璃, 簡稱“Low-E”玻璃, 并正式推向市場。
比亞迪股份有限公司研制了一種鍍膜玻璃, 該鍍膜玻璃包括玻璃基片和膜層, 其中膜層為金屬膜, 金屬膜直接附著在玻璃基片的至少一個表面上。該鍍膜玻璃的顏色不會隨著視角的不同而發生改變, 可以呈現具有各種金屬光澤的顏色, 透過率能達到低于50%的要求, 而且制作非常方便, 附著力、強度、耐溶劑等性能都可達到要求。
英國發明了一種“智能玻璃”, 即不用空調而只用玻璃就能使室內冬暖夏涼。這種玻璃能夠有選擇性地吸收或反射紅外線, 保持室內溫度舒適宜人。其主要原因是涂抹在其表面上的超薄層物質(二氧化釩和鎢的混合物)。天氣寒冷時, 二氧化釩能吸收紅外線產生溫熱效應, 可以提高室內溫度;反之, 在炎熱的夏天, 超薄層混合物中粘在一起的兩種物質的分子發生相應的變化, 能夠吸收并反射紅外線, 從而使室內涼爽、舒適。
3.2調光玻璃
3.2.1基本原理
調光玻璃是一種新型的窗口節能材料, 它是通過調節太陽光的透過率達到節能效果。其作用原理是:當作用于調光玻璃上的光強、溫度、電場或電流發生變化時, 調光玻璃的性能也將發生相應的變化, 從而可以在部分或全部太陽能光譜范圍內實現高透過率狀態與低透過率狀態之間的可逆變化。調光玻璃最初是為汽車工業開發的, 現在, 人們開始探討此種玻璃的大規模化以及在建筑上的應用。調光玻璃的核心是致變色材料。根據作用原理的不同, 致變色材料可分為光致變色、電致變色、熱致變色及液晶基等多種類型。但只有在無色透明與著色之間可逆變化的材料才可應用于調光玻璃上。
3.2.2發展現狀
1964年, 美國康寧玻璃公司研發出變色玻璃,由此誕生了玻璃變色鏡片(室內變明, 室外變暗)。變色玻璃的發明是玻璃化學家從攝影師那里獲得的啟示。銀鹽本來并不擋光, 是光使它分解成為不透明的銀原子, 從而構成底片上的風景, 于是玻璃化學家們就試著讓氯化銀、溴化銀、碘化銀這些對光敏感的試劑加到熔融的玻璃液中, 還加入了微量的氧化銅。這樣, 自動調光變色玻璃就誕生了。
美國洛杉磯加利福尼亞大學的研究人員研制出了一種新型變色玻璃, 它一遇到某種化學物質顏色就會發生改變, 根據這一特點, 它可被用作環境監測以及醫療診斷的顯示器。
日本尼康公司最近開發一種新穎電子太陽眼鏡, 其鏡片采用電感色材料, 并安裝微型電池和觸摸式開關, 當開關打開后,由于鏡片玻璃中的電荷發生變化, 其顏色就相應發生改變, 例如汽車駕駛員在進入或者離開隧道時,戴上它眼鏡片能逐漸變色, 由此保證了駕車安全。
北京科技大學開發了一種兼有空調作用和窗簾作用的新型玻璃, 這種智能玻璃由溫度、電場、磁場來調節室溫和亮度, 可以隨著室外溫度的變化自動調節自身的光線、紅外線透過率, 從而達到調節室內溫度的目的。當室外溫度高于室內溫度時, 玻璃自身的紅外線透過率就會自動下降, 從而可以有效地阻止太陽熱輻射進入室內。當室外溫度下降時, 玻璃的紅外線透過率就會上升,而屋內的溫度也不會有太大的變化。
日本開發了一種多功能窗用玻璃, 這種玻璃可根據環境溫度變化自動調節陽光與熱量, 可見光透過率從40%提高到60%, 其性能也可達到世界的最高水平。這種玻璃在夏季可以阻擋日曬, 冬季不但能實現高隔熱, 還能吸收日光中的紅外線。之后日本又開發出一種調光玻璃, 當它遇到強烈的太陽光時, 著光部分就會變成白色。這種玻璃實際上是將兩層玻璃重疊在一起, 中間摻入特殊的高分子凝膠。這種凝膠在溫度低時為透明無色液體, 達到一定溫度后分子凝聚顏色變白。當炎熱夏季的陽光直射時, 著光部分溫度發生變化, 數秒鐘內著光部分就會變成白色, 有遮陽降溫的效果。而秋季至春季之間即使光線直射, 溫度升高的幅度不大,玻璃仍為透明無色。玻璃變白的溫度是可以調節,因此適用于各地區。
英國倫敦大學的科學家發明出一種“智能玻璃” , 不用空調, 單是玻璃就能讓室內冬暖夏涼。這種玻璃能夠有選擇性地吸收或反射紅外線, 從而保持室內溫度舒適宜人。其秘密就在于涂抹在它表面上的超薄層物質—二氧化釩和鎢的混合物。天氣寒冷的時候, 二氧化釩能吸收紅外線,產生溫熱效應, 從而提高室內溫度;相反, 在炎熱的天氣里, 超薄層混合物中, 粘在一起的兩種物質的分子發生相應變化, 反射紅外線, 從而使得室內溫度涼爽。薄層混合物質中含量2%的鎢決定了二氧化釩是吸熱還是散熱。
4吸熱性能型節能玻璃
吸熱玻璃是一種能夠吸收太陽能的平板玻璃,它利用玻璃中的金屬離子對太陽能進行選擇性吸收, 同時呈現不同的顏色。吸熱玻璃的節能原理是當太陽光透過玻璃時,玻璃將光能吸收轉化為熱能, 熱能又以導熱、對流和輻射的形式散發出去, 從而減少太陽能進入室內, 實現真正的建筑節能。
吸熱玻璃主要可以分為兩類:一是本體著色,即在無色透明平板玻璃的配料中摻入特殊的著色劑, 采用浮法、平拉法等工藝進行生產;二是表面鍍膜, 即在玻璃表面噴鍍吸熱、著色的氧化物薄膜。吸熱玻璃的特點是遮蔽系數比較低, 太陽能總透射比、太陽光直接透射比和太陽光直接反射比都較低, 可見光透射比、玻璃的顏色可以根據玻璃中的金屬離子的成分和濃度變化而變化。可見光反射比、傳熱系數、輻射率與普通玻璃差別不是很大。基體著色吸熱玻璃(顏色玻璃)幾乎與玻璃同時出現。在大面積的平板玻璃生產中, 人們一直生產無色透明的玻璃。直到1985年, 我國秦皇島耀華玻璃廠在單機五槽玻璃熔窖研究開發并批量生產出茶色玻璃, 才開始用大型玻璃熔窖生產吸熱玻璃。
5結語
傳統的玻璃材料已經不能滿足今天的要求。目前相關的應用研究主要集中于歐美及日本等一些國家, 而我國在這方面的研究相對薄弱, 仍然處于研究開發階段, 隨著節能玻璃的深入開發, 要求其具有更好的節能、安全、健康、環保等特性。未來在我國每年新增建筑面積十分可觀, 巨大存量高耗能建筑需要改造的情況下, 節能玻璃市場前景十分廣闊。
