節(jié)能玻璃的研究進展

      引言

      節(jié)能是推動當今社會進步和經(jīng)濟發(fā)展的重要動力之一。建筑節(jié)能、工業(yè)節(jié)能、交通節(jié)能是全社會節(jié)能大業(yè)的重要組成部分。在建筑節(jié)能中, 門窗是建筑的“眼睛”, 它在建筑與環(huán)境的協(xié)調(diào)上擔負著自然、戶內(nèi)及戶外既溝通又分離的多重實用功能。因此, 節(jié)能玻璃的重要作用不言而喻。21世紀房屋建筑快速發(fā)展, 據(jù)統(tǒng)計 , 我國建筑能耗占全社會總能耗的30%,隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)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(xiàn)建筑節(jié)能的重點是提高玻璃的節(jié)能性。

      1 節(jié)能玻璃及其分類

      節(jié)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(jié)能玻璃、遮陽性能型節(jié)能玻璃和吸熱性能型節(jié)能玻璃。其中隔熱性能型的節(jié)能玻璃有中空玻璃、真空玻璃等;遮陽性能型節(jié)能玻璃有鍍膜玻璃、調(diào)光玻璃等;吸熱性能型的節(jié)能玻璃有吸熱玻璃等。

      2 隔熱性能型節(jié)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(nèi)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(shù)遠遠小于玻璃材料的導熱系數(shù), 因此具有較好的隔熱能力。

      中空玻璃的特點是傳熱系數(shù)較低, 與普通玻璃相比其傳熱系數(shù)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(jié)能玻璃組合在一起, 產(chǎn)生良好的節(jié)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(nèi), 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(nèi)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(fā)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(yōu)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(fā)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(jù)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(nèi)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(jié)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(jié)構(gòu)類似于中空玻璃, 不同之處是真空玻璃空腔內(nèi)的氣體非常稀薄, 近乎真空。其隔熱原理就是利用真空構(gòu)造隔絕了熱傳導, 傳熱系數(shù)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(jié)露性能和隔熱節(jié)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(fā)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(jié)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(chǎn)品顏色豐富, 對可見光有適當?shù)耐干渎? 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(shù), 即提高了遮陽性能,但對傳熱系數(shù)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(chǎn)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(jié)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(fā)了高端節(jié)能玻璃產(chǎn)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(fā)生改變, 可以呈現(xiàn)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(fā)明了一種“智能玻璃”, 即不用空調(diào)而只用玻璃就能使室內(nèi)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(nèi)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(zhì)(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(chǎn)生溫熱效應, 可以提高室內(nèi)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(zhì)的分子發(fā)生相應的變化, 能夠吸收并反射紅外線, 從而使室內(nèi)涼爽、舒適。

      3.2調(diào)光玻璃

      3.2.1基本原理

      調(diào)光玻璃是一種新型的窗口節(jié)能材料, 它是通過調(diào)節(jié)太陽光的透過率達到節(jié)能效果。其作用原理是:當作用于調(diào)光玻璃上的光強、溫度、電場或電流發(fā)生變化時, 調(diào)光玻璃的性能也將發(fā)生相應的變化, 從而可以在部分或全部太陽能光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)高透過率狀態(tài)與低透過率狀態(tài)之間的可逆變化。調(diào)光玻璃最初是為汽車工業(yè)開發(fā)的, 現(xiàn)在, 人們開始探討此種玻璃的大規(guī)?；约霸诮ㄖ系膽?。調(diào)光玻璃的核心是致變色材料。根據(jù)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(diào)光玻璃上。

      3.2.2發(fā)展現(xiàn)狀

      1964年, 美國康寧玻璃公司研發(fā)出變色玻璃,由此誕生了玻璃變色鏡片(室內(nèi)變明, 室外變暗)。變色玻璃的發(fā)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(gòu)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(diào)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(zhì)顏色就會發(fā)生改變, 根據(jù)這一特點, 它可被用作環(huán)境監(jiān)測以及醫(yī)療診斷的顯示器。

      日本尼康公司最近開發(fā)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(fā)生變化, 其顏色就相應發(fā)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(fā)了一種兼有空調(diào)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(diào)節(jié)室溫和亮度, 可以隨著室外溫度的變化自動調(diào)節(jié)自身的光線、紅外線透過率, 從而達到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的。當室外溫度高于室內(nèi)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(nèi)。當室外溫度下降時, 玻璃的紅外線透過率就會上升,而屋內(nèi)的溫度也不會有太大的變化。

      日本開發(fā)了一種多功能窗用玻璃, 這種玻璃可根據(jù)環(huán)境溫度變化自動調(diào)節(jié)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(xiàn)高隔熱, 還能吸收日光中的紅外線。之后日本又開發(fā)出一種調(diào)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(fā)生變化, 數(shù)秒鐘內(nèi)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(diào)節(jié),因此適用于各地區(qū)。

      英國倫敦大學的科學家發(fā)明出一種“智能玻璃” , 不用空調(diào), 單是玻璃就能讓室內(nèi)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(nèi)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(zhì)—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(chǎn)生溫熱效應, 從而提高室內(nèi)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(zhì)的分子發(fā)生相應變化, 反射紅外線, 從而使得室內(nèi)溫度涼爽。薄層混合物質(zhì)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(jié)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(xiàn)不同的顏色。吸熱玻璃的節(jié)能原理是當太陽光透過玻璃時,玻璃將光能吸收轉(zhuǎn)化為熱能, 熱能又以導熱、對流和輻射的形式散發(fā)出去, 從而減少太陽能進入室內(nèi), 實現(xiàn)真正的建筑節(jié)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(chǎn);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(shù)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(jù)玻璃中的金屬離子的成分和濃度變化而變化?？梢姽夥瓷浔?、傳熱系數(shù)、輻射率與普通玻璃差別不是很大?；w著色吸熱玻璃(顏色玻璃)幾乎與玻璃同時出現(xiàn)。在大面積的平板玻璃生產(chǎn)中, 人們一直生產(chǎn)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(fā)并批量生產(chǎn)出茶色玻璃, 才開始用大型玻璃熔窖生產(chǎn)吸熱玻璃。

      5結(jié)語

      傳統(tǒng)的玻璃材料已經(jīng)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(fā)階段, 隨著節(jié)能玻璃的深入開發(fā), 要求其具有更好的節(jié)能、安全、健康、環(huán)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(jié)能玻璃市場前景十分廣闊。