节能玻璃的研究进展
引言
节能是推动当今社会进步和经济发展的重要动力之一。建筑节能、工业节能、交通节能是全社会节能大业的重要组成部分。在建筑节能中, 门窗是建筑的“眼睛”, 它在建筑与环境的协调上担负着自然、户内及户外既沟通又分离的多重实用功能。因此, 节能玻璃的重要作用不言而喻。21世纪房屋建筑快速发展, 据统计 , 我国建筑能耗占全社会总能耗的30%,随着经济和社会的发展, 这个比例还将不断增长。而在建筑能耗中, 通过玻璃门窗造成的能耗占到了建筑总能耗的50%左右。因此, 实现建筑节能的重点是提高玻璃的节能性。
1 节能玻璃及其分类
节能玻璃是人们将某些玻璃的性能与普通玻璃比较后提出的, 通常是指具有隔热和遮阳性能的玻璃。按其性能可分为隔热性能型节能玻璃、遮阳性能型节能玻璃和吸热性能型节能玻璃。其中隔热性能型的节能玻璃有中空玻璃、真空玻璃等;遮阳性能型节能玻璃有镀膜玻璃、调光玻璃等;吸热性能型的节能玻璃有吸热玻璃等。
2 隔热性能型节能玻璃
2.1中空玻璃
中空玻璃是将2 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远远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%, 目前实用性最好的就是隔热玻璃。实际应用中也可以将多种节能玻璃组合在一起, 产生良好的节能效果。除了透明中空玻璃以外, 还有着色中空玻璃。着色中空玻璃是通过本体着色减小太阳光热量的透过率、增大吸收率, 由于室外玻璃表面的空气流动速度会大于室内, 所以能更多地带走玻璃本身的热量, 从而减少了太阳辐射热进入室内的程度。不同颜色类型、不同深浅程度的着色中空玻璃, 都会使可见光透过率发生很大的改变。着色中空玻璃融合了着色玻璃的隔热性和中空玻璃的保温性, 与透明中空玻璃相比, 它的隔热性优于透明中空玻璃, 但保温性与透明中空玻璃相差无几。法国发明了一种建筑外墙玻璃, 并且能起到太阳能热水器的作用。据介绍这是一种双层中空玻璃, 其40%是透明的, 其他部分被盘旋状的铜管以及银反射管所覆盖, 覆盖物位于玻璃内层。相对于一座大楼而言, 只利用外墙玻璃就可以解决热水问题, 每年可以节省大量的电力或煤气。由于这种玻璃并不是完全透明的, 因而不适合用作窗户玻璃,而是可以用来替代除窗户外的其他各种建筑的外墙玻璃。
2.2真空玻璃
真空玻璃的结构类似于中空玻璃, 不同之处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(见图1)。
真空玻璃与中空玻璃相比保温性能更好, 热阻更高, 因此具有更好的防结露性能和隔热节能。两片玻璃中间的真空层能消除传导与对流传热, 使房间与外界的热交换降到极限。
日本平板玻璃公司开发出真空玻璃, 即两片玻璃板之间设真空层的玻璃。这种玻璃具有良好的隔热隔音效果, 适于做居民楼和高层建筑的窗户玻璃。这种真空玻璃的厚度只有6.2mm, 可直接安装在通常使用的窗框上。它比目前在欧美流行的复层玻璃效果好得多, 而且安装、使用方便。
3 遮阳性能型节能玻璃
3.1镀膜玻璃
3.1.1基本原理
镀膜玻璃是在玻璃表面镀1层或多层金属、合金或金属化合物以改变玻璃的性能。按特性不同可分为热反射玻璃和低辐射玻璃。
热反射(阳光控制)玻璃, 一般是在玻璃表面镀1层或多层金属如铬、钛或不锈钢等或其他化合物组成的薄膜, 使产品颜色丰富, 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, 因此也称为阳光控制玻璃。与普通玻璃相比, 降低了遮阳系数, 即提高了遮阳性能,但对传热系数改变不大。
低辐射(Low-E)玻璃, 是在玻璃表面镀多层银、铜或锡等金属或其他化合物组成的薄膜, 产品对可见光有较高的透射率, 对红外线有很高的反射率, 具有良好的隔热性能。其采用的是对红外线高反射、不吸热的材料镀膜, 具有反射远红外线的性能, 不但可以阻挡高温场向低温场的热流辐射,而且还可以防止夏季热能入室、冬季热能的泄漏,具有双向节能的效果。但由于膜层强度较差, 一般不单独使用而是制成中空玻璃使用。
3.1.2研究进展
山东蓝星玻璃集团有限公司等研发了高端节能玻璃产品即低辐射镀膜玻璃, 简称“Low-E”玻璃, 并正式推向市场。
比亚迪股份有限公司研制了一种镀膜玻璃, 该镀膜玻璃包括玻璃基片和膜层, 其中膜层为金属膜, 金属膜直接附着在玻璃基片的至少一个表面上。该镀膜玻璃的颜色不会随着视角的不同而发生改变, 可以呈现具有各种金属光泽的颜色, 透过率能达到低于50%的要求, 而且制作非常方便, 附着力、强度、耐溶剂等性能都可达到要求。
英国发明了一种“智能玻璃”, 即不用空调而只用玻璃就能使室内冬暖夏凉。这种玻璃能够有选择性地吸收或反射红外线, 保持室内温度舒适宜人。其主要原因是涂抹在其表面上的超薄层物质(二氧化钒和钨的混合物)。天气寒冷时, 二氧化钒能吸收红外线产生温热效应, 可以提高室内温度;反之, 在炎热的夏天, 超薄层混合物中粘在一起的两种物质的分子发生相应的变化, 能够吸收并反射红外线, 从而使室内凉爽、舒适。
3.2调光玻璃
3.2.1基本原理
调光玻璃是一种新型的窗口节能材料, 它是通过调节太阳光的透过率达到节能效果。其作用原理是:当作用于调光玻璃上的光强、温度、电场或电流发生变化时, 调光玻璃的性能也将发生相应的变化, 从而可以在部分或全部太阳能光谱范围内实现高透过率状态与低透过率状态之间的可逆变化。调光玻璃最初是为汽车工业开发的, 现在, 人们开始探讨此种玻璃的大规模化以及在建筑上的应用。调光玻璃的核心是致变色材料。根据作用原理的不同, 致变色材料可分为光致变色、电致变色、热致变色及液晶基等多种类型。但只有在无色透明与着色之间可逆变化的材料才可应用于调光玻璃上。
3.2.2发展现状
1964年, 美国康宁玻璃公司研发出变色玻璃,由此诞生了玻璃变色镜片(室内变明, 室外变暗)。变色玻璃的发明是玻璃化学家从摄影师那里获得的启示。银盐本来并不挡光, 是光使它分解成为不透明的银原子, 从而构成底片上的风景, 于是玻璃化学家们就试着让氯化银、溴化银、碘化银这些对光敏感的试剂加到熔融的玻璃液中, 还加入了微量的氧化铜。这样, 自动调光变色玻璃就诞生了。
美国洛杉矶加利福尼亚大学的研究人员研制出了一种新型变色玻璃, 它一遇到某种化学物质颜色就会发生改变, 根据这一特点, 它可被用作环境监测以及医疗诊断的显示器。
日本尼康公司最近开发一种新颖电子太阳眼镜, 其镜片采用电感色材料, 并安装微型电池和触摸式开关, 当开关打开后,由于镜片玻璃中的电荷发生变化, 其颜色就相应发生改变, 例如汽车驾驶员在进入或者离开隧道时,戴上它眼镜片能逐渐变色, 由此保证了驾车安全。
北京科技大学开发了一种兼有空调作用和窗帘作用的新型玻璃, 这种智能玻璃由温度、电场、磁场来调节室温和亮度, 可以随着室外温度的变化自动调节自身的光线、红外线透过率, 从而达到调节室内温度的目的。当室外温度高于室内温度时, 玻璃自身的红外线透过率就会自动下降, 从而可以有效地阻止太阳热辐射进入室内。当室外温度下降时, 玻璃的红外线透过率就会上升,而屋内的温度也不会有太大的变化。
日本开发了一种多功能窗用玻璃, 这种玻璃可根据环境温度变化自动调节阳光与热量, 可见光透过率从40%提高到60%, 其性能也可达到世界的最高水平。这种玻璃在夏季可以阻挡日晒, 冬季不但能实现高隔热, 还能吸收日光中的红外线。之后日本又开发出一种调光玻璃, 当它遇到强烈的太阳光时, 着光部分就会变成白色。这种玻璃实际上是将两层玻璃重叠在一起, 中间掺入特殊的高分子凝胶。这种凝胶在温度低时为透明无色液体, 达到一定温度后分子凝聚颜色变白。当炎热夏季的阳光直射时, 着光部分温度发生变化, 数秒钟内着光部分就会变成白色, 有遮阳降温的效果。而秋季至春季之间即使光线直射, 温度升高的幅度不大,玻璃仍为透明无色。玻璃变白的温度是可以调节,因此适用于各地区。
英国伦敦大学的科学家发明出一种“智能玻璃” , 不用空调, 单是玻璃就能让室内冬暖夏凉。这种玻璃能够有选择性地吸收或反射红外线, 从而保持室内温度舒适宜人。其秘密就在于涂抹在它表面上的超薄层物质—二氧化钒和钨的混合物。天气寒冷的时候, 二氧化钒能吸收红外线,产生温热效应, 从而提高室内温度;相反, 在炎热的天气里, 超薄层混合物中, 粘在一起的两种物质的分子发生相应变化, 反射红外线, 从而使得室内温度凉爽。薄层混合物质中含量2%的钨决定了二氧化钒是吸热还是散热。
4吸热性能型节能玻璃
吸热玻璃是一种能够吸收太阳能的平板玻璃,它利用玻璃中的金属离子对太阳能进行选择性吸收, 同时呈现不同的颜色。吸热玻璃的节能原理是当太阳光透过玻璃时,玻璃将光能吸收转化为热能, 热能又以导热、对流和辐射的形式散发出去, 从而减少太阳能进入室内, 实现真正的建筑节能。
吸热玻璃主要可以分为两类:一是本体着色,即在无色透明平板玻璃的配料中掺入特殊的着色剂, 采用浮法、平拉法等工艺进行生产;二是表面镀膜, 即在玻璃表面喷镀吸热、着色的氧化物薄膜。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, 可见光透射比、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而变化。可见光反射比、传热系数、辐射率与普通玻璃差别不是很大。基体着色吸热玻璃(颜色玻璃)几乎与玻璃同时出现。在大面积的平板玻璃生产中, 人们一直生产无色透明的玻璃。直到1985年, 我国秦皇岛耀华玻璃厂在单机五槽玻璃熔窖研究开发并批量生产出茶色玻璃, 才开始用大型玻璃熔窖生产吸热玻璃。
5结语
传统的玻璃材料已经不能满足今天的要求。目前相关的应用研究主要集中于欧美及日本等一些国家, 而我国在这方面的研究相对薄弱, 仍然处于研究开发阶段, 随着节能玻璃的深入开发, 要求其具有更好的节能、安全、健康、环保等特性。未来在我国每年新增建筑面积十分可观, 巨大存量高耗能建筑需要改造的情况下, 节能玻璃市场前景十分广阔。