节能玻璃的应用及开发

1引言1.1节能玻璃出现的背景随着生产力的迅猛发展，人类在征服自然、改造自然的斗争中取得了日新月异的成就，人类文明也取得了长足的进步。

然而全球范围内科学技术的突飞猛进和人们物质生活水平提高也直接导致现有能源日益枯竭，目前，能源问题已经成为当今世界几大主题之一。

在没有获得有效的新的替代能源突破之前，节能便被提上世界各国的议事日程。

其中占总能耗比例约为五分之一的建筑能耗更是引起科学家的广泛关注。

而建筑能耗的50%之多是通过门窗散失掉的，因此减少玻璃门窗的能量损失对于建筑节能具有非常重要的意义。

自70年代发生石油危机以来，建筑节能产品的应用成为国际建筑行业的主流。

在美国，节能玻璃门窗的使用量占所有玻璃门窗用量的82%；而德国政府自70年代后期即立法，明确规定不使用节能玻璃的新建楼房不批准建设。

与发达国家相比，目前我国建筑物仍然存在能耗高、能效低、污染严重等问题，据统计我国建筑物能耗占总能耗的比例上升到27%。

而玻璃结构作为建筑物节约能源的薄弱环节，追求建筑的现代感外观与有效节能之间总是存在不易调和的矛盾，因此，近年来我国政府也开始重视建筑节能问题。

1998年我国开始实施的《节约能源法》规定“建筑物的设计和建造应当采用节能型建筑结构材料、器具和产品，提高保温隔热性能，减少采暖、制冷、照明的能耗”。

因此，具有优良的节能保温性能的各种镀膜玻璃在这种形势下脱颖而出。

1.2国内外对节能玻璃的研究现状1.2.1国外研究现状节能玻璃的发展历史可追溯到1835年，那时的欧洲人就开始用银镜还原法生产镜面膜玻璃了。

二十世纪初，欧洲出现了增透膜及反射膜玻璃。

1970年以后，随着真空镀膜技术及浮法玻璃在线喷镀技术的迅速发展，出现了大量的镜面膜、热反射膜、低辐射膜、导电膜等镀膜玻璃。

低辐射膜玻璃是上世纪七十年代能源危机所造就的产物。

到1990年，美国市场的热反射膜及低辐射膜玻璃的销售量已达到600万—900万平方米。

1.2.2国内研究现状我国节能玻璃的发展，与先进国家相比较慢，直到1990年以后才得以迅速发展起来。

虽然我国节能玻璃技术的研发起步较晚，但是随着我国科学技术的发展，节能玻璃的生产技术工艺日臻成熟，产品品种和功能日渐增加，应用范围日益扩大，已成为了玻璃深加工的主要产品之一。

目前，我国镀膜玻璃生产工艺有离线法镀膜和在线法镀膜两种。

其中离线镀膜法主要有真空阴极磁控溅射法和溶胶—凝胶浸镀法两种；在线镀膜法主要有固体粉末喷涂法和化学气相沉积法(CVD法)两种。

其产品主要有热反射膜玻璃、低辐射玻璃(Low-E玻璃)、自洁净玻璃以及导电膜玻璃(ITO膜玻璃)等。

1.3本文研究的目的和意义随着国民经济的高速发展，能源危机在我国显得尤为突出，建筑材料消耗的能源占总能源消耗的五分之一左右，其中50%多的能耗由门窗散失掉，造成了极大的浪费，因此具有节能性能的镀膜玻璃在建筑中有着十分重要的意义和广阔的市场前景。

2 玻璃节能的评价2.1 玻璃节能评价的主要参数自然界中热量的传递通常有三种形式：对流、辐射和传导[1]。

由于玻璃是透明材料，通过玻璃的传热除上述三种形式外还有太阳能量以光辐射形式的直接透过。

衡量通过玻璃进行能量传播的参数有热传导率及K值（在美国称为U值）、太阳能透过率[2]、遮蔽系数、相对热增益等[3]。

2.1.1 K值K值表示的是在一定条件下热量通过玻璃在单位面积（通常是1m2）、单位温差（通常指室内温度与室外温度之差一般10℃或1K）、单位时间内所传递焦耳数。

K值的单位通常是W/m2K。

K值是玻璃的传导热、对流热和辐射热的函数，它是这三种热传方式的综合体现。

玻璃的K值越大，它的隔热能力就越差，通过玻璃的能量损失就越多。

2.1.2 太阳能参数透过玻璃传递的太阳能其实有两部分，一是太阳光直接透过玻璃而通过的能量；二是太阳光在通过玻璃时一部分能量被玻璃吸收转化为热能，该热能中的一部分又进入室内。

通常有三个概念来定义：(1)太阳光透射率：太阳光以正常入射角透过玻璃的能量占整个太阳光入射能的百分数；(2)太阳能总的透过率：太阳光直接透过玻璃进入室内的能量与太阳光被玻璃吸收转化为热能后二次进入室内的能量之和占整个太阳光入射能的百分数；(3)太阳能反射率：太阳光被所有表面（单层玻璃有两个表面，中空玻璃有四个表面）反射后的能量占入射能的百分数。

2.1.3 遮蔽系数遮蔽系数[3]是相对于3mm无色透明玻璃而定义的，它是以3mm无色透明玻璃的总太阳能透过率视为1时（3mm无色透明玻璃的总太阳能透过率是0.87）其他玻璃与其形成的相对值，即玻璃的总太阳能透过率除以0.87。

2.1.4 相对热增益用来反映玻璃综合节能的指标，它是指在一定条件下即室内外温度差为15℃时透过单位面积（3mm透明，1m2）玻璃在地球纬度30O处海平面，直接从太阳接受的热辐射与通过玻璃传入室内的热量之和。

也就是室内外温差在15℃时的透过玻璃的传热加上地球纬度为30O时太阳的辐射热630W/m2与遮蔽系数的积。

相对热增益越大，说明在夏季外界进入室内的热量越多，玻璃的节能效果越差。

对于玻璃真实的热增益是由建筑所处的地球纬度、季节、玻璃与太阳光所形成的夹角以及玻璃的性能共同决定的。

影响热增益的主要因素是玻璃对太阳能的控制能力即遮蔽系数和玻璃的隔热能力。

相对热增益特别适合于衡量低纬度且日照时间较长地区向阳面玻璃的使用情况，因为该指标是在室外温度高于室内温度时室外热流流向室内且太阳能也同时进入室内的情况下而给定的。

对于不存在太阳能辐射部位使用玻璃时，反映玻璃保温能力的指标只有K值。

3 节能玻璃的种类随着技术的不断进步玻璃品种越来越多，目前主要以节能为目的的品种有吸热玻璃、镀膜玻璃、中空玻璃、真空玻璃等[4]。

3.1吸热玻璃吸热玻璃是在玻璃本体内掺入金属离子使其对太阳能有选择地吸收同时呈现不同的颜色，吸热玻璃的节能是通过太阳光透过玻璃时将光能转化为热能而被玻璃吸收，热能以对流和辐射的形式散发出去从而减少太阳能进入室内。

3.2镀膜玻璃镀膜玻璃在建筑上的应用主要有两种，即热反射玻璃[5]（也称太阳能控制玻璃）、低辐射玻璃。

热反射玻璃是在玻璃表面镀上金属、非金属及其氧化物薄膜使其具有一定的反射效果，能将太阳能反射回大气中而达到阻挡太阳能进入室内使太阳能不在室内转化为热能的目的。

太阳能进入室内的量越少，空调负荷也就越少；热反射玻璃的反射率越高说明其对太阳能的控制越强，但是玻璃的可见光透过率会随着反射率的升高而降低，影响采光效果，太高的玻璃反射率也可能出现光污染问题。

普通平板玻璃的辐射率较高，通常为0.84。

低辐射玻璃是通过在玻璃表面涂敷低辐射涂层使表面的辐射率低于普通玻璃从而减少热量的损失来达到降低采暖费用实现节能目的。

衡量低辐射玻璃节能效果的重要指标是辐射率。

辐射率越低通过玻璃表面发生的辐射损失越少，玻璃的节能效果越好。

3.3中空玻璃中空玻璃[6]由于在两片玻璃之间形成了一定的厚度并被限制了流动的空气或其他气体层从而减少了玻璃的对流和传导传热，因此它具有了较好的隔热能力。

例如由两片5mm普通玻璃和中间层厚度为10mm的空气层组成的中空玻璃，在热流垂直于玻璃进行热传递时对流传热，传导传热、辐射传热各约占总传热的2%、38%、60%，同时中空玻璃的单片还可以采用镀膜玻璃和其他节能玻璃，能将这些玻璃的优点都集中于中空玻璃上，也就是说中空玻璃还可以集本身和镀膜玻璃的优点于一身，从而发挥更好的节能作用。

如用一层5mm厚、表面辐射率0.2的低辐射玻璃和一层厚度为5mm的普通玻璃组成的空气层为9mm的中空玻璃其K值月约为2.1W/m2K。

如果使用辐射率为0.08的低辐射玻璃并且将空气层中的空气用氩气置换空气层的厚度选择12mm，其K值可以达到1.4W/m2K。

如果在中空玻璃的外片选择热反射玻璃他还具有控制太阳能的作用。

3.4真空玻璃真空玻璃是目前节能效果最好的玻璃，真空玻璃是在密封的两片玻璃之间形成真空从而使玻璃与玻璃之间的传导热接近于零，同时真空玻璃的单片一般至少有一片是低辐射玻璃。

低辐射玻璃可以减少辐射传热，这样通过真空玻璃的传热其对流、辐射和传导都很少，节能效果非常好，但目前国内尚未形成生产能力。

4节能玻璃的节能原理节能型建筑玻璃应该要能够控制太阳辐射和黑体辐射。

太阳辐射按不同波长可分为紫外、可见、红外三个区域，其能量主要集中在0.38μm-2.5μm 可见近红外区内，它们占整个太阳辐射的97%之多；对于一个建筑物，其室内的热量来源除了通过门窗玻璃进入室内的太阳光产生的热量以外，房间的取暖设施及房间的物体发出的热量，也就是所谓的黑体辐射，也是很重要的一部分热量，这一部分热能在寒冷的冬季尤为宝贵。

图4.10为太阳辐射和黑体辐射的能量分布图[7]。

低辐射玻璃的绝热性能一般用辐射率ε又称发射率表示，它是指实际物体的辐射力与同温度条件下黑体辐射力的比值，它是物体表面的重要辐射特性。

根据基尔霍夫定律可知[8]，),,(θλεT =A ),,(θλT ，其中A 为辐射体的吸收率，θ为辐射角。

假设辐射角垂直于玻璃表面，不考虑膜层内的多次反射，镀膜玻璃表面的辐射率可表示为： )(Re 1)]exp(1)[1(ad xp ad R -----=ε (1) 其中d 为膜厚，a 为吸收系数，R 为反射率，可表示为2222)1()1(K n K n R +++-= (2) 此处n 为折射率，K 为消光系数，它与吸收系数a 的关系为λπ/4K a =。

对于高反射面，R≈1，并且1>>ad ，可得R -=1ε，因此低辐射玻璃在中远红外光波段，即黑体热辐射区辐射率很低。

图4.10 太阳辐射和黑体辐射能量分布示意图低辐射膜本质上就是一种透明导电膜，在可见光有良好的透光性，对红外光有很高的反射性，它的光学特性与电学性能密切相关。

一般，电磁波一射入散射体，由于电磁波的磁场作用，在散射体的表面层，垂直于磁场方向会产生感生电流。

这种感生电流形成波源，在感应电流周围连续的发出磁场和与其垂直的感生电场。

这种向电磁波到来方向辐射的现象就是电磁波的反射。

导体中的电子密度由于热的波动而产生稀疏部分，发生使其还原状态的电场。

凭借这种电场，电子向密度小的地方移动。

但是由于惯性，电子会产生振动，这就是等离子体振动。

由Drude 理论[9]可知，自由电子吸收的最大等离子波长p λ可用下式表示：2/12*1020)(2--=γεεπλmNe c p (3) 式中，N 是自由电子浓度；0ε、1ε是真空中及不存在自由电子时膜的介电系数； μγ*/m e =，μ为电子迁移率，m *为导带中目由电子有效质量，e 为电子电荷。

p λ对光波起截止作用，位于可见近红外光处。

膜对波长较大的红外光)(p λλ>高反射；对波长较小的可见光)(p λλ<高透射。