节能玻璃的发展与应用文档格式.docx

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吸热玻璃是一种能够吸收太阳能的平板玻璃，它是利用玻璃中的金属离子对太阳能进行选择性的吸收，同时呈现出不同的颜色。

有些夹层玻璃胶片中也掺有特殊的金属离子，用这种胶片可以生产出吸热的夹层玻璃。

吸热玻璃一般可减少进入室内的太阳热能的20％～30％，降低了空调负荷。

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，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。

可见光反射比、传热系数、辐射率则与普通玻璃差别不大。

2.热反射玻璃。

热反射玻璃是对太阳能有反射作用的镀膜玻璃，其反射率可达20％～40％，甚至更高。

它的表面镀有金属、非金属及其氧化物等各种薄膜，这些膜层可以对太阳能产生一定的反射效果，从而达到阻挡太阳能进入室内的目的。

在低纬度的炎热地区，夏季可节省室内空调的能源消耗，它同时具有较好的遗光性能，使室内光线柔和舒适另外，这种反射层的镜面效果和色调对建筑物的外观装饰效果都较好。

热反射玻璃的遮蔽系数、太阳能总透射比、太阳光直接透射比和可见光透射比都较低。

太阳光直接反射比、可见光反射比较高，而传热系数、辐射率则与普通玻璃差别不大。

3.低辐射玻璃。

低辐射玻璃又称为Low-E玻璃，是一种对波长在4.5～25um范围的远红外线有较高反射比的镀膜玻璃，它具有较低的辐射率。

在冬季，它可以反射室内暖气辐射的红外热能，辐射率一般小于0.25，将热能保护在室内。

在夏季马路、水泥地面和建筑物的墙面在太阳的暴晒下，吸收了大量的热量并以远红外线的形式向四周辐射。

低辐射

玻璃的遮蔽系数、太阳能总透射比太阳光直接透射比、太阳光直接反射比、可见光透射比和可见光反射比等都与普通玻璃差别不大，其辐射率传热系数比较低。

4.中空玻璃。

中空玻璃是将两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大大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％是目前最实用的隔热玻璃。

我们可以将多种节能玻璃组合在一起，产生良好的节能效果。

5.真空玻璃。

真空玻璃的结构类似于中空玻璃，所不同的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。

根据有关资料数据，同种材料真空玻璃的传热系数至少比中空玻璃低15%。

6.普通玻璃。

普通玻璃可以通过贴膜产生吸热、热反射或低辐射等效果。

由于节能的原理相似，贴膜玻璃的节能效果与同功能的镀膜玻璃类似。

4.节能玻璃的物理特性及应用：

我国正处于建设的鼎盛时期，每年建成房屋近20亿平方米，而能达到国家规定节能标准的建筑只占10%左右；

且在即有的约400亿平方米建筑中，95%以上是高耗能建筑可见，在我国推行节能建筑已刻不容缓。

影响建筑能耗最直接的因素是建筑维护结构的保温与隔热性能，门窗又是其中最薄弱的环节。

据统计，在建筑中门窗玻璃的能耗约占建筑总能耗的35%左右，因此节能玻璃的应用在建筑节能中具有重要意义。

一、与节能玻璃相关的物理学原理及概念

建筑是如何通过门窗玻璃传热的呢？

我们知道，热量传递有热传导、对流和辐射三种基本方式热传导依靠物质的分子、原子或电子的移动或（和振动来传递热量。

对流传热依靠流体微团的宏观运动来传递热量，所以它只能在流体中存在。

辐射传热是通过电磁波传递热量，不需要物质作媒介。

玻璃传热是热传导、辐射两种方式同时进行、综合作用的结果。

太阳辐射能量的97%集中在波长为0.3~2.5μ的范围内，包括紫外线、可见光和红外线，这部分能量从室外进入室内；

而室内物体的辐射以2.5μ以上的红外线为主。

冬季，我们希望室外的辐射能量尽可能多的进入室内，而室内的辐射能量不要外泄，因此，选择具有一定物理特性的窗玻璃就成为建筑保温隔热的关键。

为了下文叙述方便，先介绍几个和玻璃传热有关的物理概念。

透射率透过材料的光通量与入射到材料表面上的光通量的百分比称为透射率。

辐射率黑体被定义为在任意温度下，吸收并发射最大的辐射能的物体。

物体表面的辐射率定义为物体表面辐射的热量与黑体在同一表面辐射热量之比。

传热系数在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1开，1小时内通过1平方米面积传递的热量称为该材料的传热系数，单位为瓦/平方米·

开（W/m2·

K）。

传热系数值越低，玻璃的保温性能就越好。

热阻反映阻止热量传递能力的综合参量。

当热量在物体内部以热传导的方式传递时，对于热流经过的截面积不变的平板，导热热阻为传热系数的倒数，单位为平方米·

开/瓦。

遮蔽系数表征窗玻璃在无其他遮阳措施情况下对太阳辐射透射得热的减弱程度。

其数值为透过窗玻璃的太阳辐射得热与透过相同尺寸但无玻璃的开口进入室内的太阳辐射得热的比率。

二、节能玻璃的种类及物理特性

节能玻璃主要有镀膜玻璃、中空玻璃、真空玻璃、贴膜玻璃等，为了将节能玻璃的特性与普通玻璃进行比较，在此也列出了普通透明玻璃。

普通透明玻璃透射率约为85%，它对阳光辐射阻挡能力很差，绝大部分的太阳辐射能量可透过玻璃进入室内。

夏季白天进入室内的太阳辐射能量远大于玻璃向外辐射散发的热量，室内温度升高。

该种玻璃的传热系数为5.8W/m2·

K，若是内外温差为15℃，则因热传导而透过玻璃的热量就大于80W/m2。

普通透明玻璃的辐射率为0.84,冬季，玻璃吸收室内热量后向外辐射，使室内温度降低，无法有效地阻挡室内热量泄向室外。

单片透明玻璃的保温、隔热性能确实很差,不宜直接用于设有暖通或空调设施的建筑物。

热反射镀膜玻璃是在玻璃表面镀一层或多层如铬、钛或不锈钢等金属或其化合物组成的薄膜，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。

因金属膜对红外线的反射作用，使其具有丰富的颜色，因而对建筑物具有装饰效果。

夏季热反射玻璃的隔热作用十分明显，能有效地限制进入室内的太阳热量。

尤其当它被安装在建筑的西侧，能大大减弱西晒阳光的辐射热量。

适用于夏热冬暖地区，能有效降低冷气设备的运行费用。

但这种玻璃在限制阳光热辐射的同时，也限制了进入室内的可见光，这会影响到室内的自然采光。

低辐射镀膜玻璃也称Low-E玻璃，是在玻璃表面镀上多层金属银或其他化合物组成的膜系产品，其镀膜层具有对可见光高透过及对中远红外线高反射的特性。

Low-E玻璃对可见光的透射率可达80%以上，而反射率一般在11%以下，这使其与热反射镀膜玻璃相比，光学性能大为改观。

既保证了建筑物的采光，又避免了玻璃幕墙、中空玻璃门窗光反射所造成的光污染。

而且，Low-E玻璃可阻挡55%左右的紫外线进入室内，也起到了一定的防紫外线作用。

Low-E玻璃的辐射率在0.35~0.5之间，比普通透明玻璃低很多，用Low-E

玻璃制造建筑物门窗，可大大降低因辐射而造成的室内热能向室外的传递，有利于冬季室内温度的保持，达到节能的效果。

北京奥林匹克篮球馆，采用了Low-E玻璃合成的中空玻璃幕墙体系。

据报道，与普通单片玻璃比较，夏季就可以节能60%以上，冬季可以节能70%以上。

贴膜玻璃由玻璃材料和贴膜两部分组成。

贴膜是由特殊的聚脂薄膜作为基材，镀上各种不同的高反射率金属或金属氧化物涂层。

它不仅能反射较宽频带的红外线，还具有较高的可见光透射率，而且具有选择性透光性能。

例如可见光透射率高达70%以上，而对红外线和紫外线的反射率在75%以上，在3mm厚普通玻璃上贴一层隔热膜片后，太阳热辐射透过减少82.5%，其传热系数降为3.93W/（m2·

而且这种玻璃膜直接贴在玻璃表面，具有极强的韧性，不同种类的膜和玻璃配合使用，可达到不同要求的安全和节能效果。

目前，此类玻璃贴膜在国内已广泛用于银行的防弹玻璃，大厦的玻璃幕墙上。

例如，国家剧院的安全贴膜玻璃，不仅起到保温的作用，而减少了玻璃破碎可能引起的对人体的伤害，同时隔了99%以上的紫外线。

中空玻璃由两片或多片平板玻璃组合而成，在两层玻璃之间用金属框隔开，四周再用密封胶或焊接密封而形成隔层空间，内部充入干燥的空气或惰性气体层。

中空玻璃的空腔内形成了一定厚度的密闭气体层，由于气体的传热系数远小于玻璃的传热系数，因此中空玻璃具有了较好的隔热能力，在国外建筑中大量使用。

中空玻璃具有防寒隔热、隔音、防结露，使用寿命长等特性。

如果中空玻璃的内层玻璃改用Low-E玻璃，会有更好效果。

随着能源问题的日益突出和“可持续发展”理念的推广，我国已经制定了建筑节能标准，广大建筑工作者也相当重视相应的设计和施工。

但目前，我国的建筑节能水平还落后于发达国家。

如欧美国家建筑已普遍采用节能玻璃，但由于初次投资要比普通玻璃高很多，而节能效果的收益要在较长一段时间才能显现，因此目前在我国大面积推广还存在一定困难。

但相信，随着我国经济的发展和提高，节能玻璃会逐渐走进千家万户。

三．建筑幕墙节能改造措施

建筑幕墙节能措施有主动式节能和被动式节能两种方式。

被动式节能是指我们选用合适的材料和构造措施来减少建筑能耗，提高节能效率。

主动式节能是指不仅改进材料，更积极地是对风、太阳能等加以收集和利用，节约能源。

1）幕墙主动式节能技术

幕墙主动式节能主要有幕墙与建筑采光照明，幕墙与通风，幕墙与光电技术三个方面的措施。

幕墙与建筑采光照明主要是指利用幕墙本身通透性的特点进行结构设计，使建筑可以利用尽可能多的室外光源，减少市内照明所需要的能耗。

幕墙在通风节能方面的应用主要是利用热通道玻璃幕墙对空气的不同组织方式，使通道内的温度维持在我们所需要的温度上，从而减少室内取暖或制冷的能源消耗。

以外循环为例来说明热通道玻璃幕墙的工作原理：

外循环式DSF的一般构造是外层幕墙采用固定的单层玻璃，上下设有进出风口，有的不可关闭，有的可电动开闭和调节开启

率；

内层幕墙一般采用双层保温隔热玻璃窗扇，通常每两扇门窗设一个可开启扇，也有只设个别维护用开启扇的。

在冬季，外层幕墙的进出风口和内层幕墙的窗扇都保持关闭，这

时通道就形成了一个缓冲层（BufferZone），其中的气流速度远低于室外，而温度则高于室外，从而减少了内层幕墙的向外传热量，从而减低了室内采暖多需要的能源消耗，达到节

能的效果。

幕墙与光电技术主要是指在幕墙上安装太阳能电池板，在幕墙作维护结构的同时收集太阳能，再转化为建筑物所能利用的电能，供给建筑物使用。

2）幕墙被动式节能技术

幕墙被动式节能主要是指在节能玻璃和建筑物遮阳这两方面的应用。

现在主要利用的节能玻璃主要有中空玻璃，夹胶玻璃和真空玻璃三种。

中空玻璃的中空层内可以充入惰性气体，减少热量传递。

真空玻璃由于把中空玻璃内的空气抽空，减少了空气层的热传递和热对流，能进一步减少透过玻璃的热量。

5.节能玻璃的发展及改造

节能减排对社会可持续发展起着举足轻重的作用，也是当今世界各国所共同面临的任务和挑战2006年我国民用建筑（运行）能耗占当年社会总能耗的23.1%，而且随着城市化率的提高、经济发展、人们收入和生活水平的不断改善，能耗总量将持续增长。

因此，降低建筑能耗是节能工作最重要的任务之一。

影响建筑能耗最直接的因素是建筑围护结构的

保温隔热性能，而门窗是围护结构中保温隔热的最薄弱部位，是影响建筑节能的最主要因素之一。

就目前我国典型的建筑围护结构而言，门窗的能耗约占建筑围护结构总能耗的40%～50%。

而且，目前我国的门窗节能水平与发达国家相比有很大的差距：

在建筑能耗方面，我国居住建筑外窗单位能耗为气候条件相近发达国家的1.5～2.2倍[2]；

在节能标准方面，发达国家达到较高水平，如德国要求外窗传热系数限值为1.5W/（m2·

K），瑞典为2.0W/（m·

2K）；

与北京同纬度的加拿大地区为2.86W/（m2·

K），而中国北京地区为3.5W/（m2·

K）[3]。

因此，增强门窗的保温隔热性能，减少门窗能耗，是建筑节能工作的重中之重，而玻璃作为门窗结构的最主要材料，其节能性质正日益引起重视。

目前一些新型的、高科技的节能玻璃正在发展研究中，不久就会应用到大家的生活中去。

低辐射玻璃已获得越来越广泛的认可。

建筑物门窗和玻璃幕墙广泛采用低辐射玻璃,无论是在炎热的夏季还是在寒冷的冬季,低辐射玻璃都可以阻止热量进入或散失,具有良好的保温隔热作用能够有效的降低室内空调的负荷,而且不会影响建筑物的采光性能和视觉效果,不会造成光污染,极大地提高了建筑物的节能环保作用。

在汽车工业中,低辐射玻璃的应用前途也一片光明,根据国家汽车工业的十五规划,2005年时我国汽车拥有量为2465~2545万辆,汽车的年需求量在310~330万在线低辐射玻璃成本较低,生产规模大,但生产难度较大,世界上只有英国皮尔金顿公司、美国PPG公司、法国Saint-Gobain公司等少数大的玻璃公司可以生产。

国内在线低辐射玻璃生产商较少,秦皇岛耀华玻璃股份有限公司与美国ATOFNA公司联手,于2003年成功地开发出在线低辐射镀膜玻璃,并实现规模化生产,这是国内首条在线低辐射玻璃生产线。

山东蓝星玻璃集团有限公司与浙江大学蓝星新材料技术有限公司、浙江大学合作,研发了浮法在线低辐射玻璃的生产工艺技术,拥有了低辐射玻璃大规模产业化能力,2004年4月,该项目通过科技部#863?

项目专家组验收,一致认为是我国利用高新技术成功改造传统产业的典范。

2005年,蓝星集团研发的高端节能低辐射玻璃正式推向市场。

在线低辐射玻璃生产工艺将是今后我国着重发展的高技术生产工艺,可使低辐射玻璃的生产成本极大的降低,更好的利用我国浮法玻璃生产线,提高我国浮法玻璃的附加值和科技含量。

另外复合式节能玻璃是普通中空、夹层及真空玻璃的复合体，因此，分析中空、夹层及真空玻璃的承载变形性能及其等效厚度的计算方法是分析复合式节能玻璃承载性能及抗风压设计的基础。

气凝胶———一种超级隔热材料

气凝胶是一种由胶体粒子或高聚物分子相互交联构成的具有三维网络结构的轻质纳米多孔材料。

因其半透明的色彩和超轻重量，气凝胶也被称为“固态烟”或“冻烟”。

最近，美国宇航局研制出的一种新型气凝胶，密度为3.55kg/m3，仅为空气密度的2.75倍，被认为是“世界上密度最低的固体”。

早在1931年，美国斯坦福大学的Kistler利用溶胶—凝胶方法及超临界干燥技术首次制得气凝胶，但由于气凝胶的制备工艺复杂和造价较高等原因，加之又未发现气凝胶的实际应用价值，限制了当时气凝胶的发展和应用。

Peri利用硅酯经溶胶—凝胶法制备出二氧化硅气凝胶，大大缩短气凝胶的干燥和制备周期；

其后Tewari以二氧化碳为超临界干燥介质来制备气凝胶，使气凝胶的干燥温度降至室温，提高了设备的安全可靠性，推动了气凝胶制备和应用技术的发

展，使气凝胶的商业化生产和应用成为可能。

6.节能玻璃的现状与目前存在的问题：

节能建筑幕墙性能研究现状

节能建筑幕墙性能分析分为两个方面：

热性能分析和结构性能分析。

热性能分析所得的数据是结构性能分析的基础。

要探求建筑节能改造对建筑的影响，首先应该分析所采取的节能改造措施对建筑结构温度场的影响，进而分析温度场作用下结构的应力分布。

1）多层玻璃真实温度场的分布研究现状

关于玻璃系统的真实温度梯度很多学者作过研究，以R.K.MacGREGO的研究为例介绍中空玻璃体系在环境因素的作用下真实温度梯度的分布。

图5是谢努尔数谢努尔数随葛拉晓夫数的变化情况。

从图中我们可以看出：

在葛拉晓夫数很小的情况下，换热主要是通过流体层的热传导产生的。

随着葛拉晓夫数的提高，将会出现不同的流动状态。

进而

MacGREGOR提出H/W，边界条件，玻璃板的倾斜程度等因素都有可能影响中空层内温度的分布，并且通过试验进一步验证其假设。

图6上、下部曲线是H/W分别为10和20时实验测得的温度分布情况。

从图中我们可以大致看出，随着高宽比的增大，即空气层越狭长，其间空气流动越接近层流，温度分布越接近线性分布。

常用幕墙玻璃宽厚比大致为70左右，可认为中空层温度分布为线性分布。

当前对中空内玻璃温度场的分布还有很多学者研究，但还没有比较统一的理论解析，争论点在于中空层流动状态的划分界限，是层流还是湍流，没有统一的标准，并且对于湍流状态下的传热过程机理还有研究，故现在的成果多以经验公式和实验结果解释为主，对于超出实验范围的情况多数作者多说明还没有确切结果。

研究中的难点和待解决问题

由上所述，在建筑节能玻璃幕墙的结构性能研究方面还有很多有待解决的问题，总结起来有以下几方面：

1）在玻璃系统温度场的确定上存在诸多不确定的因素，除非我们能实地检测幕墙的温度场分布，否则仅靠实验室的实验很难准确模拟真实环境中的边界条件，这就给计算结果

的实际应用带来问题。

2）在进行热分析和模拟时还应考虑冷桥作用，若框支式幕墙的边框处和点支式幕墙的金属支撑的传热效应。

3）在幕墙结构性能分析时，如何计算分析中空层内在温度梯度作用下引起的体积，压强的变化，及如何准确模拟空气的性质，都是有待解决的问题。

低辐射玻璃发展了近20年,很多技术趋于成熟,但是还是存在很多问题。

在线浮法生产低辐射玻璃成本较低,国内浮法玻璃生产线较多,但浮法生产低辐射玻璃的生产线极少,国内主要的镀膜设备基本依靠进口,主要原因是发达国家的技术封锁,研发具有自主知识产权的浮法低辐射玻璃生产技术乃是低辐射玻璃研究的首要问题。

低辐射薄膜的光学性能和机械性能有待于提高,需要探索新的膜系结构,选用新材料,采用新工艺,获得性能更加优异的膜层。

目前国内生产低辐射玻璃基本上采用离线法生产,高质量的离线膜工艺复杂,成本较高,如何降低成本,实现大规模生产是今后离线法生产低辐射玻璃的一个重要发展方向。

现在商用的低辐射玻璃薄膜的可见光透过率在80%左右,而红外线反射率也只在70%左右,所以进一步提高其可见光透过率和红外线反射率也是一个难题。

低辐射玻璃后期深加工也值得重视,镀膜、热弯、切割一体的生产线也需尽快研发。

新兴的溶胶-凝胶法镀制低辐射膜的方法其成本和薄膜控制方面的问题有待于进一步解决。

7.结论与展望：

通过研究节能玻璃的物理特性,使笔者深刻认识到,基础物理实验联系当前国民经济热门课题的重要性,在联系实际的研究性实验学习中,提高了学生对知识的综合应用能力和创新意识.

随着人们节能环保意识和社会可持续发展要求的不断提高，建筑保温隔热技术和材料的研究成为实现降低建筑能耗和实现建筑节能的重要途径。

现有建筑节能玻璃如中空玻璃、真空玻璃、Low-E玻璃和贴膜玻璃等在建筑节能方面起到了一定的作用，但其在提高玻璃保温隔热性能的同时不同程度地降低了玻璃的通透性，而气凝胶作为新型透光隔热材料在建筑节能玻璃中的应用引起了越来越多的关注，具有非常广阔的发展和应用前景。

尽管气凝胶的强度较低和韧性较差限制了其在当前建筑节能方面的大规模应用，但随着对气凝胶制备工艺和性能研究的不断深入，其作为新型建筑节能玻璃材料必将大显身手，对于降低建筑能耗、减少碳以及其他有害物质的排放以及实现社会的可持续发展具有非常重要的意义。

8.参考文献：

（1）低辐射建筑节能玻璃研究进展*

张波1,2张建新1,2,蔡伟1

（1.哈尔滨工业大学材料物理与化学系,黑龙江哈尔滨150001;

2.山东大学材料学院信息功能材料系,山东济南250061）

（2）从物理学角度看节能玻璃

赵洪波

（3）复合式节能玻璃承载性能及抗风压设计

XX文库-让每个人平等地提升自我刘小根包亦望中国建筑材料科学研究总院

（4）ScienceDirectJOURNALOFRAREEARTHS,Vol.28,No.6,Dec.2010,p.903

IntenseupconversionluminescenceofEr3+/Yb3+codopedoxyfluoride

BorosilicateglassceramicscontainingBa2GdF7nanocrystals

ZHAOShilong（赵士龙）1,2,XUShiqing（徐时清）1,DENGDegang（邓德刚）1,FANXianping（樊先平）2

（1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,China;

2.DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,Zhejia

University,Hangzhou310027,China）

Received31August2010;

revised3November2010

（5）建筑节能玻璃幕墙的结构性能研究1

孙巍1石永久1王元清1罗忆2徐悦21.清华大学建筑玻璃与金属结构研究所，北京100084；

2.珠海市晶艺玻璃工程有限公司，广东珠海51901

（6）节能玻璃的物理特性测量及应用*

周菁华刘芸陈骏逸马世红

（复旦大学）

李天群

（上海天欣科教仪器有限公司）

（7）节能玻玻璃璃的种类及特点

摘自《江苏建材》2010年第1期

（8）节能玻璃在建筑中的应用

贾瑞平（中电投蒙东能源公司煤矿建设工程管理分公司，内蒙古通辽028000）

（9）气凝胶透光隔热材料在建筑节能玻中的研究及应用进展

王欢1，2，吴会军1，2，丁云飞1，2

（1.广州大学土木工程学院，广州510006；

2.广州大学建筑节能研究院，广州510006）