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新型玻璃技术及应用论文

新型玻璃技术及应用

1.摘要：

本文简要介绍节能玻璃的种类及特点和在社会生产中的应用，各种节能玻璃拥有不同的物理特性，在建筑中起着不同的作用；文章并涉及到高科技节能玻璃的研究进展及应用进展，比如低辐射节能玻璃和复合型节能玻璃等等。

主要阐述了节能玻璃开发意义、节能原理、分类及相应的生产工艺。

结合国内外研究现状，对不同玻璃的节能效果和特性进行对比，并对今后节能玻璃的发展应用方向进行了评价及展望。

在当今能源问题非常突出的时代，建筑能耗占社会总能耗的相当多一部分，尽快采取措施对建筑，特别是建筑幕墙进行节能改造，并且研究这些措施对建筑结构产生的影响，成为一项很紧迫的任务。

2.引言：

玻璃幕墙作为建筑物的外装饰是现代化城市建筑的重要标志之一，打破了传统的实体墙与门窗的界限，巧妙地将建筑物围护结构的使用功能与建筑物的装饰功能有机地融为一体，使建筑物更具有时代感和艺术造型。

当前，建筑节能成为我国可持续发展战略的一部分，社会上对建筑节能的意识也在逐渐增强。

建筑的节能主要是建筑围护结构节能，而玻璃幕墙是现代建筑围护结构的一个非常重要的组成部分。

充分考虑玻璃幕墙使用的灵活性和最大限度地减少能耗，并且探求节能措施对建筑结构的影响，是结构师们应考虑的问题。

现代建筑中,大面积的采光玻璃应用十分广泛,人们对建筑玻璃的要求越来越高,但建筑用普通玻璃的传热系数比砖体结构墙壁要高很多,从而导致建筑物的热量损耗增加。

据统计,各项建筑能源消耗占总能耗的三分之一左右,而在建筑能耗中,高达50%以上又是由门窗玻璃散失的。

在中国430亿m2的建筑中99%属于高能耗建筑,即使是新建筑,也有95%以上仍是高能耗建筑。

因此,如何正确选择设计建筑玻璃,使其能耗降低到最小,满足国家公共建筑节能标准的规定,符合国家节能减排的要求,是当前能源危机条件下首要解决的问题之一。

近些年来，舒适与自然、环保与节能逐渐成为新世纪国际建筑的准则，建筑节能成为世界性潮流。

作为建筑节能最大潜力的门窗和幕墙，玻璃的节能成为关键环节之一。

3．节能玻璃的种类与特点：

目前玻璃种类有吸热玻璃、热发射玻璃、低辐射玻璃、中空玻璃、真空玻璃和普通玻璃等。

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。

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。

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。

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。

贴膜玻璃由玻璃材料和贴膜两部分组成。

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。

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。

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。

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