关于三种不同玻璃材料的热工特性研究综述

　　1、前言
　　21世纪以后，社会实行以建筑能源的可持续性为主题的建筑节能。就我国目前典型的建筑围护结构部件而言，门窗的能耗约为墙体的4倍、屋面的5倍、地面的20多倍，约占建筑围护部件总能耗的40% 50%。从建筑节能角度来看，整个建筑的能量损失中，其中约50%是在门窗上的能量损失。而在建筑围护结构的四大围护部件中，包括门窗、墙体、屋面、地面，其中门窗的绝热性能最差，它是影响室内热环境质量以及建筑节能的关键性因素之一。因此，增强门窗的保温隔热性能，减少门窗的能耗，减少通过玻璃的能耗最为重要，用于改善室内热环境质量，提高建筑节能水平。由此可以分析可知，门窗属于围护结构中的薄弱环节，应从增加热阻，减少空气渗透量、窗型及窗墙比设计、遮阳技术等方面来提高门窗的保温隔热性能。玻璃在建筑能耗上其关键性作用，对玻璃的热工性能进行研究，目的就是降低门窗的传热系数，最终为了减少建筑的能耗。本研究拟对这三种材料的热工特性进行深入地对比研究，从技术、经济等方面进行综合评估，目标是对建筑围护结构的节能实践提供指导意义。
　　从前人研究和各类玻璃的标准中可以了解到，不同的玻璃热工特性不同，主要的性能也不同。对于中空玻璃，由于中间有干燥的空气层，所以保温性较好。同时中空玻璃与室内空气接触的内层玻璃受空气隔层影响，即使外层接触室外温度很低，也不会因温差在玻璃表面结露。中空玻璃适用于高档建筑物的门窗、天棚、需要隔音的学校、医院、体育场馆等场所。
　　而对于电致变色玻璃，可以按照人员要求实现对太阳光的动态调节，然后通过适当的控制可以调节太阳光的输入，达到最大限度降低窗户在建筑中的能耗和提供人员的舒适性。同时其可以降低夏季空调的负荷和可减少冬季采暖的能耗，而且对光线的透过率连续可调，对可见光的反射率很低。有些并且可以利用太阳能电池供电，可进一步节省能源。中国气候条件的特殊性会对窗户控制太阳辐射得热要求较高，因此对于电致变色玻璃窗的研究具有重要意义。
　　然而玻璃贴膜作为一种新型方式对于已有的建筑门窗玻璃的节能改造，也可适用于新建大楼玻璃幕墙的节能降耗，应用范围广。一般单向透视膜拥有隔热率高、节能效果显著的特点，一层贴膜相当于大约30cm砖墙的隔热效果，能够阻止高达50%-90%的可能通过玻璃窗户进入屋内的热量。许多公共场所的建筑选择使玻璃贴膜来解决建筑节能安全和能耗问题，但目前市场普及率和实际使用率不高。
　　不同的场合和不同的建筑会使用不同的玻璃来改善建筑的热环境，因此本文根据三种玻璃包括中空玻璃、电致变色玻璃、贴有单向透视膜的玻璃不同的热工特性来系统的分析，最后得到不同玻璃的传热规律。
　　2、国内外研究现状
　　由于窗户的能耗在建筑整体能耗中占了很大部分，所以对建筑中外窗的传热过程的研究引起了众多研究者的重视。大多数研究总结起来，对窗户玻璃的研究主要包括对不同玻璃各项热工特性能参数的研究，包括传热系数、热阻、太阳得热系数或者遮阳系数等。对窗户玻璃热工特性的研究符合有关窗户能耗的标准，例如GB/T 8484-2008《建筑外窗保温性能分级及检测方法》中根据传热系数的大小将窗户的保温性能分级，级别越高保温越好。研究方法包括数值模拟和实验静态测量，通过理论研究建立数学模型，然后对门窗玻璃的传热过程进行模拟计算，一般模拟计算中将窗户的传热系数U和遮阳系数SC（遮阳系数为某一窗系统在入射角为0度时的太阳得热与标准玻璃在入射角为0度时的太阳得热的比值，不同厚度不同品种的玻璃窗的太阳得热采用遮阳系数SC进行修正）作为输入量，我国取3mm普通玻璃作为标准玻璃与它们比较其传热能力，评价各种玻璃的热工性能，继而分析窗户传热对整体建筑能耗的影响。
　　国内关于中空玻璃热工特性的研究主要偏重于玻璃的节能原理、节能特性的影响因素等等，侧重于实际工程的应用。郭红等分析了中空玻璃的节能特性的影响因素，包括结构组成、节能原理、玻璃类型、夹层厚度和夹层气体等，并选用了最佳的节能效果的中空玻璃组合。潘伟分析了Low-E中空玻璃通过调节遮阳系数，来满足不同气候环境地区节能要求。童树庭等人讨论了影响中空玻璃隔热功能的各种因素，中空玻璃的外层使用Low-E玻璃，由于其半球辐射率可低至0.10 0.23，对远红外辐射反射率高，对近红外辐射反射率低。在夏天，它能将产生热效应的大部分红外辐射挡在窗外，阻断热量向内层玻璃的辐射，而在冬天，当室内温度高于室外温度时，室内温度较高的物体和墙体发射的远红外线遇到窗上的Low-E玻璃时，可以有约 90 %反射回室内，从而起到了保温作用。孟庆林、王厚华等人求得了空气层热阻的理论解，同时得出空气夹层厚度与传热阻的大小有着直接的联系。运用空气夹层的节能技术提供科学地理论依据。Orhan Aydin采用符合实际的边界条件来数值来模拟中空玻璃窗的综合传热，同时对空气层充填惰性气体后的保温性能进行分析。通过文献可以分析降低玻璃的传热性能可采用3种重要的技术手段：中空的Low-E玻璃、内充氩气、配上暖边技术。
　　电致变色玻璃是一种新型的功能调光玻璃，通过改变电流的大小可以调节透光率，实现从透明到不透明的调光，是智能型的建筑功能材料。该类玻璃玻璃的制造是利用现有的夹层玻璃，将光膜牢固黏结在两片普通浮法玻璃之间构成。梁庆，徐刚等分析了电致变色玻璃窗的控制方式对建筑物能耗的影响，无论是电致变色/白玻，还是电致变色/Low-E中空玻璃，选择适当的控制方式可以降低建筑物的能耗。陈怡，徐征等分析和比较各种不同适用于建筑节能的大面积（>1.0m×1.0m）智能电致变色玻璃技术，同时展示电致变色玻璃的优缺点。李峥嵘等分析了通过采用眩光控制的电致变色玻璃窗在不同气候区对太阳直射辐射透过量以及散射辐射透过量的影响。结果表明白玻璃窗总辐射透过量与电致变色玻璃窗的透过量的比值范围为9.5 18，相对于散射辐射透过量，电致变色玻璃对直射辐射透过量的影响较大；以电致变色材料为核心的智能窗（SW）是新一代节能材料，不仅可以动态地调节太阳能的输出或输入和可见光谱，还可以自动调控颜色、调光和调温，具有高效、低能耗、绿色环保、智能化的特点，大大减少了建筑物的能量负荷，符合当前节能减排、低碳经济的发展要求。目前，美国等已经对电致变色器件的节能效果展开评价，结果显示利用这种装置可以节约44% 59%能源。
　　一般建筑隔热膜的基片是由多层坚韧的聚酯薄膜组成，田学春，刘鲸等提到以节能为主要目的建筑隔热膜，又分为热反射膜和低辐射膜。热反射膜贴在玻璃表面使房内能透过一定量的可见光，对于通常建筑物来说，可见光透过率保持在20%-50%之间为宜，可以做到既不会影响采光，又可以减少眩光的目的。普通的6mm玻璃装贴隔热膜处理后，进入室内的太阳光热量可以减少40%-60%，同时具有高红外线反射率、低太阳能热量获得系数，建筑隔热膜在炎热的夏季能保持室内温度不会升高太多，从而降低建筑能耗。低辐射膜能透过一定量的短波太阳辐射能，使太阳辐射热进入室内，同时又能将90%以上的室内物体热源辐射的长波红外线反射回室内，寒冷季节冬天可以用于保温达到节能效果。在炎热夏日已贴玻璃膜房间的室内温度要比普通房间低4-6度；冬天则刚好相反会高4-6度，使室内生活更舒适。夏季隔热达80%，冬天保温，降低热损耗达50%，大大节省能耗支出。
　　3、结论
　　综上所述，三种玻璃有不同的应用场合，从传热特性角度分析，主要集中于玻璃不同的透射率、传热系数等方面。中空玻璃根据中间气体层的厚度、气体种类不同，传热系数也不同，该玻璃常使用在医院、体育场馆，相对于普通玻璃，气体层增加传热阻力，减少传热系数。电致变色玻璃通过有效的控制可以改变光的吸收、透过率，可选择性地吸收或反射外界热辐射和内部热扩散，办公大楼和民用住宅在使用时，可以减少在空调房间室内的负荷和改善自然光照程度、防窥的目的。贴有单向透视膜的玻璃相对普通玻璃具较低的吸收率和较高的反射率，并且不用颜色的贴膜可以阻挡一定的光线，常在私密性较强的居家和医院等地使用，方便更换清洗。