气凝胶透光隔热材料在建筑节能玻璃中的研究及应用进展.pdf
0引言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1。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 1.52.2 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1.5 W/(m2 K)，瑞典为 2.0 W/(m2 K)；与北京同纬度的加拿大地区为 2.86 W/(m2 K)，而中国北京地区为3.5 W/(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。1现有建筑节能玻璃应用现状1.1玻璃保温隔热原理通过玻璃传递到室内的热能有 2 种：一种是由于玻璃的透明性质造成太阳能入射与温度场高温区向低温区的热辐射；另一种是玻璃作为围护结构材料通过热传导形成的热流。透过单位面积玻璃传递到室内的总热能(q)由式(1)计算3：q=0.889SeI+U(To-Ti)(1)式中：q为透过单位面积玻璃的总热能，W/m2；Se为玻璃的遮蔽系数；I为太阳辐射强度，W/m2；U为玻璃的传热系数，W/(m2 K)；(To-Ti)为室内、外的温度差，。由式(1)可知，除与环境有关的参数外，与玻璃有关的参数仅为U和Se，因此，玻璃保温隔热的节能性能可由U和Se判定。因此，在制造或加工玻璃的过程中，采用某种方式降低玻璃的传热系数U或(和)遮蔽系数Se值，即可制造出具有良好保温、隔热性能的建筑节能玻璃。收稿日期：2010-04-01；修回日期：2010-04-05*基金项目：国家自然科学基金(50906014)；广州市高校科技计划项目(08C052)气凝胶透光隔热材料在建筑节能玻璃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)摘要：气凝胶纳米多孔材料具有极低的热导率和较高的透光性，可用于建筑节能玻璃的透光和隔热。简要介绍了建筑玻璃的保温隔热原理和几种现有建筑节能玻璃的性能和应用。对新型气凝胶透光隔热材料在建筑节能玻璃方面的研究和应用进展进行了概述，并对气凝胶节能玻璃的关键技术及应用前景进行了评价和展望。关键词：建筑节能；气凝胶；玻璃；保温隔热；微纳米材料中图分类号：TU524文献标志码：A文章编号：1673-7237(2010)04-0035-03Advance in the Study and Application of Aerogelsas Translucent Insulation Materials in Building Energy-saving GlassWANG Huan1,2,WU Hui-jun1,2,DING Yun-fei1,2(1.College of Civil Engineering,Guangzhou University,Guangzhou 51006,China;2.Building Energy Research Institute,Guangzhou University,Guangzhou 510006,China)Abstract:Aerogel has been well acknowledged as a nanoporous material with extremely low thermal conductivity and high transmittance,which makes it applicable in building energy-saving glass.The thermal insulation mechanisms of the building glass and the characteristics ofseveral existing building energy-saving glass were introduced.The recent advance in the study and application of the new translucent insulation material,aerogel was reviewed for its application in building energy-saving glass.The key technology and application prospect of the newbuilding energy-saving glass based on aerogels were also estimated.Key words:building energy-saving;aerogel;glass;thermal insulation;micron and nano-materials 产品与材料PRODUCT&MATERIALS建 筑 节 能2010 年第 4 期(总第 38 卷第 230 期)No.4 in 2010(Total No.230，Vol.38)doi：10.3969/j.issn.1673-7237.2010.04.012351.2现有建筑节能玻璃类型及比较根据玻璃保温隔热原理，一方面可以采用热反射、吸热、低辐射、贴膜、涂膜等技术来降低玻璃的遮蔽系数Se值；另一方面也可使用中空玻璃、真空玻璃等降低玻璃的传热系数U值来达到保温隔热的节能目的。下面对其中几种有代表性的建筑节能玻璃在生产、节能性、经济性和应用等方面做简要比较。1.2.1中空或真空玻璃中空玻璃是由 2 层或多层玻璃均匀间隔开，间隔空腔内充以干燥空气或惰性气体，主要通过中间的气体层来降低传热系数，保温节能的效果比较好。但是普通中空玻璃的遮蔽系数较高，在隔热方面的效果不太突出，一般用于寒冷地区和夏热冬冷地区的冬季保温。将 2 层平板玻璃中间的间隙抽成真空层从而成为真空玻璃，可以有效阻隔热量的传导和对流，因此，传热系数比中空玻璃更低，隔热保温性能更好，但其价格却是中空玻璃的 57 倍，也不易生产大板面尺寸的真空玻璃。1.2.2热反射玻璃热反射玻璃是在玻璃表面镀覆一层或多层金属或金属氧化物薄膜，使其具有较高的反射率且保持一定的透光性。虽然可以实现较小的遮蔽系数，但同时可见光透过率比较低，使用后会影响到室内采光。并且其传热系数与普通白玻璃无异，不能起到保温作用。1.2.3Low-E 玻璃Low-E 玻璃又称为低辐射玻璃，是在玻璃表面镀制 1 层或多层金属或半导体薄膜，使其对近红外辐射具有低反射率，对远红外辐射具有高反射率，从而达到良好节能效果的同时又能保持良好透光性能。Low-E 玻璃一般用于制造复合中空玻璃，价格较高。1.2.4贴膜玻璃玻璃贴膜是一种多层的聚酯薄膜，把它贴在平板玻璃表面后可以改善玻璃性能和强度。其中热反射贴膜的遮蔽系数较小，价格也比较便宜，但可见光透过率比较低。低辐射贴膜同时具备遮蔽系数小和可见光透过率高 2 个优点，但价格较高。无论是哪种现有的建筑节能玻璃，其基体都是普通玻璃，所以不可避免地存在玻璃本身固有的缺点：自重大、易碎、不耐热、容易热炸裂、不安全等。因此，开发高性能的新型建筑节能玻璃成为当务之急。2气凝胶一种超级隔热材料2.1气凝胶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 3.55 kg/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 Kistler4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。Peri5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 Tewari6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。2.2气凝胶的保温隔热机理1992 年美国学者 Hunt 等在国际材料工程大会上首次提出了超级隔热材料的概念。超级隔热材料是指在预定的使用条件下其热导率低于无对流空气热导率的隔热材料。目前，超级隔热材料主要有 2 种：一种是真空隔热材料，但要获得和保持高真空状态比较困难；另一种是纳米多孔隔热材料。气凝胶是一种典型的轻质纳米多孔材料，如二氧化硅气凝胶的孔隙率可高达 80%99.8%，典型孔隙尺寸50 nm，网络胶体颗粒尺寸 120 nm。对于气凝胶等高孔隙率多孔材料，其传热过程包含 3 种传热机理：通过气凝胶固体骨架和内部孔隙的热传导、对流传热和辐射传热7-9。气凝胶具有极高的孔隙率，固体所占体积比很低，低的密度限制了稀疏骨架中链的局部激发传播，使固态热传导率仅为非多孔玻璃态材料热导率的 1/500 左右；空气中的主要成分氮气和氧气的平均自由程均在 70 nm 左右，而气凝胶的孔径小于这一临界尺寸，因而，在气凝胶孔内没有空气对流，对流热传导率很低；气凝胶的热辐射属于 35 m 区域内的红外热辐射，由于它对红外光有较好的遮蔽作用，同时气凝胶的多孔网络结构对热辐射具有“无穷隔热板效应”，对热辐射的遮挡效率很高，故气凝胶具有较低的辐射热导率。所以，气凝胶成为目前世界上热导率最低的固体材料，也是目前世界上隔热性能最好的固态材料。气凝胶的热导率在常温常压下为 0.010.03 W/(m K)10。3气凝胶透光隔热材料在建筑节能玻璃中的应用气凝胶除了具有优异的保温隔热性能外，而且能有效地透过太阳光中的可见光部分，并阻隔环境温度的红外辐射。如 10 mm 厚高透光二氧化硅气凝胶层(由 24 mm 气凝胶颗粒填充)的可见光透过率为85%，太阳光透过率为 88%；而 16 mm 厚高透光二氧化硅气凝胶层的可见光透过率为 74%，太阳光透过率为 71%11。气凝胶还具有耐高温、隔音减振等特性。如二氧化硅气凝胶具有较高的使用温度，甚至在 900 高温下仍具有较好的多孔网络结构12。而且它不燃烧，具有良好地防火性能。正是由于气凝胶具有优异的保温隔热和透光性能以及耐高温、隔音减振等特性，使其在建筑节能玻璃应用上具有很好的应用前景，正在引起国内外研究者越来越多的关注。36A.S.Bahaj 等13将气凝胶玻璃窗作为具有巨大发展潜力的玻璃窗技术，描绘其为未来玻璃窗的“圣杯”。如标准 6/12/6 mm 双层玻璃窗的传热系数为1.4 W/(m2 K)，而与其厚度相当的 25 mm 气凝胶玻璃的传热系数只有 0.57 W/(m2 K)，透光率为 45%，太阳能总透射率为 43%。这种高性能、低密度和较好透光性的气凝胶玻璃尤其适合于购物广场和游泳池的采光屋顶。2000 年，俄罗斯一家公司开发出新型气凝胶玻璃，从外观和透明度看，和普通玻璃相似，但是它具有更高的保温性能，且耐热性高，阻燃，抗放射性辐射和紫外线辐射，还可调色和吸音14。在颗粒状气凝胶的应用方面，Reim 等15在 ISOTEG项目中开发出新型二氧化硅气凝胶透光隔热玻璃窗。为控制气凝胶颗粒的团聚，采用聚甲基丙烯酸甲酯薄膜包覆气凝胶，再将其装于两片玻璃之间，并充入氪气。用该方法制备的“4 mmLow-E 玻璃+12 mm 氪气+16 mm 气凝胶+12 mm 氪气+4 mmLow-E 玻璃”采光型气凝胶玻璃窗的传热系数为 0.44 W/(m2 K)，可见光透过率为 54%，太阳能总透射率为 45%。对于整体气凝胶的应用，Schultz 等16把 15 mm厚的整块二氧化硅气凝胶夹入双层 4 mm 超白玻璃中间，制成 550 mm550 mm 超级隔热气凝胶玻璃，测得其中心位置的传热系数值为 0.66 W/(m2 K)，太阳能总透射率达 76%；其中所使用的整块二氧化硅气凝胶在大气压下的热导率为 0.017W/(m K)，在 1050hPa低真空下的热导率为 0.010 W/(m K)，厚度为 15 mm的整体二氧化硅气凝胶的太阳能透射率约为 90%。他们最近的研究17发现可通过增加气凝胶的厚度来降低气凝胶玻璃的传热系数，如厚度为 20 mm 气凝胶玻璃的值可低于 0.5 W/(m2 K)，同时具有高于 75%的太阳能总透射率。当前，气凝胶在建筑节能领域的研究和应用尚处于起步阶段，气凝胶强度较低、韧性差，且制备工艺较为复杂使得其造价稍高，因此对于气凝胶增强增韧和成本的研究成为影响其作为高性能透光隔热材料在建筑节能领域大规模应用的关键所在。4展望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。参考文献：1清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告 2009R.北京:中国建筑工业出版社,2009.2黄夏东.建筑外窗及窗玻璃对建筑节能的影响J.能源与环境,2008(4):99-100.3马眷荣,罗忆,刘忠伟.建筑玻璃应用技术M.化学工业出版社,2005.4Kistler S S.Coherent expanded aerogels and jellies J.Nature,1931(127):741.5Peri J B.Infrared study of OH and NH2 groups on the surface of a drysilicaaerogelJ.TheJournalofPhysicalChemistry,1966,70(9):2937-2945.6Tewari P H,Hunt A J,Lofftus K D.Ambient-temperature supercriticaldrying of tansparent silica aerogels J.Materials Letters,1985,3(9-10):363-367.7Wu H J,Fan J,Du N.Thermal energy transport within porous polymermaterials:Effects of fiber characteristics J.Journal of Applied PolymerScience,2007,106(1):576-583.8Wu H J,Fan J,Du N.Porous materials with thin interlayers for optimalthermal insulation J.International Journal of 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andBuildings,2008(40):720-731.14陈潭.气凝胶玻璃J.建筑材料工业信息,2000(7):49.15Reim M,Korner W，Manara J,et al.Silica aerogel granulate materialfor thermal insulation and daylightingJ.Solar Energy,2005(79):131-139.16Schultz J M,Jensen K I,Kristiansen F H.Super insulating aerogelglazingJ.Solar Energy Materials&Solar Cells,2005(89):275-285.17Schultz J M,Jensen K I.Evacuated aerogel glazingsJ.Vacuum,2008(82):723-729.作者简介：王欢(1973)，女，湖北黄冈人，硕士，讲师，暖通空调专业，从事建筑节能技术研究工作(w.h_)。通讯作者简介：吴会军(1978)，男，河南清丰人，博士，研究员，主要从事建筑节能和微纳米隔热材料方面的研究。37
