玻璃对节能设计的影响（节能玻璃了解一下）
玻璃对节能设计的影响（节能玻璃了解一下）（1）在高温下通过热解化学气相沉积法沉积的氟化二氧化锡膜（即“在线Low-E”）生产。该方法生产的Low-E产品不必在中空状态下使用，可以长期储存，但是其热学性能比较差。若要改善其热学性能，就需要增加膜厚，会造成其透明性大幅降低。目前，Low-E玻璃因为其良好的低发射率节能效果和成熟的制造技术，成为目前市场上发展最快、应用最广、市场前景最好的建筑节能产品之一。市场上的Low-E产品生产技术主要有以下几种：图 1为太阳辐射的光谱分布以及低辐射（Low Emissivity，简称Low-E）薄膜的辐射调控原理示意图。在太阳光能量中，紫外光（300-400 nm）占3%，可见光（400-700 nm）占45%，红外光（700-2100 nm）占49%，太阳光的能量主要分布在可见光和红外区域。对于建筑物系统，室外热源有太阳直接辐射和室外物体上吸收太阳辐射后再辐射出来的中远红外热辐射；室内热源主要有
在世界能源消耗中，建筑物能源消耗始终占有很大的比重。2019年的中国建筑能耗研究报告中提到，2017年的建筑能耗可折算为9.47亿吨标准煤，占全国能源消费比重21.11%；建筑碳排放为20.44亿吨CO2，占全国能源碳排放量的19.5%。
在各类建筑能耗中，通过玻璃门窗损失的能耗占到整个建筑能耗的50%，冬季单玻窗损失的热量占供热负荷的30%-50%，夏季由于太阳辐射透过单玻窗使室内温度提高而导致的制冷占空调负荷的20%-30%。因此，减少玻璃门窗的热损失是降低建筑物能耗的有效途径。
节能玻璃产品的使用可以有效地降低建筑能耗。西方发达国家率先对建筑节能予以充分的重视，德国最早提出从建筑散热和阳光利用角度来获取能源是建筑节能的有效途径的观点，之后各国纷纷建立了自己的建筑节能标准，采用各种政策推进建材节能，推进节能玻璃的使用。据国外研究测算，若欧盟住宅中所有建筑物上均采用双层低辐射节能玻璃，每年可节约能源费1426.4万欧元，以及节约相当于2600万吨石油的能源量和减少高达8200万吨的CO2的排放。
图 1太阳辐射的光谱分布，360 K的黑体辐射以及Low-E薄膜的光谱透过和反射性能
图 1为太阳辐射的光谱分布以及低辐射（Low Emissivity，简称Low-E）薄膜的辐射调控原理示意图。在太阳光能量中，紫外光（300-400 nm）占3%，可见光（400-700 nm）占45%，红外光（700-2100 nm）占49%，太阳光的能量主要分布在可见光和红外区域。
对于建筑物系统，室外热源有太阳直接辐射和室外物体上吸收太阳辐射后再辐射出来的中远红外热辐射；室内热源主要有取暖设备辐射出的中红外热辐射以及室内物品（墙壁、地板、家具等）吸收太阳辐射后再辐射出的中红外热辐射。设计门窗玻璃在保证高的可见光透过率和低雾度的前提下（保证较好的视觉效果和较高的居住舒适度），具有高的中远红外反射特性，冬季增加室内中远红外的反射来保持室内热量，提高室内温度，降低取暖能耗及成本；而夏天将室外的中远红外热辐射反射回去，有效防止多的辐射能量进入室内，节省空调的制冷量。其调控原理如图2所示。
图2 建筑物系统中Low-E产品的辐射调控示意图
目前，Low-E玻璃因为其良好的低发射率节能效果和成熟的制造技术，成为目前市场上发展最快、应用最广、市场前景最好的建筑节能产品之一。市场上的Low-E产品生产技术主要有以下几种：
（1）在高温下通过热解化学气相沉积法沉积的氟化二氧化锡膜（即“在线Low-E”）生产。该方法生产的Low-E产品不必在中空状态下使用，可以长期储存，但是其热学性能比较差。若要改善其热学性能，就需要增加膜厚，会造成其透明性大幅降低。
（2）通过磁控溅射法沉积金属氧化物/金属/金属氧化物的多层薄膜结构（即“离线Low-E”）生产。但是由于膜层易氧化，强度较差，一般都需要制成中空玻璃使用而不单独使用，大大增加了生产、运输及安装成本。而且，目前市场上的Low-E玻璃的可见光的透过率不高，一般仅为40%-60%。
（3）近几年，一种具有低发射率的掺杂着宽带隙半导体的金属基复合Low-E膜层，例如掺杂铟锡氧化物（ITO）、氟掺杂的氧化锡（FTO）和掺铝的氧化锌（AZO），已用于节能窗户的开发。但是该类材料由于合成时掺杂物含量有极限值导致性能很难达到最佳，而且其强度低、易脆、价格昂贵，限制了其大规模推广应用。
中国科学院工程热物理研究所张航研究员团队基于表面等离激元增透效应和米氏散射协同作用的原理，研发了一种具有高可见光透射率和低红外发射率的金属-高分子随机超材料。模拟实验得到镀有该薄膜的玻璃屋比未镀膜的玻璃屋室温提高8℃。该材料与Low-E玻璃相比具有更高的可见光透过率和与之相当的红外反射率，冬季的辐射调控对比如图3所示。该材料使用溶胶-凝胶方法制备，制备工艺简单，使用灵活，既可以涂覆在玻璃上，也可以做成柔性薄膜贴于玻璃表面或者制成低辐射窗帘等。
图3（a）某型号双银Low-E玻璃单片与（b）新型热辐射调控薄膜在冬季辐射调控性能对比
Low-E玻璃的更换和维护明显不如膜和涂剂更易于操作。因此，该技术不仅大大降低了生产成本，而且可以用于高能耗建筑的低成本节能改造。该材料有望成为新一代Low-E产品，用于实现太阳能的高效利用以及建筑节能。
参考文献：
1. Tao Li Yin Gao KunZheng Yongmei Ma Ding Ding and Hang Zhang. Achieving Better Greenhouse Effectthan Glass: Visibly Transparent and Low Emissivity Metal-Polymer HybridMetamaterials. ES Energy Environ. 2019 5 102–107.
2. Yin Gao Ziman Wang DingDing Wenjia Li Yaoguang Ma Yong Hao and Hang Zhang. Novel Methods to HarnessSolar Radiation for Advanced Energy Applications. ES Energy Environ. 2019 5 1–7.
来源：中国科学院工程热物理研究所
