新型玻璃技術(shù)及應用論文設(shè)計

1、新型玻璃技術(shù)及應用1. 摘要：本文簡要介紹節(jié)能玻璃的種類及特點和在社會生產(chǎn) 中的應用，各種節(jié)能玻璃擁有不同的物理特性，在建筑中起 著不同的作用；文章并涉及到高科技節(jié)能玻璃的研究進展及 應用進展，比如低輻射節(jié)能玻璃和復合型節(jié)能玻璃等等。主 要闡述了節(jié)能玻璃開發(fā)意義、節(jié)能原理、分類及相應的生產(chǎn) 工藝。結(jié)合國外研究現(xiàn)狀，對不同玻璃的節(jié)能效果和特性進 行對比，并對今后節(jié)能玻璃的發(fā)展應用方向進行了評價及展 望。在當今能源問題非常突出的時代，建筑能耗占社會總能 耗的相當多一部分，盡快采取措施對建筑，特別是建筑幕墻 進行節(jié)能改造，并且研究這些措施對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響， 成為一項很緊迫的任務。2. 引言：玻璃

2、幕墻作為建筑物的外裝飾是現(xiàn)代化城市建筑的 重要標志之一，打破了傳統(tǒng)的實體墻與門窗的界限，巧妙地 將建筑物圍護結(jié)構(gòu)的使用功能與建筑物的裝飾功能有機地 融為一體，使建筑物更具有時代感和藝術(shù)造型。當前，建筑 節(jié)能成為我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一部分，社會上對建筑節(jié)能 的意識也在逐漸增強。建筑的節(jié)能主要是建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié) 能，而玻璃幕墻是現(xiàn)代建筑圍護結(jié)構(gòu)的一個非常重要的組成 部分。充分考慮玻璃幕墻使用的靈活性和最大限度地減少能 耗，并且探求節(jié)能措施對建筑結(jié)構(gòu)的影響，是結(jié)構(gòu)師們應考 慮的問題。 現(xiàn)代建筑中 ,大面積的采光玻璃應用十分廣泛 人們對建筑玻璃的要求越來越高 ,但建筑用普通玻璃的傳熱 系數(shù)比磚體結(jié)構(gòu)墻壁

3、要高很多 ,從而導致建筑物的熱量損耗 增加。據(jù)統(tǒng)計 ,各項建筑能源消耗占總能耗的三分之一左右 而在建筑能耗中 ,高達 50% 以上又是由門窗玻璃散失的。 在中 國 430 億 m2 的建筑中 99% 屬于高能耗建筑 ,即使是新建筑 也有 95%以上仍是高能耗建筑。 因此 ,如何正確選擇設(shè)計建筑 玻璃 ,使其能耗降低到最小 , 滿足國家公共建筑節(jié)能標準的規(guī) 定 ,符合國家節(jié)能減排的要求 ,是當前能源危機條件下首要解 決的問題之一。近些年來，舒適與自然、環(huán)保與節(jié)能逐漸成 為新世紀國際建筑的準則，建筑節(jié)能成為世界性潮流。作為 建筑節(jié)能最大潛力的門窗和幕墻，玻璃的節(jié)能成為關(guān)鍵環(huán)節(jié) 之一。3 節(jié)能玻璃的

4、種類與特點： 目前玻璃種類有吸熱玻璃、熱發(fā)射玻璃、低輻射玻璃、 中空玻璃、真空玻璃和普通玻璃等。4. 節(jié)能玻璃的物理特性及應用：我國正處于建設(shè)的鼎盛時期，每年建成房屋近 20 億平 方米，而能達到國家規(guī)定節(jié)能標準的建筑只占 10%左右；且 在即有的約 400 億平方米建筑中， 95%以上是高耗能建筑可 見，在我國推行節(jié)能建筑已刻不容緩。影響建筑能耗最直接 的因素是建筑維護結(jié)構(gòu)的保溫與隔熱性能，門窗又是其中最 薄弱的環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計，在建筑中門窗玻璃的能耗約占建筑總 能耗的 35%左右， 因此節(jié)能玻璃的應用在建筑節(jié)能中具有重 要意義。一、與節(jié)能玻璃相關(guān)的物理學原理及概念建筑是如何通過門窗玻璃傳熱的呢

5、？我們知道，熱量傳 遞有熱傳導、對流和輻射三種基本方式熱傳導依靠物質(zhì)的分 子、原子或電子的移動或（和振動來傳遞熱量。對流傳熱依 靠流體微團的宏觀運動來傳遞熱量，所以它只能在流體中存 在。輻射傳熱是通過電磁波傳遞熱量，不需要物質(zhì)作媒介。 玻璃傳熱是熱傳導、輻射兩種方式同時進行、綜合作用的結(jié) 果。太陽輻射能量的97%集中在波長為0.32.5卩的圍，包括 紫外線、可見光和紅外線，這部分能量從室外進入室；而室 物體的輻射以 2.5卩以上的紅外線為主。冬季，我們希望室 外的輻射能量盡可能多的進入室，而室的輻射能量不要外 泄，因此，選擇具有一定物理特性的窗玻璃就成為建筑保溫 隔熱的關(guān)鍵。為了下文敘述方便，

6、先介紹幾個和玻璃傳熱有 關(guān)的物理概念。二、節(jié)能玻璃的種類及物理特性節(jié)能玻璃主要有鍍膜玻璃、中空玻璃、真空玻璃、貼膜 玻璃等，為了將節(jié)能玻璃的特性與普通玻璃進行比較，在此 也列出了普通透明玻璃。普通透明玻璃 透射率約為 85%，它對輻射阻擋能力 很差，絕大部分的太陽輻射能量可透過玻璃進入室。熱反射鍍膜玻璃 是在玻璃表面鍍一層或多層如鉻、鈦 或不銹鋼等金屬或其化合物組成的薄膜，對可見光有適當?shù)?透射率，對近紅外線有較高的反射率，對紫外線有很低的透 過率。低輻射鍍膜玻璃 也稱 Low-E 玻璃，是在玻璃表面鍍 上多層金屬銀或其他化合物組成的膜系產(chǎn)品，其鍍膜層具有 對可見光高透過及對中遠紅外線高反射的

7、特性。貼膜玻璃 由玻璃材料和貼膜兩部分組成。 目前，此類玻璃貼膜在國已廣泛用于銀行的防彈玻璃， 大廈的玻璃幕墻上。例如，國家劇院的安全貼膜玻璃，不僅 起到保溫的作用，而減少了玻璃破碎可能引起的對人體的傷 害，同時隔了 99%以上的紫外線。中空玻璃 由兩片或多片平板玻璃組合而成， 在兩層玻璃之間用金屬框隔開，四周再用密封膠或焊接密封 而形成隔層空間，部充入干燥的空氣或惰性氣體層。隨著能源問題的日益突出和“可持續(xù)發(fā)展”理念的推廣， 我國已經(jīng)制定了建筑節(jié)能標準，廣大建筑工作者也相當重視 相應的設(shè)計和施工。但目前，我國的建筑節(jié)能水平還落后于 發(fā)達國家。如歐美國家建筑已普遍采用節(jié)能玻璃，但由于初 次投資

8、要比普通玻璃高很多，而節(jié)能效果的收益要在較長一 段時間才能顯現(xiàn)，因此目前在我國大面積推廣還存在一定困 難。但相信，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和提高，節(jié)能玻璃會逐漸 走進千家萬戶。三建筑幕墻節(jié)能改造措施建筑幕墻節(jié)能措施有主動式節(jié)能和被動式節(jié)能兩種方 式。被動式節(jié)能是指我們選用合適的材料和構(gòu)造措施來減少 建筑能耗，提高節(jié)能效率。主動式節(jié)能是指不僅改進材料， 更積極地是對風、太陽能等加以收集和利用，節(jié)約能源。1）幕墻主動式節(jié)能技術(shù) 幕墻主動式節(jié)能主要有幕墻與建筑采光照明，幕墻與通 風，幕墻與光電技術(shù)三個方面的措施。幕墻與建筑采光照明主要是指利用幕墻本身通透性的特 點進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，使建筑可以利用盡可能多的室外

9、光源，減 少市照明所需要的能耗。幕墻在通風節(jié)能方面的應用主要是利用熱通道玻璃幕墻 對空氣的不同組織方式，使通道的溫度維持在我們所需要的 溫度上，從而減少室取暖或制冷的能源消耗。以外循環(huán)為例來說明熱通道玻璃幕墻的工作原理：外循 環(huán)式 DSF 的一般構(gòu)造是外層幕墻采用固定的單層玻璃， 上下 設(shè)有進出風口，有的不可關(guān)閉，有的可電動開閉和調(diào)節(jié)開啟 率；層幕墻一般采用雙層保溫隔熱玻璃窗扇，通常每兩扇門 窗設(shè)一個可開啟扇， 也有只設(shè)個別維護用開啟扇的。 在冬季， 外層幕墻的進出風口和層幕墻的窗扇都保持關(guān)閉，這 時通道就形成了一個緩沖層 （Buffer Zone ），其中的氣流速度 遠低于室外，而溫度則高于

10、室外，從而減少了層幕墻的向外 傳熱量，從而減低了室采暖多需要的能源消耗，達到節(jié) 能的效果。幕墻與光電技術(shù)主要是指在幕墻上安裝太陽能電池板， 在幕墻作維護結(jié)構(gòu)的同時收集太陽能，再轉(zhuǎn)化為建筑物所能 利用的電能，供給建筑物使用。2）幕墻被動式節(jié)能技術(shù)幕墻被動式節(jié)能主要是指在節(jié)能玻璃和建筑物遮陽這兩 方面的應用?，F(xiàn)在主要利用的節(jié)能玻璃主要有中空玻璃，夾 膠玻璃和真空玻璃三種。中空玻璃的中空層可以充入惰性氣體，減少熱量傳遞。 真空玻璃由于把中空玻璃的空氣抽空，減少了空氣層的熱傳 遞和熱對流，能進一步減少透過玻璃的熱量。5. 節(jié)能玻璃的發(fā)展及改造節(jié)能減排對社會可持續(xù)發(fā)展起著舉足輕重的作用，也是 當今世界各

11、國所共同面臨的任務和挑戰(zhàn) 2006 年我國民用建 筑（運行 ）能耗占當年社會總能耗的 23.1%，而且隨著城市化 率的提高、經(jīng)濟發(fā)展、人們收入和生活水平的不斷改善，能 耗總量將持續(xù)增長。因此，降低建筑能耗是節(jié)能工作最重要 的任務之一。而玻璃作為門窗結(jié)構(gòu)的最主要材料，其節(jié)能性 質(zhì)正日益引起重視。氣凝膠一種超級隔熱材料 氣凝膠是一種由膠體粒子或高聚物分子相互交聯(lián)構(gòu)成 的具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)納米多孔材料。因其半透明的色 彩和超輕重量，氣凝膠也被稱為“固態(tài)煙”或“凍煙” 。最 近，美國宇航局研制出的一種新型氣凝膠，密度為 3.55 kg/m3 ，僅為空氣密度的 2.75 倍，被認為是“世界上密度最

12、低的固體”。早在 1931 年，美國斯坦福大學的 Kistler 利用溶 膠凝膠方法及超臨界干燥技術(shù)首次制得氣凝膠，但由于氣 凝膠的制備工藝復雜和造價較高等原因，加之又未發(fā)現(xiàn)氣凝 膠的實際應用價值，限制了當時氣凝膠的發(fā)展和應用。 Peri 利用硅酯經(jīng)溶膠凝膠法制備出二氧化硅氣凝膠，大大縮短 氣凝膠的干燥和制備周期； 其后 Tewari 以二氧化碳為超臨界 干燥介質(zhì)來制備氣凝膠，使氣凝膠的干燥溫度降至室溫，提 高了設(shè)備的安全可靠性，推動了氣凝膠制備和應用技術(shù)的發(fā) 展，使氣凝膠的商業(yè)化生產(chǎn)和應用成為可能。6. 節(jié)能玻璃的現(xiàn)狀與目前存在的問題： 節(jié)能建筑幕墻性能研究現(xiàn)狀節(jié)能建筑幕墻性能分析分為兩個方

13、面：熱性能分析和結(jié) 構(gòu)性能分析。熱性能分析所得的數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)性能分析的基 礎(chǔ)。要探求建筑節(jié)能改造對建筑的影響，首先應該分析所采 取的節(jié)能改造措施對建筑結(jié)構(gòu)溫度場的影響，進而分析溫度場作用下結(jié)構(gòu)的應力分布。1）多層玻璃真實溫度場的分布研究現(xiàn)狀關(guān)于玻璃系統(tǒng)的真實溫度梯度很多學者作過研究，以 R.K.MacGREGO 的研究為例介紹中空玻璃體系在環(huán)境因素 的作用下真實溫度梯度的分布。圖 5 是努爾數(shù)努爾數(shù)隨拉曉 夫數(shù)的變化情況。從圖中我們可以看出：在拉曉夫數(shù)很小的 情況下，換熱主要是通過流體層的熱傳導產(chǎn)生的。隨著拉曉 夫數(shù)的提高，將會出現(xiàn)不同的流動狀態(tài)。進而MacGREGOR 提出 H/W ，邊界條件

14、， 玻璃板的傾斜程度等因 素都有可能影響中空層溫度的分布，并且通過試驗進一步驗 證其假設(shè)。圖 6 上、下部曲線是 H/W 分別為 10 和 20 時實驗測 得的溫度分布情況。從圖中我們可以大致看出，隨著高寬比 的增大，即空氣層越狹長，其間空氣流動越接近層流，溫度 分布越接近線性分布。常用幕墻玻璃寬厚比大致為70 左右，可認為中空層溫度分布為線性分布。當前對中空玻璃溫度場 的分布還有很多學者研究，但還沒有比較統(tǒng)一的理論解析， 爭論點在于中空層流動狀態(tài)的劃分界限，是層流還是湍流， 沒有統(tǒng)一的標準，并且對于湍流狀態(tài)下的傳熱過程機理還有 研究，故現(xiàn)在的成果多以經(jīng)驗公式和實驗結(jié)果解釋為主，對 于超出實驗

15、圍的情況多數(shù)作者多說明還沒有確切結(jié)果。研究中的難點和待解決問題由上所述，在建筑節(jié)能玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)性能研究方面還 有很多有待解決的問題，總結(jié)起來有以下幾方面： 1）在玻璃系統(tǒng)溫度場的確定上存在諸多不確定的因素，除 非我們能實地檢測幕墻的溫度場分布，否則僅靠實驗室的實 驗很難準確模擬真實環(huán)境中的邊界條件，這就給計算結(jié)果 的實際應用帶來問題。 2）在進行熱分析和模擬時還應考慮冷橋作用，若框支式幕 墻的邊框處和點支式幕墻的金屬支撐的傳熱效應。3）在幕墻結(jié)構(gòu)性能分析時，如何計算分析中空層在溫度梯 度作用下引起的體積，壓強的變化，及如何準確模擬空氣的 性質(zhì)，都是有待解決的問題。低輻射玻璃發(fā)展了近 20 年

16、,很多技術(shù)趨于成熟 ,但是還是 存在很多問題。 在線浮法生產(chǎn)低輻射玻璃成本較低 ,國浮法玻 璃生產(chǎn)線較多 ,但浮法生產(chǎn)低輻射玻璃的生產(chǎn)線極少,國主要的鍍膜設(shè)備基本依靠進口 ,主要原因是發(fā)達國家的技術(shù)封鎖 研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的浮法低輻射玻璃生產(chǎn)技術(shù)乃是低 輻射玻璃研究的首要問題。低輻射薄膜的光學性能和機械性能有待于提高,需要探索新的膜系結(jié)構(gòu) ,選用新材料 ,采用新工藝 ,獲得性能更加優(yōu)異 的膜層。 目前國生產(chǎn)低輻射玻璃基本上采用離線法生產(chǎn),高質(zhì)量的離線膜工藝復雜 ,成本較高 ,如何降低成本 ,實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)是今后離線法生產(chǎn)低輻射玻璃的一個重要發(fā)展方向?，F(xiàn)在商用的低輻射玻璃薄膜的可見光透過率在8

17、0%左右 ,而紅外線反射率也只在 70%左右 ,所以進一步提高其可見光透過率 和紅外線反射率也是一個難題。低輻射玻璃后期深加工也值得重視 ,鍍膜、 熱彎、 切割一 體的生產(chǎn)線也需盡快研發(fā)。 新興的溶膠 -凝膠法鍍制低輻射膜 的方法其成本和薄膜控制方面的問題有待于進一步解決。7. 結(jié)論與展望：通過研究節(jié)能玻璃的物理特性 ,使筆者深刻認識到 ,基礎(chǔ) 物理實驗聯(lián)系當前國民經(jīng)濟熱門課題的重要性,在聯(lián)系實際的研究性實驗學習中 ,提高了學生對知識的綜合應用能力和 創(chuàng)新意識 .隨著人們節(jié)能環(huán)保意識和社會可持續(xù)發(fā)展要求的不斷 提高，建筑保溫隔熱技術(shù)和材料的研究成為實現(xiàn)降低建筑能 耗和實現(xiàn)建筑節(jié)能的重要途徑。現(xiàn)

18、有建筑節(jié)能玻璃如中空玻 璃、真空玻璃、 Low-E 玻璃和貼膜玻璃等在建筑節(jié)能方面起 到了一定的作用，但其在提高玻璃保溫隔熱性能的同時不同 程度地降低了玻璃的通透性，而氣凝膠作為新型透光隔熱材 料在建筑節(jié)能玻璃中的應用引起了越來越多的關(guān)注，具有非 常廣闊的發(fā)展和應用前景。盡管氣凝膠的強度較低和韌性較差限制了其在當前建 筑節(jié)能方面的大規(guī)模應用，但隨著對氣凝膠制備工藝和性能 研究的不斷深入，其作為新型建筑節(jié)能玻璃材料必將大顯身 手，對于降低建筑能耗、減少碳以及其他有害物質(zhì)的排放以 及實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。為了進一步加強建筑工程門窗、玻璃質(zhì)量管理，加大建 筑節(jié)能監(jiān)管力度， 根據(jù)國家

19、 建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗收規(guī) GB50411 等有關(guān)強制性標準要求，結(jié)合本市實際情況，現(xiàn)將 加強本市建筑門窗、玻璃質(zhì)量工作有關(guān)事項通知如下：一、加強設(shè)計管理 設(shè)計單位在施工圖設(shè)計總說明及門窗表中應明確 門窗的氣密性、水密性、抗風壓性、傳熱系數(shù)、型材、玻璃 及中空玻璃的空氣層厚度、玻璃遮陽系數(shù)、玻璃可見光透射 比等技術(shù)指標，標注選用門窗的圖集編號。施工圖設(shè)計文件 審查機構(gòu)在審查過程中，應對門窗的主要性能指標進行審 查。門窗分包單位應嚴格按照設(shè)計單位的要求深化門窗設(shè) 計，并經(jīng)原設(shè)計單位簽字蓋章確認。二、加強檢測管理1、建設(shè)單位應委托通過評估認可的建筑門窗檢測 機構(gòu)（見附件 1）進行檢測。（ 1 ）

20、同一廠家生產(chǎn)的同一品種、同一類型的建筑 外窗應至少抽取一組（ 3 樘）樣品進行氣密性、水密性、抗 風壓性、傳熱系數(shù)、玻璃遮陽系數(shù)、可見光透射比和中空玻 璃露點的復驗，其中外窗傳熱系數(shù)、玻璃遮陽系數(shù)、可見光透射比和中空玻璃露點的檢測要求見附件 2（2）外窗氣密性的現(xiàn)場實體檢測，每單位工程的 外窗至少抽查 3 樘，當單位工程外窗有 2 種以上品種、類型 和開啟方式時，每種品種、類型和開啟方式的外窗應至少抽 查 3 樘。（ 3）委托建筑門窗產(chǎn)品檢測時，應填寫本市統(tǒng)一 的建筑門窗檢測委托單 （見附件 3）。（ 4）未經(jīng)檢測或檢測不合格的建筑門窗不得在本 市建設(shè)工程中使用。（5）檢測前，建設(shè)單位應當與建

21、筑門窗檢測機構(gòu) 簽訂書面委托合同，并由建設(shè)單位將合同信息登記到檢測行 業(yè)信息管理系統(tǒng)，辦理合同登記確認手續(xù)。2、建筑門窗進場時，施工單位應檢查由門窗生產(chǎn) 企業(yè)提供的市建設(shè)工程材料備案證明使用現(xiàn)場驗證單及 建筑門窗質(zhì)量保證書、鋁合金門窗型材質(zhì)量保證書、建筑門 窗配件質(zhì)量保證書。門窗及門窗玻璃的取樣應在見證人員見 證下，按照標準、規(guī)的要求隨機抽取試樣，見證人員應與施 工單位送樣人員共同將試樣送達檢測機構(gòu)。建筑門窗進行現(xiàn)場實體檢測的，監(jiān)理人員應對現(xiàn)場 檢測人員持證上崗情況和現(xiàn)場檢測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行旁站監(jiān) 理，留取反映現(xiàn)場檢測情況的影像資料，并在現(xiàn)場檢測原始 記錄上簽名確認。3、建筑門窗檢測機構(gòu)應通過能

22、力和行為評估認可，嚴格按照標準、規(guī)的要求對所送樣品或現(xiàn)場實體進行檢測， 并在檢測報告中給出明確結(jié)論，判定是否滿足該工程的設(shè)計 要求。檢測結(jié)果不符合設(shè)計要求的，檢測機構(gòu)須在 24 小 時上報工程受監(jiān)質(zhì)量監(jiān)督機構(gòu)，同時通知建設(shè)單位（監(jiān)理單 位）。建筑節(jié)能分部工程驗收時，建筑門窗檢測機構(gòu)應出具 建筑門窗檢測報告確認證明。4、加強建筑門窗及門窗玻璃檢測信息的統(tǒng)計、分 析工作，建筑門窗及門窗玻璃檢測信息應納入檢測行業(yè)信息 管理系統(tǒng)。建筑門窗檢測機構(gòu)應建立檢測結(jié)果上報制度，并 對上報檢測信息的真實性負責。三、加強制作質(zhì)量管理建筑門窗生產(chǎn)企業(yè)應完善質(zhì)量保證體系，建立健全 企業(yè)部試驗室，加強原材料和門窗配件的

23、入庫檢驗、加強生 產(chǎn)過程控制和產(chǎn)品出廠檢驗，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量。四、加強監(jiān)督管理本市各級質(zhì)量監(jiān)督機構(gòu)應按本通知要求，加強施工現(xiàn)場建筑門窗及門窗玻璃的監(jiān)管，認真檢查門窗、玻璃出廠 合格證、檢驗報告，對不符合要求的工程項目責令整改，對 違反國家強制性標準規(guī)定的行為實施行政處罰，確保建筑門 窗產(chǎn)品符合國家標準及相關(guān)管理要求。附件：1、已通過評估認可的建筑門窗檢測機構(gòu)2、建筑門窗及門窗玻璃復驗項目3、檢測委托單（適用于建筑門窗檢測）8參考文獻：（1） 低輻射建筑節(jié)能玻璃研究進展*波1,2建新1,2，蔡偉1（1.工業(yè)大學材料物理與化學系，150001;2.大學材料學院信息功能材料系,250061）（2）從物理學角度看節(jié)能玻璃洪波（3）復合式節(jié)能玻璃承載性能及抗風壓設(shè)計小根包亦望中國建筑材料科學研究總院（4）ScienceDirectJOURNAL OF RARE EARTHS,V ol.28,No.6,Dec.20