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透明隔热涂料在节能玻璃中的应用
北京首创纳米科技有限公司 咸才军 张效勤 梁屹

透明隔热涂料是一种对可见光具有高透过性、 对红外线或热辐射具有较好的阻隔性的涂 料, 该涂料主要有对太阳光具有光谱选择性的半导体金属氧化物微粒和透明树脂组成。 纳米 级的半导体系列材料如氧化锡锑(ATO)、氧化铟锡(ITO)、氧化铝锌(AZO)等对可见光区透明, 对近红

外光区的阻隔性强,传统工艺采用磁控溅射、化学气相沉积法、喷雾热分解、等离子 体溅射法等在玻璃表面制备透明隔热涂层、 透明导电薄膜, 但其成本制约了大规模推广应用。 基于材料科学和纳米技术的快速发展, 低成本的透明隔热纳米涂料将有望取代这种高成本的 镀膜材料工艺。 透明隔热涂料在玻璃表面涂敷形成均匀的透明涂膜, 涂膜中的纳米导电粒子含有一定浓 度的电子空穴,而引起自由载流子的吸收,具体表现在太阳光谱中,波长在 400~800nm 的 可见光区, 涂膜透过率不受影响; 波长在小于 400nm 的紫外线区, 涂膜吸收率为 90%左右; 波长在 800~2500nm 的近红外区域, 由于太阳入射光的频率高于涂膜中纳米导电粒子的振 动频率, 引起了其离子的高反射, 对分布于红外波段占 43%左右的太阳能量起反射阻隔作用。 由此可见,纳米透明隔热涂料对太阳光谱具有选择性,从而表现出具有吸收紫外线,透过可 见光,阻隔红外热辐射的综合性能。 纳米透明隔热涂料结合了尖端的纳米粒子技术和微层涂敷技术, 应用于建筑物的玻璃表 面,在不改变玻璃的透光性的情况下,能有效屏蔽红外热辐射和吸收紫外线,而且兼顾了整 体性和美观性。只要在玻璃表面涂敷形成微米厚的透明整体涂膜,玻璃施工前后的温差达 3~9℃,尤其是在日照强度较高、隔热需求最强烈的中午前后表现更为出色,极大程度地降 低了空调制冷电能消耗,节能达 35%左右,隔热效果显著。为了实现玻璃通体的透明性, 产品选用了透明高分子树脂为成膜物, 采用比头发丝还细几百倍的纳米导电超细粒子作为功 能材料, 让纳米导电超细粒子均匀分布于透明树脂涂漠中, 最大限度保持玻璃门窗整体的优 美外观,从室内朝外看施工后的玻璃呈现出淡淡的蓝色,晶莹剔透,即使在夜晚也能让人拥

有清晰透明的视野。加之其较高的紫外线阻隔率,不仅为住户提供了一个安全的“阳光保护 伞” ,更为玻璃景观设计带来了更多灵感和创造空问。同时,纳米透明隔热涂料在保证可见 光透过的同时, 还能有效反射波长较长的室内暖气热辐射, 有利于采暖效果和阻挡室内热能 通过玻璃门窗传导外泄,减少冬季室内能量的损耗,以达到“冬暧夏凉”的节能效果。 节能玻璃,分为涂层型节能玻璃、结构型节能玻璃及吸热玻璃。结构型节能玻璃又分为 中空玻璃、真空玻璃多层玻璃。而涂层型节能玻璃又分为热反射玻璃,低辐射玻璃;透明隔 热涂料应用在建筑玻璃表面成为节能涂膜玻璃。 热反射玻璃的优点是,可见光及部分波长为 0.3-2.5um 的近红外光能透射,但 3-12um 的远红外不能通过也就是说允许足够的太阳光射入室内, 还能把大部分太阳光反射掉, 减少 室内热量的积累, 降低通风及空调的费用, 其缺点是热反射玻璃带来了一定程度的光污染问 题。 热反射玻璃的色调取决于通过玻璃的可见光与反射可见光的光谱合成, 既和平板玻璃的 种类有关,也和膜的构成有关。由于热反射玻璃对表面平整度有极高的要求,所以只能采用 优质浮法玻璃,而且只能在其非锡面才能镀出优质的反射玻璃。 低辐射玻璃是在平板玻璃表面镀覆特殊的高可见光透过率金属氧化物薄膜, 使照射到玻 璃上的远红外光(4.5-25um)被膜层反射,从而降低了玻璃的热辐射通过量。目前较成熟的 低辐射玻璃的生产方法主要有在线高温热解沉积法和离线真空磁控溅射法。 磁控溅射法属于 物理气相沉积法(PVD),自动化程度高,其膜层易控制,但该工艺设备投资大,生产周期 长,因为易氧化,要做成中空玻璃应用,且不能进行热弯钢化处理,目前,用磁控溅射法生 产低辐射镀膜玻璃的主要厂家有德国莱宝,美国 BOC 等公司。 涂膜玻璃,国外在这方面的研究较早,日本、韩国,特别是日本在透明隔热涂料方面已 经申请了较多专利。国内近几年也在进行透明隔热涂料的研制,南京工业大学、上海、广州 等地一些企业已有透明隔热涂料出售。用透明隔热涂料制成的涂膜玻璃生产工艺较为简单, 不需要昂贵的设备投资, 而且施工工艺也比贴膜简单, 但目前同行业企业由于受到材料性质 和生产工艺的限制, 规模化生产的比较少。

节能玻璃透射曲线图

节能涂膜玻璃通过阻隔不同波长范围的热能量,达到最终的隔热效果。 如果涂膜层是颜色深,而不含其它隔热层,则能阻挡可见光波段的部分热量。但膜层的 透明性就很差,影响视觉效果和采光要求。而含有多种纳米金属氧化物的涂料成膜后,能隔 热绝大部分的红外光线透过,尤其是热量集中的近红外部分,同时对可见光线允许透过,不 影响涂层的透明性,不仅隔热效果好,而且透光率高。 透明隔热玻璃涂料的特点是在保证高透光性的前提下, 可以阻挡太阳光中的大部分红外

光进入室内,从而在炎热天气,可以大大减少太阳光热量进入室内。一般使用该涂料后,与 未涂隔热涂料的建筑空间比相差 8~13?C。

1. 透光隔热原理

1、部分被反射

3.1 大部分被阻隔的热量通 过对流方式散失 节能镀膜 涂层

射入
3、 大部分热量 被阻挡

光线

3.2 少量透过热量通过对

2、透过节能镀膜涂层

流方式透过玻璃

节能涂膜玻璃的主要功能是节能, 其节能性究竟如何?根据建筑节能行业的惯常概算方 法进行计算分析。 透过窗玻璃组件传递热能有两条途径:对流传导,辐射直接透过。 对流传导所传递的热能为 Q1,这其中还包括玻璃吸收个波段的辐射后再放出的热量。 太阳能直接辐射透过的热能为 Q2,这部分热能仅指可见光、近红外辐射直接透过的热量。 所传递的总热能 Q 为两者传热之和,可由下式表示:

Q = U 值×(T 内-T 外) + 太阳辐射系数×Sc

Q1 对流传导部分

Q2 太阳直接辐射部分

式中 U 值可看做是玻璃的导热系数,单位为 W/m2℃。在相同的室内、外温差下,玻璃 的 U 值越低则通过对流传导传递的热能越少。 Sc 是玻璃的遮阳系数,地面太阳辐射系数为 630w/m2。Sc 高则进入室内的太阳能多, 反之则少。 在北方地区宜选用这样系数 Sc 略高的窗玻璃, 而在南方地区则应选用 Sc 低的窗 玻璃。控制玻璃 Sc 的有效方法是:在玻璃表面上镀膜,或在制造玻璃的过程中加入色剂形 成着色玻璃。

下图是节能涂膜玻璃和普通玻璃表面的电镜图对比。 节能涂膜玻璃微观表面(致密平滑)

电镜放大 500 倍

电镜放大 10,000 倍

为了综合评价节能涂膜玻璃产品的性价比, 研究人员采购了大量的同类产品, 进行了全 方位的比较。 下表是研究人员从南方某大型 Low-E 玻璃厂拿到的一款型号为 SG-500 型在线 Low-E 玻璃样及其检测报告, 以及国内某知名企业生产的镀膜玻璃样品, 综合比较的相关数据如下 表所示,Low-E 玻璃数据来自其检测报告,普通镀膜玻璃数据为实测数值,节能涂膜玻璃的 数据为国家玻璃质量监督检验中心检测的数据。

产品性能对比表

项目
辐射率 太阳光直接透射比 可见光透射比

标准
GB/T2680 GB/T2680 GB/T2680

Low-E 玻璃
0.22 80% 70%

普通镀膜玻璃
0.84 87% 63%

节能玻璃
0.18 79% 79%

紫外线透射比 红外阻隔率 遮阳系数 综合隔热性能 冬季保温 色彩 生产工艺 成本价格

GB/T2680 GB/T2680 --与浮法玻璃比较温 度差

45% 40%-65% 0.38-0.64 3~8℃ 一般 单一

50% 40%-80% 0.46-0.65 --一般 较多 简单
2

40% 70%-80% 0.39-0.75 8~13℃ 良好 较多 一般
2

相互比较而言 6mm 为例最低价 格

复杂 60 元/m

55 元/m

50 元/m

2

下图是根据以上参数,假定在夏季室外 35℃,冬季室外-5℃,室内维持 20℃时,各玻 璃的隔热性能对比图。 隔热性能对比图 功率 W

? 夏季白天 ? 冬季夜晚

从上图可以看出,节能涂膜玻璃的节能效果良好,相对于普通中空玻璃,夏季节能 35.91%,冬季节能 70.26%。节能涂膜玻璃相对于 Low-E 中空夏季节能 22.28%,冬季节能

15.44%。 因此,节能涂膜玻璃不但具有良好性能,同时在价格方面也具有很强的优势。

产品应用案例分析
节能涂膜玻璃的应用,核心是能源的节约,对用户来讲,是对建筑能耗成本的节约。以 南京某建筑为例,对应用节能涂膜玻璃前后的成本进行分析。 南京市宣武区某地产项目 B 区商务办公楼,剪力墙结构,地上 33 层,地下 1 层,建筑 面积为 14000m2,建筑总高度 103.7m。该项目建成与 2008 年并投入使用。其中,门窗幕墙 面积 2900 m2,原玻璃采用 6+12A+6 普通中空玻璃。 根据中国气象网公布的南京市气温资料现实, 夏季平均高温 31℃, 夏季平均低温 23℃, 冬季平均高温 8.6℃,冬季平均低温 0.3℃,假如,要维持室内温度为 20℃。 根据建筑能耗的损失可以计算得到如下数据: 夏季 白天 6mm 中空耗能(度) 节能涂膜玻璃功耗(度) 节能(度) 节约成本(元) 1863619.34 1194324.86 669294.48 334647.24 夜晚 32943.50 19616.84 13326.66 6663.33 白天 97585.29 65116.00 32469.29 16234.64 冬季 夜晚 169417.71 113047.82 56369.89 28184.95

假设,我们对该建筑进行节能改造,采用节能涂膜玻璃镀膜,每平米按 65 元计算,业 主方需要支付相关费用 18850 元。 在南京经过一个夏季后, 所节约的成本完全可以抵消其投入。 在假定稳定气温的情况下, 收回成本的时间为 51.8 天。 透明隔热涂料近年来发展很快, 节能涂膜玻璃由于具有良好的节能效果和优异的性价比 必将在未来的建筑节能领域具有光明的发展前景。


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