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让红外技术激发建筑节能材料的无限潜能

发布时间: 2020-07-29 18:04 来源:布鲁克(北京)科技有限公司-光谱仪器

由于建筑美学及材料功能(如采光)需求,现代建筑中玻璃幕墙和窗被越来越广泛地使用[1,2]。然而,大面积透明玻璃的装配提高了建筑内外能量交换效率,加速建筑内部能量耗散。


在部分发达国家,建筑物的能源消耗几乎占总能源消耗的40%,其中,采暖和空调(HVAC)系统占了建筑能耗的一半。研究表明,大部分建筑能源通过玻璃幕墙和窗户耗散[3]。为了避免建筑内部空间能量耗散,以低辐射玻璃(Low-E glass)为代表的节能窗备受关注。


低辐射玻璃或许对大众而言还是一个比较新鲜的词汇,但在建筑应用中,低辐射玻璃的使用可以达到“冬暖夏凉”效果,具有极佳的隔热、保温性能效果。


常见的低辐射玻璃主要通过溅射技术在玻璃表面沉积金属银制备。在部分降低玻璃可见光透过率(约降低至75%~80%)的情况下,其表面金属银镀层能大大提高其中红外反射率(10μm 波长反射率约60%),并降低其辐射率,从而实现室内外能量交换隔绝。


在低辐射材料的研发过程中,红外光谱分析能有效帮助研究人员测试、分析材料光学性能,并指导材料优化方向。近日,清华大学团队研发了一种基于一维金属银纳米线的新型低辐射玻璃。借助布鲁克VERTEX 70v傅立叶红外光谱仪,研究人员发现这种银纳米线低辐射玻璃具有高于传统低辐射玻璃的可见光透过率(图1.a),和较高的中红外反射率(10μm 波长反射率约60%,图1.b)。在进一步优化和调控后,这种基于银纳米线的低辐射玻璃可以使建筑窗户在冬季向外辐射降低约30%(图2)。


布鲁克VERTEX 70v傅立叶红外光谱仪



图1、普通玻璃(蓝线)和银纳米线低辐射玻璃(橙线)的

可见光光谱(a)和傅立叶变换红外光谱(b)


图2、建筑物可见光照片及红外辐射照片,其中,银纳米线低辐射玻璃窗户在

红外辐射照片中呈现低辐射(蓝色)状态


科普知识:热传递的方式有三种,热传导,对流和辐射。为了减少建筑内部空间能量向外耗散(夏天室内制冷耗散,或冬天室内制暖耗散),我们必须同时实现对热传导,对流和辐射的抑制。玻璃的中空结构设计可以有效抑制建筑室内外热传导和对流,而辐射的抑制只能通过玻璃的表面修饰或改性来实现,即上文说的金属镀层。


[1] T. E. Johnson, ButterworthArchitecture, Boston (1991).

[2] S.M. A. Durrani, E. E. Khawaja, A. M. Al-Shikri, M. F. Al-kuhaili, Energ.Buildings 36 (2004) 891-898.

[3] S. Hoffmann, E. S. Lee, C. Clavero,Sol. Energ. Mat. Sol. C. 123 (2014) 65-80.

[4] S.Lin, H. Y. Wang, X. N. Zhang, et al. Nano Energy 62 (2019) 111-116.

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