首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 建筑工程论文 > 建筑材料论文 > 建筑设备工程中的透明保温材料应用及其特性研究

建筑设备工程中的透明保温材料应用及其特性研究

2023-08-29 96 上传者：管理员

摘要：透明保温材料的研发为太阳能供热利用带来了新的思路。结合相关研究成果，对当前透明保温材料的应用情况进行总结，阐述了这种新材料在房屋墙体、集热器和蓄热箱等建筑设备工程中的应用效果。分析了透明保温材料在太阳能辐射下的穿透率和传热系数计算方法，并对透明保温材料的应用前景进行了展望。

关键词：
太阳能
建筑材料
建筑设备工程
热利用
透明保温材料
加入收藏

据统计显示，在发达国家，约40%的一次能源如天然气、核能与原煤等，被用于低温热源生产，包括热水供应、房屋采暖及低温工业的热源[1]，这些能量极大程度依靠矿物燃料的燃烧取得。随着现代化发展，当今社会正面临不可避免的两个问题，一是矿物能源的耗尽，二是燃烧矿物燃料对环境造成的负面影响，包括温室效应、酸雨和灰尘污染等，这些都是造成环境危机的重要原因。

当前，太阳能热利用的重要性越来越得到关注。为更好地实现太阳能的热利用，发达国家政府注入了大量的资源，主要涉及被动式太阳房及热水器。但该两种太阳能利用设备均离不开集热墙或集热器等集热设备[2]，其核心原理为通过特殊设计的表面将收集到的太阳辐射能转换成热能，以此来满足供暖和热水的需求。随着技术的发展，高效的集热系统逐渐成为研究趋势，而透明保温材料的应用则是重要的实现举措之一[3]。

常规的集热方式是通过一层或两层玻璃遮盖以降低热损失，但效果较为有限，尤其是对于高温热水系统。在面向阳光的建筑墙面或加热器吸热面上，通过贴覆透明保温材料能极大程度避免热损失，且能较好地维持太阳能辐射的透过率。20世纪60年代，即有学者提出类似的透明保温材料[4]，但受技术水平限制，直至近些年才在欧美等发达国家逐渐得到发展。透明保温材料应用国际会议每年举办一次，对于透明保温材料的技术研发与应用也起到了较好的推动作用。当前，欧洲多个国家均已建立透明保温材料的生产和试验体系，如英国、德国等，且推广趋势明显[5]。我国的上海地区也有小范围的测试研究。就适用性而言，透明保温材料技术在采暖供热需求显著的地区潜力较好，包括我国的中部与北部地区。

本文基于透明保温材料的相关研究成果与发展情况，在简单介绍透明保温材料基本结构形式的基础上，重点对透明保温材料在建筑设备工程方面的具体应用及其特性开展分析，以期进一步推动透明保温材料的深入发展。

1、透明保温材料概述

透明保温技术在建筑中的合理应用能提高结构保温性，其原理是在窗户或已涂黑的大面墙体上贴覆透明保温材料，实现对太阳辐射能的吸收与存储。透明保温材料可有效增强外墙和玻璃窗的保温性能[6]。在阳光充足的日子里，外墙能高效吸收太阳能并储藏热能，太阳辐射能经由保温材料传递后达到建筑内墙，使得内墙温度升高。在阴雨寒湿的天气里，窗户或墙体上的透明保温层则能避免室内热量的散失。透明保温层还能大幅提高室内居住的舒适度，降低墙体水蒸气凝固概率，有效抑制发霉现象。根据材料的结构形式，透明保温材料主要分为平面吸收式、垂直吸收式、蜂窝状式和准均匀式四大类[7]。

第一类材料为平面吸收式，最常见的应用形式是在集热墙或加热器上覆盖以单层、双层或多层玻璃或塑料薄膜，采用全透明或半透明的形式。考虑高反射率，大多采用的是单层或双层，较少使用多层。

第二类材料属垂直吸收式，包括蜂窝形和管形。由于不管是被发射的还是透过的，太阳辐射均朝向吸热面，故此类材料除少量的边际反射与材料吸热外，光反射损失很小，如应用透明的材料，则厚度不会对光的穿透率造成影响，便于采用较大厚度的材料以降低热损失。区别于第一类材料，垂直吸收式的材料较少发生内部的对流换热现象，因此材料的传热系数大大降低。

第三类材料是将前两种材料特性相结合的应用形式，如充有气泡的透明塑料薄膜即属于这一类。此类材料在光学上的穿透率基本与多层塑料薄膜相当，主要的损失为发射。但这种材料可极大程度抑制对流换热，传热系数较小。

第四类为具有类似光学特性的准均匀式材料，但散射与吸收成为其主要光损失，如硅胶体，光能散射在此类多孔的硅酸盐发泡球形物体中。玻璃纤维材料也可归为该类材料，尽管其不具备各向同性特点。此类准均匀式材料能形成均匀的散射光源，从而发挥出白天照明的功能。

在实践应用中，第一类和第三类材料已较普遍，当前主要的透明保温材料研究对象大多属于第二类和第四类，尤其是蜂窝状结构和硅胶体结构。

2、透明保温材料的应用

基于对最常见的蜂窝状透明保温材料的试验研究结果发现，其太阳辐射穿透率大多为80%～90%，综合传热系数一般为1.4～2.4 W/(m2•K)（厚40mm)[8]。通过在平板集热器与被动式太阳能的集热墙上使用此种材料，集热效率可获得大幅提升。在平板集热器上使用时，能获得温度逾120℃的热水；而取代塑料，以薄玻璃制成透明保温材料时，产生的热水温度可达261℃[9]，远超传统平板集热器的极限。总而言之，透明保温材料在建筑设备工程等相关方面具有较好的应用潜力。

2.1应用于房屋墙体上

将蜂窝状结构透明保温材料用于朝阳墙面上，可实现房屋内部保温，如北半球的东墙、南墙、西墙等。若已有高吸收率的材料涂抹于墙体，则透明保温材料的传热系数将决定其使用效果，绝大多数传至墙内的太阳辐射能将转变为热能，并进入屋内。此种设计方案的优势：（1）房屋的四面墙都有可能实现太阳辐射能的利用；（2）便于实现既有房屋结构的改装；（3）能充分发挥实体墙的蓄热作用；（4）墙体温度得到提高，增强了供暖舒适性。

应用于房屋墙体上的蜂窝状结构透明保温材料除了上述优点外，也存在相应缺点，如导致夏季室内过热等。为此，一般需要通过遮阳装置将过量的太阳辐射反射掉[10]。

2.2应用于太阳能集热器上

单层玻璃平板集热器是日常生活中较普遍的太阳能集热器，其综合传热系数为4W/(m2•K)，效率为80%，适合40～60℃的热水生产，较多用于供应家庭生活热水[11]。但工业生产中不乏需要使用高温热水的情况，如吸收式制冷、海水淡化等。此时，高效率、低热损的集热器对于太阳能炉或相应装置而言是必不可少的。透明保温材料的应用有助于集热器的热效率提升，其综合传热系数仅为1W/(m2•K)，可生产出温度高于80℃的热水。相较于真空管集热器，高温区的透明保温型材料效率更高，而处于低温区的效率则相当于普通平板集热器。

2.3应用于室内照明

在多数情况下，常规窗户较难保证室内照明强度，仍需设计人工照明设施以满足远离窗户区域的照明需求。较大尺寸的窗户方案虽能提高照明范围，但影响舒适性，且增加采暖负荷。新颖的透明材料保温墙的运用能提供较好的解决方案，可在保证自然光照明的基础上，不影响保温效果，减少供热负荷[12]。透过墙面的太阳光可同时照亮室内及其房间远深区域，节省照明耗电。

2.4应用于蓄热装置

常规的蓄热装置大多存在严重的热损失现象，而透明保温材料的使用能有效解决该问题。通过将透明保温材料包裹住蓄热水箱的四周与顶面，由于损失的热可由获取的热补偿，故可基本杜绝热损失。如对于一个120L水的蓄水箱，当采用140mm厚的蜂窝状透明保温材料（结合单层玻璃）对其四周与顶面进行贴覆时，其综合传热系数将低至1W/(m2•K)。对此开展的有关测试显示，在7、8月份，此蓄水箱约有60d的水处于沸腾状态，非传统蓄水箱所能实现[13]。

对于透明保温材料这种新材料，除上述四方面应用外，目前还能在太阳能炉、海水淡化以及高温消毒等领域实现应用。

3、透明保温材料的特性表征

对于透明保温材料的特性，一般可用综合导热系数U、太阳辐射透射率τ和总传热系数q等3个参数进行表征。

设定材料中气体的导热系数为Ug，单位W/(m•K)；材料本身的导热系数为Us，单位W/(m•K)；由长波辐射引起的导热系数为Ur，单位W/(m•K)。则透明保温材料的综合导热系数U为上述三部分的总和，即：

以蜂窝状结构透明保温材料为例，实验显示，其综合导热系数可用温度的线性函数来表示[14]，且基本表现为随温度升高的线性增加趋势。当蜂窝状结构透明保温材料厚度为5cm时，太阳辐射透射率τ为0.81，综合导热系数U为1.81W/(m2•K)；当蜂窝状结构透明保温材料厚度为10cm时，太阳辐射透射率τ为0.75，综合导热系数U为1.07W/(m2•K)。而对于厚度为10cm的管状结构透明保温材料，太阳辐射透射率τ为0.69，综合导热系数U为0.92W/(m2•K)。

太阳辐射透射率的形成机制较为复杂，但太阳光辐射至吸热墙上时，一般也包括直射、散射和反射三部分。透射率τ主要由太阳光的入射角φ所决定，其中以垂直射入时的穿透率最大。对于蜂窝状结构透明保温材料，其太阳辐射透射率τ大多为0.7～0.9，且可用指数函数来描述，即：

式（2）中，a和b为实验常数。

在分析总传热系数时，既要考虑太阳辐射穿透的部分热量，也要兼顾由于材料吸热而使温度上升导致部分吸收的热量又传到吸热墙的热量。在计算时，可将总的传热量Q与太阳辐射强度G的比值用于表征总传热系数，则有：

式（3）中，α为吸热墙的吸收率。

4、结束语

随着科技水平的提升，针对透明保温材料的性能原理和数值模拟等相关研究已开展多年，目前已进入应用阶段，其传热系数通常仅为0.8W/(m2•K)，而阳光的透射率仍可高达0.8左右。当前，多个国家已建立透明保温材料的试验房或试验装置，如德国弗莱堡有一个试验住宅楼[15]，其基本无外部能源供应，冬天主要由透明保温材料吸热墙来实现采暖，最冷时室内温度仍可保持约15℃，表明透明保温材料的应用效果十分显著。

目前，我国大部分地区在冬天均需要采暖，尤其是黄河流域和西北部地区，为充分利用清洁的太阳辐射能，缓解因一次能源使用而带来的环境污染问题，亟需应用透明保温材料技术，因此发展适合于我国国情的透明保温材料应用技术具有十分重要的现实意义。考虑实际情况，我国未来透明保温材料应用的出发点主要包括造价低、耐久性好、操作与管理简单等。

参考文献:

[1] 段梦凡.孙弘历吴一凡,等.中国被动式住宅围护结构的气候适应性热特性研究[J].中南大学学报(英文版),2022,29(7);2317-2329.

[2] 陈志涛.四米槽式太阳能真空集热管镀膜设备的发展概述[J].真空,2021,58(2):20-26.

[3]姚涛.新型透明材料作平板型太阳能集热器盖板的研究[D].天津:天津大学,2005.

[4]王超,王太祥,王爱国,等.平板型太阳集热器盖板及保温层性能测试与初步研究[J].太阳能,2011(9):21-26.

[5]孟永涛,秦臻,逗兆霆,等.土建工程中新型保温材料的开发与应用[J].合成材料老化与应用,2022,51(2):127-129.

[6]刘旭华,刘禹.公共建筑外墙保温技术探析及材料优选研究[J].中州建设,2012(11):76-77.

[7]王晓晓;刘向峰,朱仁杰.气凝胶半透明复合保温围护结构在低能耗建筑中的应用[J.能源与节能,2018(12);2-6,105.

文章来源:房财福,孙溪,李嘉.建筑设备工程中的透明保温材料应用及其特性研究[J].合成材料老化与应用,2023,52(04):134-136.