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1、超绝缘透光气凝胶玻璃系统在潮湿的亚热带气候商业建筑围护结构的中的应用对房间冷负荷的影响摘 要通过上釉的太阳辐射是亚热带气候制冷时房间冷负荷的一个主要来源。节能玻璃系统的应用可以显著降低夏季空调系统的能耗，因此已经成为一个热门的研究课题。在本文中，对一个超绝缘玻璃窗体系进行了研究，这是由两层传统的单层透明玻璃板和填充在之间氧化硅气凝胶层形成。制备几个玻璃样品。测量它们的热量和光学参数。每年的HVAC（供暖，通风和空调）系统的能量分析也是基于空间冷却负荷模拟进行的。结果表明，在像香港一样潮湿的亚热带气候，在一个典型的商业建筑中，使用气凝胶玻璃系统平均可以降低4的每平方米的制冷量。置于表层热增益，减
2、少量就达60左右。并且还可以发现，如果在建筑物的内部热源占总冷负荷的一小部分，氧化硅气凝胶玻璃窗系统执行效果会更好，1. 绪论1.1. 研究背景窗户在现在的建筑中扮演着非常重要的角色，它为使用者提供视觉上的舒适体验。根据我们早前的研究，通过窗口区域得到的太阳热能占据了建筑物外壁主要散热量的百分之65-80。窗口区域的隔热保温是建筑节能研究领域一个非常重要的问题。近日，一种名为“透明隔热”的隔热替代方案吸引了很多的注意力。这种方案的基本原理是直接应用玻璃表面的不透明材料，尝试着在减少透过玻璃区域的热量的同时保证一定水平的正常采光。现在，这项技术主要应用在那些在冬天需要一定热量的气候地区。多层玻璃
3、和低辐射玻璃是现在主流的透明隔热技术。多层玻璃和低辐射玻璃的应用以及那些可能会影响它们效果的因素例如空气层的厚薄、玻璃镶板的厚度、玻璃的密封系统等等都已经在非常多的文献中被充分的讨论过了。随着材料科学的发展，许多新的透明隔热技术已经问世。在这些技术之中，二氧化硅气凝胶在玻璃系统中的应用让很多科学家非常感兴趣。1.2. 二氧化硅气凝胶在建筑施工中应用的文献综述1.2.1. 对于气凝胶材料内部传热理论模型开发气凝胶是由基斯特勒在1931年第一次发明的多孔材料。气凝胶具有非常大的孔隙率和非常小的孔隙体积，这使得它的热传导率甚至比它包含的气体还要小。由于它的这一特性，气凝胶被从业人员所注意到。作为最常
4、见的气凝胶，硅石气凝胶得到了很多的关注。研究人员开发了很多的理论模型，试图去描述和预测气凝胶内部结构中的热量传导过程。赵等人开发了联合辐射和热传导的模型，这个模型使用了修正过之后的反常衍射理论，去模拟纤维加载后的硅石气凝胶隔热材料的辐射和热传导特性。他们声称，通过减少纤维长度和直径的比，可以减少样本的导热率。他们还称，直径4e6mm的气凝胶纤维在高温隔热时有最好的表现。谢等人提出了理论模型，用来计算硅石气凝胶隔热材料的总导热率。他们的模型可以用ASA分型交叉球形模型来描述。模型还考虑了在气体传热和固体传热当中的尺度因素。他们发现，温度和纤维直径可以非常显著地影响热能的变化。后来，他们进行了一项
5、实验研究硅石气凝胶材料在高温下的性能。根据实验结果，他们提出了一个考虑了吸热反作用的热传导模型。玉等人开发了一个逼真的微观结构传输理论模型来分析硅石气凝胶的辐射传热。通过这个模型所产生的理论预测数据和实验得到的真实数据比较之后，得到了非常好的契合。魏等人通过THS的方法测量了从300K到970K和0.045pa到一个大气压的环境下，硅石气凝胶隔热材料的导热率。他们还开发了一个基于单元研究方法的理论模型。比较了模型和实验数据之后，他们发现数据匹配的非常好。后来，魏等人用傅里叶变换红外光谱仪对硅石气凝胶和其复合隔热材料的辐射导热率进行了测试。本次测试的红外线波长范围是2.5mm-25mm。测试结果
6、指出，测试样本的辐射导热率显著地依赖于波长。导热率大致上与温度的三次方成正比，并随着密度的增高而降低。毕等人提出了改进的三维数字化模型，并被现有的实验数据和几个理论模型所验证正确。他们发现硅石气凝胶的导热系数受到几何结构的影响并不大。所以，简单的结构可以被应用于分析当中。1.2.2. 气凝胶隔热的不透明建筑物表面应用气凝胶最早出现在建筑施工中用于墙壁和屋顶表面的绝缘材料中。 Koebel等做了气凝胶基于热超绝热不同的材料进行详细审查。 Stahl等人开发和测试它们权利内部和外部的建筑表面上要施加基于气凝胶绝热渲染。Yuan等开发改进由在高温下加入二氧化钛粉末的强度和二氧化硅气凝胶纤维复合材料的
7、绝热性能的方法。他们还测定了热绝缘性能的最佳成型压力。道森等人研究了轻质聚碳酸酯板填充气凝胶替换在平板太阳能空气收集的常规玻璃盖板的可能性。后来经过在英国为时7天的实验周期，他们得出结论：相比于但传统的玻璃材料每年110千瓦时/平方米的产量和双玻璃每年140千瓦时/平方米，可以实现每年输出118166千瓦时/平方米。Chen等开发了一种气凝胶填充夹芯板绝缘材料，目的是在同一时间同时提供机械支撑和额外的绝缘效果。他们进行了板材料的机械和热试验，并且认为绝缘板可以作为一个有效的建筑隔热材料。Cuce等在英国诺丁汉当地做了一个基于当地能源条件下最合适的气凝胶保温层厚度的 研究。他们发现与传统保温材料
8、的45465mm相比，气凝胶的最佳保温厚度为2262mm。在2014年，Buratti等发表文章说明他们气凝胶石膏的开发进度。他们做了一系列关于产品的散热和静音性能的测试，在测试中他们实现导热系数大约在0.0180.020 W/MK之间的结果。他们发现，该产品的吸收系数主要取决于最后一层。他们认为气凝胶涂层是新型房屋结构和现有节能该走的一个不错的选择。 从上述文献中，我们可以很明显的看到以下几点：第一，大多数研究人员和工程师只将二氧化硅凝胶作为一种常规表面绝缘材料的代替品；第二二氧化硅气凝胶的透明特性常常被忽视。4. 结论和未来任务在这项研究中，首先支撑的是一氧化硅气凝胶窗户样品。对它的热学和
9、光学特性进行了测试。选择的一幢商业大厦的设计方针为案例进行研究。模拟能量并进行了测试，测试内容为HVAC系统在亚热带湿温制冷主体气候对玻璃系统节能性的影响。同时，提出的对玻璃系统和通用遮光型低辐射玻璃之间的比较也获得通过。我们提出的气凝胶玻璃样品的主要热学和光学特性进行了首次测量。玻璃样品的透射率显示出与参考样本相比显著下降。透射率从大约0.8下降到0.45的频谱内，同时反射率也小幅上扬，并且它的热导率从0.15瓦/米K降低到0.13瓦/米K。.在模拟研究中，单位窗户面积每平均冷负荷从1.25108 J/m2减少达到了2.5107 J/m2。填补了60的围护结构冷负荷，和建筑物的总空调系统负荷
10、的约4。由氧化硅气凝胶玻璃窗应用引起的年度制冷负荷减少量几乎和当下流行的遮光性低辐射玻璃所得到的制冷量减少量相同。这表明该案例中的二氧化硅气凝胶玻璃窗的实用性和低辐射玻璃是适用性在同一水平上。也有人发现，氧化硅气凝胶玻璃窗的节能效能受该建筑的冷负荷结构共同影响。总冷负荷中所占比例较小的内热源成分，二氧化硅气凝胶玻璃进行越好。文章中提出的实验是在湿润的亚热带制冷主体气候应用氧化硅气凝胶玻璃的第一次尝试，存在若干限制。由于在低纬度地区没有成熟的商业化生产线，硅气凝胶玻璃样品是由手工制作而成。在建筑和包装粗糙。密封方法可能不是最好的选择。氧化硅气凝胶颗粒的填充也并不完美。理想情况下，气凝胶谷物联系不
11、应该过于紧密，过于紧密则会导致没有颗粒运动的存在。适当宽松状态下气凝胶颗粒还可以不因压力而受到损坏。在我们的窗户样本，在用力摇动的状态下有裂纹形成的可能性。由于没有制造商的数据是可用的，所以进行准确的生命周期测试或者对碳/初级能源的回收分析是不可能的。在我们今后的工作中，将进行更多的模拟工作用来分析二氧化硅气凝胶玻璃的热性能和视觉效果。在热模拟研究中，控制温度和乘员PMV（预测平均投票）的水平将被应用来评估氧化硅气凝胶玻璃窗对室内环境的影响。在视景仿真研究中，气凝胶玻璃的眩光预防效果也将受到考验。该二氧化硅气凝胶玻璃系统的漫射半透明特征可以提高室内的舒适性，并降低眩光的可能性，这可以在窗玻璃材料的性能是重要的问题。传统的清玻璃和二氧化硅气凝胶玻璃的合作，也将予以考虑，实现外观和眩光消除之间的平衡。一系列的实验研究也将进行。所提出的玻璃系统的实际性能将被定性和定量测试。如天气状况和材料的热惯性因素将被研究。
