馬 濤，王孜晗，史堅鵬

（1. 中國鐵路濟南局集團有限公司 計劃統(tǒng)計部，山東 濟南 250001；2. 中國鐵路濟南局集團有限公司 濟南鐵路房產建設集團有限公司，山東 濟南 250001；3. 中國鐵路濟南局集團有限公司 濟南鐵路物資工業(yè)集團有限公司，山東 濟南 250001）

建筑的保溫和隔熱主要由屋面、門窗、外墻和樓板等部件材料的保溫及隔熱性能共同決定[1]。隨著玻璃幕墻在建筑領域的廣泛應用，普通白光玻璃外墻的保溫隔熱性能較差已成為建筑保溫隔熱性能的短板，提升玻璃外墻保溫隔熱性能的方法備受關注。為了保持玻璃幕墻的美觀透明，應盡可能保證其對入射光線的高透過率；同時，熱量會以熱輻射的形式入射到建筑物內，導致室溫升高[2]。如何在不顯著影響玻璃通透性的前提下，阻隔紅外線透射進入建筑物內部，是提高玻璃幕墻保溫隔熱性能的關鍵之一。

1 技術背景

1.1 低熱輻射玻璃(Low-E玻璃)

低熱輻射玻璃是在普通玻璃表面鍍多層金屬或其他化合物的膜系產品，其鍍膜層具有對可見光高透過、對中遠紅外線高反射的特性[3]，使其與普通玻璃和傳統(tǒng)建筑用鍍膜玻璃相比，具有優(yōu)異的隔熱效果和良好的透光性。但是，玻璃表面的金屬鍍層對無線通訊信號有吸收和反射作用，影響手機等設備的正常使用。生產低熱輻射玻璃需要高潔凈度的廠房和真空蒸鍍工藝，無法以后期涂刷等方式使玻璃表面獲得隔熱能力，難以用于存量建筑玻璃的升級改造。此外，由于金屬層可能受到氧化和外部侵蝕，其表面層壽命遠低于玻璃本身的壽命。

1.2 著色玻璃

在玻璃燒制過程中加入著色劑可制備具有特定顏色的有色玻璃[4]。這類玻璃在吸熱的同時也會吸收可見光，從而呈現不同顏色，在實現隔熱效果的同時會犧牲可見光透過率，限制了需要高可見光透過場景的應用。該方法無法用于存量建筑玻璃幕墻的升級改造。

1.3 紅外線吸收材料

通過在玻璃表面蒸鍍紅外線吸收材料，也可以提高玻璃對紅外線的阻隔率。其中，以氧化銦錫(ITO)[5]和氧化錫銻(ATO)[6]為代表的金屬氧化物半導體材料中，ITO 成本高昂，ATO 隔熱性能不足。而鎢青銅類材料中，銫鎢青銅[7]材料具有最好的紅外吸收效果，可實現高效吸收，這也是目前商業(yè)化應用最為廣泛的紅外吸收材料。但是，其在紫外線照射下會出現光致變色現象；在加熱條件下，會與水和氧氣發(fā)生不可逆的氧化反應生成三氧化鎢，并喪失其紅外吸收性能。由于蒸鍍技術條件要求較高，該方法難以用于既有玻璃幕墻的升級。

1.4 玻璃表面鍍層(斷熱稀土玻璃涂層)

稀土硼化物具有CsCl型立方晶體結構，這種晶體結構使稀土原子與硼原子緊密結合[8]。由于CsCl 型的特殊結構，使稀土硼化物具有大量的活性電子，從而使某些稀土化合物具有吸收特定波段紅外線、同時透過可見光的特殊性質，利用這種性質將其制成斷熱稀土玻璃涂料，涂布于普通玻璃表面，可將太陽光中人眼不可見的紅外光阻隔掉，即阻隔太陽光中紅外線攜帶的能量向室內輻射而實現隔熱，在實現隔熱性能的同時不會影響可見光的透過。該方法可以以后期涂刷等方式在普通玻璃表面涂布，使其具有阻隔紅外光熱輻射的能力，適用于存量建筑玻璃的升級改造。

2 原理及特性

2.1 隔熱節(jié)能原理

熱傳遞的方式有3 種，即熱傳導、熱對流和熱輻射[9]。高鐵站房外墻玻璃通常采用中空雙層玻璃設計，這種方式可有效降低外墻玻璃構件的熱傳導和熱對流帶來的熱量交換，但傳統(tǒng)的外墻玻璃構件無法有效阻隔熱輻射，太陽光特別是紅外線可以以輻射形式透射玻璃構件并持續(xù)入射到建筑物內，將引起室內溫度升高。為維持站房內溫度恒定，需要空調系統(tǒng)提供冷量抵消紅外線入射帶來的熱量，由此會消耗更多的電能，并相應帶來更多的碳排放。

斷熱稀土玻璃涂層在可見光波段保持高透光性，在近紅外波段顯著降低紅外線的透過，可在不顯著影響可見光的情況下有效阻隔紅外線，降低透過玻璃入射到建筑物內的輻射熱量，從而實現隔絕熱輻射的同時降低能耗。與常用的Low-E玻璃相比，斷熱稀土涂層處理過的玻璃具有更高可見光透過率和更好隔熱性能。

2.2 斷熱稀土涂層阻隔特性

太陽光譜中的能量主要來源于200～2 500 nm波段范圍，其中200～400 nm紫外光的能量占太陽光總能量的5%；400～780 nm可見光的能量占太陽光總能量的45%；780～2 500 nm近紅外的能量占太陽光總能量的50%。

稀土硼化物屬于CsCl型晶體結構，活性稀土原子會在CsCl型晶體結構框架中不斷提供自由電子，使稀土硼化物具有優(yōu)良活性。此外，由于稀土元素不同，稀土原子對外層4f軌道的電子吸引力不同，導致不同稀土硼化物具有不同的性能。斷熱稀土涂層光譜如圖1所示。

圖1 斷熱稀土涂層透過率光譜

根據圖1，涂層對波長880 nm以上的紅外光，透過率在8%以下，平均阻隔率達97%以上；對780～880 nm的近紅外光透過率為22%以下，平均阻隔率約為85%；對波長小于400 nm 的紫外線平均透過率為2%以下；在400～780 nm的可見光段，透過率為22%～78%?？梢?，斷熱稀土涂層可有效阻隔室外熱能以紅外線輻射形式傳遞至室內，同時不會影響可見光的透過，確保維持正常的生產生活需要。

3 斷熱稀土涂層在車站的應用

以2020年全年日照強度、日照時長、室外氣溫等氣象數據為依據，建立了某車站建筑熱負荷模型，分析了稀土斷熱涂層在該車站應用的節(jié)能性能。

3.1 日照情況分析

地區(qū)日照情況數據包括日照強度和日照時數2 個指標。日照強度(Surface solar radiation，SSR)是指到達地球表面的太陽輻射總量，也被稱為短波輻射。該參數相當于日射強度計在地表測量的模型數據，可直觀表示目標建筑區(qū)域內太陽總輻射強度；日照時數為在所述時間內地表接收的太陽輻照度累計總量折算成標準測試條件下(輻照度1 000 W/m2)持續(xù)的時長。

為了仿真分析稀土斷熱涂層玻璃在該車站的使用情況，采用歐洲中期天氣預報中心ERA5(ECMWF Re-Analysis 5)數據集和美國國家航空航天局提供的大氣再分析資料。利用該氣象數據繪制得到該車站所在地區(qū)2020年日照強度和日照時數數據，如圖2所示。數據顯示最大日照強度和日照時數出現在5 月，總日照強度為283.22 W/m2，日照時數為192.82 h。

圖2 車站月度日照強度及日照時數

3.2 氣溫情況分析

以該車站所在城市2020年日平均氣溫為依據，并設定若當日最高氣溫超過20℃時開啟中央空調進行制冷，通過統(tǒng)計當日最高氣溫來確定是否開啟空調，進而確定產生能量消耗的時長。根據該車站所在城市日均氣溫數據可知，5—8月需要開啟空調制冷功能。

3.3 建筑物日照及節(jié)能情況分析

為考慮該車站朝向、建筑結構、遮擋等因素對建筑物采光和熱平衡的影響，根據車站建筑結構及建筑尺寸等條件建立仿真模型，并對不同時段內建筑物的日照情況進行仿真分析，測算其日照時數。

使用AutoCAD 對車站進行建模，使用天正軟件進行日照分析。該項目中，在鐵路站房的西面和頂面使用斷熱稀土玻璃涂層進行涂刷，根據近年氣象資料測算結果，車站西面日照系數為0.4，頂面日照系數為1.00 (日照系數=某方位的日照時數/總日照時數)。設定2020 年每天總日照時數為8 h，將車站不同朝向的日照系數與車站2020 年每月日照時數進行綜合分析，得到該建筑不同朝向的日照時數，如表1所示。

表1 2020年車站不同朝向每月日照時數

為了準確計算斷熱稀土涂層玻璃的節(jié)能效果，對試點工程中涂層玻璃的隔熱性能進行了實際應用，對采用斷熱稀土涂層后的玻璃，使用紅外阻隔率測試儀對紅外阻隔率進行測試，得到其平均紅外線阻隔率為97%。通過查詢凈日照強度氣象資料，計算得到20℃以上阻隔熱量如表2所示。

表2 2020年每月凈日照強度及20℃以上阻隔熱量

根據測試可知，使用稀土斷熱涂層玻璃后能夠降低太陽入射熱量97%，可顯著減少空調開機時間和制冷量，使消耗的電量、電費明顯減少。節(jié)能計算公式如下。

節(jié)省電量=阻隔熱量/空調制冷效率式中：空調的制冷效率一般為2.4。

仿真結果表明，對車站3 150 m2玻璃全部使用斷熱稀土涂層升級改造后，每年可節(jié)約電能約21萬kW·h，按照商業(yè)用電1.0 元/(kW·h)計算，可節(jié)約電費支出約21萬元。

4 結束語

斷熱稀土玻璃涂層具有紅外線阻隔率高、可見光通透率高等特點，是一種適用于既有玻璃幕墻、玻璃窗體節(jié)能改造的環(huán)保節(jié)能材料。在鐵路玻璃站房涂刷后，可以有效降低入射至站房內部的紫外線和紅外線輻射能量，能夠降低站房內部候車時的體感溫度，進而可以適當降低空調制冷的工作時間或工作功率，減少電量消耗，在鐵路站房具有一定的應用前景，可為鐵路節(jié)能減排提供新途徑。