摘要
有效调节经过窗户进入室内的太阳辐射是减少建筑能耗的有效途径之一。对于炎热地区，过多的太阳辐射进入室内是造成室内过热和空调耗能增加的主要来源，同时眼睛接触天然光的时间是预防近视的关键因素，足够的天然光对保证健康的室内光环境具有不可替代的作用。因此，炎热地区窗户的太阳辐射防热设计目标是保证足够的太阳辐射中可见光部分进入室内而将太阳辐射中的近红外热辐射部分隔绝在室外。本研究提出了一种基于Si3N4/Ag/Si3N4/Ag/Si3N4五层结构的高透光光谱选择性热反射薄膜，通过对不同波段太阳辐射的分光谱调控，实现可见光高透过率和近红外高反射率的目标。结合传输矩阵法和粒子群优化算法，对五层结构的高透光热反射薄膜的太阳光谱选择性透过性能、红外自发辐射性能、斜入射辐射性能进行数值模拟和优化设计。通过磁控溅射镀膜工艺制备样品，并对其建筑节能性能进行模拟计算。优化设计结果显示五层结构热反射薄膜的可见光透过率与近红外反射率之和比三层结构热反射薄膜高8%，且长波红外发射率低24.8%。建筑能耗模拟结果显示，在炎热气候典型城市广州的朝南窗户应用中，五层结构热反射薄膜比传统Low-E薄膜最高节能8.9%。
关键词：高透光；热反射；光谱选择性；节能窗；建筑节能
到达地球表面的太阳辐射主要分布在0.25μm到2.5μm的波长范围内，其中可见光（VIS）约占总能量的54%，近红外辐射（NIR）约占43%。炎热地区建筑半透明围护结构的防热设计目标是提高可见光透过并减少近红外辐射进入室内。热反射玻璃能够在保持高可见光透过率的同时减少不必要的近红外太阳辐射透过，是适合于炎热地区应用的节能窗技术。传统的热反射薄膜技术主要有三种类型：单层金属薄膜、重掺杂的宽带隙半导体和具有介质/金属/介质三层结构的多层膜。在三层结构的热反射薄膜中难以通过优化每层材料的厚度同时提升其可见光透过率和近红外反射率。本研究提出在三层结构中增加一层介质层和金属层（图1），对基于Si3N4/Ag/Si3N4/Ag/Si3N4五层结构的高透光光谱选择性热反射薄膜的光学性能进行分析计算和优化设计，制备了样品，并对其建筑节能表现进行模拟计算。
图1 基于五层结构的热反射薄膜结构
（1）高透光热反射薄膜设计
(2) 薄膜的斜入射特性和内部机理
(3) 实验制备和建筑节能评估
本研究提出了一种基于五层结构的光谱选择性热反射薄膜，实现可见光波段高透过率和近红外波段高反射率，可用于建筑防热的节能窗应用。结合传输矩阵法和粒子群优化算法，对基于Si3N4/Ag/Si3N4/Ag/Si3N4五层结构的高透光热反射薄膜的太阳光谱选择性透过性能、红外自发辐射性能、斜入射辐射性能进行数值模拟和优化设计。结果表明，五层结构热反射薄膜比三层结构热反射薄膜的可见光透过率和近红外反射率之和更高，且在炎热地区南窗应用中，比传统Low-e薄膜具有更好的建筑节能效果。
作者
Xiaoqiang Hong1,2,3, Yue Yang4*, Huaying Chen4, Qi Tao4
1 School of Architecture and Civil Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China
论文的第一作者是厦门大学建筑与土木工程学院副教授洪晓强，通讯作者是哈尔滨工业大学（深圳）机电工程与自动化学院副教授杨月，共同作者包括哈尔滨工业大学（深圳）机电工程与自动化学院副教授陈华英和硕士研究生陶其。
Hong X, Yang Y, Chen H, et al. (2023). Design, fabrication and energy-saving evaluation of five-layer structure based transparent heat mirror coatings for windows application. Building Simulation, 16: 2333–2342.
https://doi.org/10.1007/s12273-022-0973-1
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一种用于建筑防热的高透光光谱选择性热反射薄膜
期刊介绍
Building Simulation 2008年创刊，是世界上第一本有关建筑模拟领域最新研究成果的英文学术期刊，跨多种学科领域，涉及建筑技术、土木工程、建筑学、环境工程、能源及动力工程等，致力于为中外同行提供一个高水平的学术交流平台。被SCI、EI Compendex、Scopus、CSCD等数据库收录。2023年SCI影响因子5.5，在JCR两个学科领域均位于Q1区；位于中科院期刊分区，工程技术类1区。
