真空玻璃與節(jié)能

陳玉梅，李成安
(中國(guó)建筑科學(xué)研究院物理所，北京 100044)

        摘要：真空玻璃是在兩層玻璃中抽真空，兩塊玻璃四周用特殊材料燒熔密封而成。它基本上清理了玻璃間氣體對(duì)流及導(dǎo)熱傳熱，其保溫性、密封性和耐久性?xún)?yōu)良。真空玻璃采用低輻射膜后，窗戶(hù)保溫性能大大提高，節(jié)能效果明顯。在真空玻璃上采用單面低輻射鍍膜或雙面低輻射鍍膜，真空玻璃塑鋼窗的傳熱系數(shù)分別由未鍍膜的2．23W／(m2·K)下降為1．56、1．29W／( ·K)。
       關(guān)鍵詞：真空玻璃；低輻射玻璃；建筑節(jié)能；中空玻璃；建筑窗

        在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，窗戶(hù)是主要組成部分之一，也是耗能大戶(hù)。它不但具有采光、通風(fēng)、裝飾等功能，更重要的是應(yīng)當(dāng)具有較好的保溫隔熱性能。然而，我國(guó)窗戶(hù)的保溫性能總體水平與國(guó)外有非常大的差距，北歐和北美國(guó)家窗戶(hù)傳熱系數(shù)一般小于2．0 w／(m2·K)，有的達(dá)到1．1～1．2 W／(m2·K)。目前，我國(guó)除采用低輻射中空玻璃的PVC塑料雙層窗(框間距100 ram)傳熱系數(shù)小于2．0 w／(ms·K)外，其它類(lèi)型窗很少達(dá)到這樣的要求，其原因是窗玻璃耗能大。因此，改善玻璃的光、熱性能，是提高窗戶(hù)保溫隔熱性能的重要途徑之一。由于我國(guó)各地氣候差別很大，應(yīng)根據(jù)氣候條件來(lái)確定窗戶(hù)的保溫隔熱指標(biāo)，并采取相應(yīng)的技術(shù)措施。
        1 國(guó)內(nèi)玻璃保溫性能現(xiàn)狀
        我國(guó)已研制了鍍膜玻璃、熱反射玻璃、夾層玻璃、中空玻璃、低輻射中空玻璃和充特殊氣體的低輻射中空玻璃等，以提高玻璃保溫隔熱性能。表1列出幾種不同類(lèi)型玻璃保溫性能實(shí)測(cè)值。

        由表1可知：
        (1)同為單層玻璃，熱反射鍍膜玻璃和低輻射玻璃比浮法玻璃的傳熱系數(shù)分別降低23％和59％。
        (2)夾層玻璃和低輻射夾層玻璃的保溫性能差別不大，但傳熱系數(shù)比浮法玻璃低12％～14％。
        (3)低輻射玻璃比低輻射夾層玻璃的傳熱系數(shù)低42％，而低輻射中空玻璃的保溫性能較佳，表明低輻射膜夾在兩層玻璃之間無(wú)作用。這是因?yàn)槟右阎苯映蔀闊醾鲗?dǎo)固態(tài)介質(zhì)，其輻射熱絕緣系被直接傳導(dǎo)熱絕緣系數(shù)短路，而不能發(fā)揮低輻射效能。
       (4)中空玻璃的保溫性能明顯高于單層和夾層玻璃。
        (5)在規(guī)格相同的條件下：
       低輻射中空玻璃的保溫性能優(yōu)于中空玻璃；低輻射中空玻璃傳熱系數(shù)隨膜的輻射率降低而降低；
低輻射中空玻璃內(nèi)充特殊氣體后，傳熱系數(shù)較小，節(jié)能效果較佳。從目前大量檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，低輻射中空玻璃充填特殊氣體后，傳熱系數(shù)較低為1．40 W／(1TI2·14)。若采用PVC塑料做窗框，就能滿(mǎn)足嚴(yán)寒地區(qū)使用要求。
       2 真空玻璃
       2．1 真空玻璃性能分析
      (1)試驗(yàn)方法：真空玻璃是一種新產(chǎn)品，目前國(guó)內(nèi)外無(wú)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。而它又不同于中空玻璃，因此不能完全按中空玻璃試驗(yàn)方法進(jìn)行。在試驗(yàn)項(xiàng)目上，我們主要參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《中空玻璃)GB 11944—89的性能要求，試驗(yàn)方法參照GB 7020、GB 13477及GB 16766等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試件分別經(jīng)高溫一高濕、低溫及浸水一紫外光照射處理后，采用處理前后熱絕緣系數(shù)變化值進(jìn)行比對(duì)，以衡量其耐久性。
       (2)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)條件：t=23±2℃，中=60％±5％。
       (3)真空玻璃性能測(cè)試結(jié)果及分析
       ①規(guī)格：3c+0．1+3c，檢驗(yàn)依據(jù)GB 10294及GB 7020。試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下放置7 d，測(cè)熱絕緣系數(shù)為0．214( ·K)／w(平均溫度t=13℃)，相對(duì)偏差一1．9％；高溫一高濕試驗(yàn)：試件在 ：95％，(52±2)℃下加熱(140±1)min，然后在(25±2)℃冷卻(40±1)rain，循環(huán)250次后，在標(biāo)準(zhǔn)條件下放置7 d，測(cè)得熱絕緣系數(shù)為0，210(m2·K)／W(平均溫度t：13℃)，相對(duì)偏差為一1．9％。
        ②規(guī)格：3c+0．1+3c，檢驗(yàn)依據(jù)：GB 10294及GB 13477等標(biāo)準(zhǔn)。試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下放置7 d，測(cè)得熱絕緣系數(shù)為0．216(m2·K)／W(平均溫度t=13℃)，相對(duì)偏差0．46％；耐低溫試驗(yàn)：試件在t=(一23±2)℃下放置500 h后，在標(biāo)準(zhǔn)條件下放置7 d，測(cè)得熱絕緣系數(shù)為0．217(m2·K)／W，相對(duì)偏差為0．46％。
         ③規(guī)格：4c+0．1+4c，檢驗(yàn)依據(jù)：GB 10294及GB16776。試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下放置7 d，測(cè)得熱絕緣系數(shù)為0．223(m2·K)／W(平均溫度t=14℃)，相對(duì)偏差一I．3％；浸水一紫外光照射試驗(yàn)：試件在紫外線(xiàn)老化箱中放置600 h后，在標(biāo)準(zhǔn)條件下放置7 d，測(cè)得熱絕緣系數(shù)為0．220(m2·K)／W，相對(duì)偏差為一1．3％。
        ④規(guī)格：1500mmx600mmx6．2mm，依據(jù)GB／T7106測(cè)試，抗風(fēng)壓性能為I級(jí)。
        ⑤低輻射真空玻璃熱絕緣系數(shù)值(見(jiàn)表2)

         同時(shí)，低輻射真空玻璃的保溫性能優(yōu)于低輻射中空玻璃。這是因?yàn)?，在中空玻璃中氣體傳熱仍然存在，使總熱絕緣系數(shù)值減小。
        (4)采用單、雙面低輻射真空玻璃及低輻射真空+中空組合玻璃其保溫性能大大提高。按GB 50176《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》取內(nèi)、外表面換熱熱絕緣系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，傳熱系數(shù)分別為1．66 W／(m2·K)、1．24 W／(m2·K)、1．37 W／(m2·K)，能滿(mǎn)足嚴(yán)寒地區(qū)節(jié)能保溫的要求。
         (5)真空玻璃其厚度雖然只有6．2 mm左右，但抗風(fēng)壓性能卻達(dá)到I級(jí)，能滿(mǎn)足工程使用要求。
        2．2 平開(kāi)真空玻璃鍍塑鋁框保溫窗
        在一20℃以下嚴(yán)寒地區(qū)采用普通雙層玻璃和中空玻璃時(shí)，結(jié)露現(xiàn)象非常嚴(yán)重。為了提高窗的保溫性能，解決的辦法：一是采用三層窗，在歐洲正大量推行三層密封平開(kāi)窗，國(guó)內(nèi)現(xiàn)已有廠家開(kāi)始生產(chǎn)采用三層密封、三層玻璃、主型材四腔室的型材，為采用三層窗創(chuàng)造了條件；二是采用低輻射中空玻璃和低輻射中空玻璃內(nèi)充特殊氣體；三是采用低輻射真空玻璃和低輻射真空+中空組合玻璃

        上述3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但從耐久性、成本及施工等方面比較，采用低輻射真空玻璃其優(yōu)越性更大。表4為平開(kāi)真空玻璃鍍塑鋁框保溫窗的檢驗(yàn)結(jié)果。

          3 真空玻璃的節(jié)能效果
         試驗(yàn)表明，真空玻璃具有良好的保溫性能，如果在建筑物上采用真空玻璃，其節(jié)能效果如何?我們以實(shí)測(cè)熱絕緣系數(shù)為依據(jù)，采用塑鋼窗框，計(jì)算北京地區(qū)80住一2—4(為磚混結(jié)構(gòu))通用設(shè)計(jì)耗熱量指標(biāo)。比較幾種窗型的節(jié)能效果(見(jiàn)表5)，從而可以看出真空玻璃保溫性能的優(yōu)越性。

       注：(1)中空玻璃和真空玻璃塑鋼窗的框窗比均為0．37；(2)建筑物外墻、屋頂、樓梯間內(nèi)墻、地面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)都相同；(3)建筑節(jié)能率是與未采取節(jié)能措施建筑耗熱量指標(biāo)31．68 W／m 相比較。

       由表5司知：
       (1)與采用雙層玻璃相比，采用真空玻璃后，窗戶(hù)的傳熱系數(shù)由4．0、I(m2·K)下降到2．23 W／(m2·K)。窗戶(hù)的傳熱耗熱占建筑物總耗熱比例由20．37％下降為13％。建筑物節(jié)能率由36．2％提高到42．7％。以100萬(wàn)m2建筑為例，單是窗戶(hù)采用真空玻璃塑鋼窗，每年節(jié)約采暖能耗就達(dá)1220t標(biāo)煤。
        (2)與中空玻璃相比，真空玻璃傳熱耗熱占建筑物總耗熱的比例，由15．1％下降到13．0％，建筑物節(jié)能率由41％上升到42．7％，以100萬(wàn)m2建筑為例，窗戶(hù)玻璃由中空玻璃改用真空玻璃，每年節(jié)約采暖能耗達(dá)320 t標(biāo)煤。
       (3)窗戶(hù)耗熱由傳熱耗熱和空氣滲透熱耗熱兩部分組成，盡管采用真空玻璃提高了玻璃保溫性能，但窗戶(hù)耗熱占建筑物總耗熱的比例仍高達(dá)33％以上。其原因是窗戶(hù)空氣滲透耗熱量大，占總耗熱量20％以上。在冬季，窗戶(hù)密閉，建筑物主要通過(guò)門(mén)窗縫隙與室外進(jìn)行空氣交換，以保持空氣的衛(wèi)生質(zhì)量，而這種交換不可避免地將室內(nèi)熱量帶出室外。采用密封條增加門(mén)窗密封性，雖能減少滲透耗熱，但減少是有限的，計(jì)算中換氣次數(shù)為0．5次已是非常大較限，否則會(huì)嚴(yán)重影響室內(nèi)空氣衛(wèi)生質(zhì)量。因此，減少滲透耗熱，采取通風(fēng)措施，增加窗戶(hù)密閉性才是可取的。
        (4)真空玻璃采用低輻射膜后，窗戶(hù)保溫性能大大提高，節(jié)能效果明顯。在真空玻璃上采用單面低幅射鍍膜或雙面低幅射鍍膜，該塑鋼窗的傳熱系數(shù)分別由未鍍膜的2．23 w／(m2·K)下降為1．56w／(m2·K)或1．29W／(m2·K)。如果仍以80住一2—4磚混建筑為例，窗戶(hù)改用單面低幅射真空玻璃塑鋼窗，使窗戶(hù)傳熱耗熱下降至10％以下，建筑物耗熱量指標(biāo)也分別由18．16W／m2下降到17．39W／m2、17．08w／m2。建筑物節(jié)能率分別由42．7％提高到45．1％和46．1％。由此可見(jiàn)，采用真空玻璃可大幅度地提高窗戶(hù)保溫性能及建筑節(jié)能效果，為我國(guó)建筑節(jié)能趕上先進(jìn)國(guó)家水平創(chuàng)
造了條件。
        4 提高真空玻璃性能的幾點(diǎn)建議
        (1)真空玻璃由于間層抽真空，因而氣體導(dǎo)熱及對(duì)流傳熱基本清理，輻射成為主要傳熱形式。因此，降低輻射傳熱是提高真空玻璃保溫性能的重要途徑之一。降低輻射傳熱有2種方法：一是采用低輻射膜：試驗(yàn)證明真空玻璃采用低輻射膜后，膜的作用得到充分發(fā)揮，其保溫性能大大提高，并隨膜的輻射率降低而提高；二是采用多層真空玻璃組合形式：例如采用兩層真空玻璃組合后，雙層真空玻璃的當(dāng)量輻射系數(shù)是單層真空玻璃的1／2，而厚度為9．2 mm，小于中空玻璃厚度，但熱絕緣系數(shù)值成倍增加，將比中空玻璃熱絕緣系數(shù)大2～3倍。因此，采用多層真空玻璃也是提高玻璃保溫性能的有效途徑。
        (2)我國(guó)地域遼闊，各地區(qū)氣候差異很大，窗玻璃的使用功能應(yīng)適應(yīng)各地區(qū)的使用要求。以保溫為主的嚴(yán)寒地區(qū)，應(yīng)充分利用太陽(yáng)輻射熱，可采用低輻射真空玻璃。對(duì)于夏熱冬暖以隔熱為主的地區(qū)，應(yīng)減少太陽(yáng)輻射熱進(jìn)入室內(nèi)，可采用鍍有陽(yáng)光控制膜的真空玻璃，但要考慮窗戶(hù)的采光要求。所以，不同地區(qū)使用鍍膜真空玻璃時(shí)，應(yīng)根據(jù)膜的光、熱性能進(jìn)行選擇，采用不同的組合方式，以達(dá)到較佳效果。
        (3)增加間層的厚度，不僅可以改善隔聲性能，其保溫性能也將得到提高。
       (4)采用兩塊厚度不同的玻璃，以改善采用同等厚度玻璃吻合頻率處隔聲量下降的現(xiàn)象，從而提高窗玻璃隔聲量。

       (5)窗戶(hù)或幕墻是采暖和空調(diào)中的耗能大戶(hù)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在有空調(diào)的建筑物總能耗中，空調(diào)能耗占60％以上，其原因是窗玻璃的保溫隔熱性能差。為此，國(guó)內(nèi)外一直在研究如何改進(jìn)窗戶(hù)的保溫隔熱性能。例如，國(guó)內(nèi)近幾年來(lái)弓l進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的鍍膜技術(shù)，在玻璃表面上鍍膜，以解決房間夏天得熱和冬天失熱的問(wèn)題。但這種方法還存在一定局限性，在冬冷夏熱地區(qū)難以達(dá)到較佳節(jié)能效果。美國(guó)在2O世紀(jì)90年代初開(kāi)始研究“智能玻璃”，這種采用電致變色原理工作的“智能玻璃”經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究，已于2000年秋在美國(guó)正式投入生產(chǎn)。
        5 結(jié)語(yǔ)
        我國(guó)氣候的主要特點(diǎn)是冬寒夏熱，致使采暖空調(diào)能耗很大。從新世紀(jì)開(kāi)始，我國(guó)將進(jìn)入一體建設(shè)小康社會(huì)。在增進(jìn)國(guó)民健康、提高舒適性的前提下有效利用能源、合理使用資源、減少溫室氣體排放、保護(hù)人類(lèi)生存環(huán)境已是大勢(shì)所趨，人心所向。真空玻璃具有的性能和良好的性能價(jià)格比，必將得到社會(huì)和市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可，發(fā)展前景十分廣闊。