从建筑节能看真空玻璃发展前景

　　　我国建筑能耗占全国总能耗30%以上，而且此比例还在不断上升。每年我国竣工建筑面积为20亿平方米，其中80%以上是高能耗建筑。既有建筑400亿平方米，95%以上是高能耗建筑。我国单位建筑面积能耗是发达国家的2-3倍以上，而窗户是建筑围护结构的开口部，窗户能耗占整个建筑能耗的一半左右，改进窗户的节能是提高建筑节能水平的有效、快捷措施。


　　玻璃占整窗面积80%以上，而具有多种优点的玻璃幕墙更可成为墙的主体，但已建成的许多玻璃幕墙保温隔热性能差成为一大弱点，影响其推广使用。所以提高玻璃的保温隔热性能更是重中之重。二十世纪七十年代中期的能源危机后，西方国家大力推动“节能窗”的研发，数十年来各种节能玻璃技术取得长足进步。各种镀膜玻璃和中空玻璃技术已从实验室进入大规模普及应用阶段。[1]

　　通过建筑物玻璃的传热途径有二：一是由内外温差引起的传热QT，二是太阳辐射引入的热量Qe，二者之和称为相对增热，用RHG表示：


　　　　　　　　RHG= QT +Qe=K(T0-Ti)+Se×SHGF

　　式中K为传热系数，也称K值或U值，其含义是当室内外温差为1度时，单位时间通过1㎡面积玻璃从室内空气传到室外空气的热量，我国法定计量单位为Wm-2K-1。T0为室外温度，Ti为室内温度。Se为遮阳系数，其含义是透过玻璃的太阳辐射总透射比与3mm厚普通平板玻璃的太阳辐射总透射比的比值。Se值越高，说明透过的太阳辐射比例越高。SHGF为太阳辐射得热因子，其含义是当时当地，单位时间内透过3mm厚普通玻璃的太阳辐射能量，单位为Wm-2。


　　如果以室外向室内传热为正，则上式中当T0＞Ti时（例如夏季）第一项为正，表明热量从室外传入室内，当T0＜Ti时（例如冬季）则第一项为负，表明热量从室内传到室外。对于大多数地区，只要室内外温差较大且持续时间较长，为了减少能耗，K值总是越小越好。特别是门窗的K值要与当地墙体的K值相匹配，才能有效节能。


　　由于太阳辐射是由外向内的，所以上式中第二项总是正值。要根据地区、朝向等因素来选取玻璃的Se参数。例如在太阳辐射强（SHGF高）的气候炎热地区，应选Se低的遮阳型玻璃。以减少太阳能进入，节省空调能耗；在太阳辐射弱（SHGF低）的气候寒冷地区，应选Se高的高透型玻璃，增加太阳能进入，节省取暖能耗。


　　从节能的角度看，也可以说，K值表征材料的“保温”性能，Se表征其“隔热”性能。


　　真空玻璃是继中空玻璃之后研发出的一种新型节能玻璃，其结构如图1所示。它基于保温瓶原理，将两片玻璃四周密封，中间间隔为0.1-0.2mm的薄真空层。由于没有气体传热，内表面又有起保温瓶银膜作用的透明低辐射膜，既可以得到比中空玻璃更低的K值，又可以选择合适的Se值，降低相对增热RHG值，达到节能的目的。

　　图1　真空玻璃的基本结构

　　表1给出了几种玻璃和墙体材料的传热系数（K值）。由数据可见，标准真空玻璃和组合真空玻璃的K值已经低于目前大量使用的墙体材料的K值，但其厚度只有后者的数十分之一。

　　与其它节能玻璃相比，真空玻璃具有综合性能优势。[2]
　　表1.几种玻璃和墙体材料的传热系数（K值）

材料类别	标称厚度 mm	热阻 W-1m2K	传热系数（K值） Wm-2K-1	第二表面 发射率
单片玻璃	5	0.0066	6.1	0.84
中空玻璃 (L5+ A12+N5)	22	0.332	2.04	0.17
中空玻璃 (L5+ A12+N5)	22	0.385	1.84	0.10
中空玻璃 (L5+ Ar12+N5) 100%氩气	22	0.551	1.41	0.10
标准真空玻璃(L5+V+N5)	10	1.01	0.9＊	0.11
标准真空+中空 (L5+V+N4+A9+N5)	23	1.20	0.8＊	0.11
37普通砖墙+20mm砂浆	385	0.444	1.66	/
20mm砂浆+37空心砖墙+20mm砂浆	410	0.768	1.08	/
240mm黏土多孔砖墙加胶粉聚苯颗粒外保温	325	1.03	0.84	/

　　N5：5mm白玻 A12：12mm空气 V：0.15mm真空层
　　L5：5mmLOW-E玻璃 Ar12：12mm氩气 ﹡国家建筑工程质量监督检测中心测试结果

　　隔热性能优良的标准真空玻璃通过“真空+中空”组合或“真空+夹胶”组合构成“安全真空玻璃”作为幕墙玻璃使用，解决了玻璃幕墙保温隔热的问题。[3]

图2

图3

　　真空玻璃配以优良的窗框和密封材料就可以构成优良的节能窗。目前国内生产的L4+V+N4+15A+N6组合真空玻璃配以优质木窗框，制成1400×1200mm的整窗，经国家建筑材料工业建筑五金水暖产品质量监督检验测试中心检测，传热系数（K值）为0.8 Wm-2K-1，达到国标GB/T8484-2002第10级。


　　对于相对增热RHG中太阳辐射热的控制，可以选择不同性能的LOW-E玻璃来制作真空玻璃，以得到不同的遮阳系数Se。表2列出了两种浮法白玻和两种LOW-E玻璃的太阳辐射参数，表3列出了用表2中的玻璃制作的两种真空玻璃的太阳辐射参数。


表2. 几种幅法白玻和Low-E玻璃的辐射参数

序 号	品种	基片 颜色	反射 颜色	测试面	紫外线（%）		可见光（%）		太阳辐射（%）				辐 射 率 ε
					透射比 τuv	反射比 ρuv	透射比 τvis	反射比 ρvis	透射比 τe	反射比 ρe	遮阳 系数 Se	得热 系数SHGC
1	6mm LOW-E	clear	浅灰	膜面	42.12	20.51	59.77	2.41	42.53	20.48	62.8	54.1	0.11
				玻面	42.12	14.22	59.77	15.19	42.53	20.26	56.1	48.3	0.84
2	6mm LOW-E	clear	无色	膜面	36.48	12.11	77.96	5.9	56.76	21.77	73.2	63.4	0.11
				玻面	36.48	13.24	77.96	10.41	56.76	20.09	69.3	59.9	0.84
3	6 clear (5.931mm)	clear	无色	空气面	69.91	7.11	89.57	8.21	83.41	7.51	98.7	85.7	0.84
				锡面	69.91	7.25	89.57	8.2	83.41	7.52	98.7	85.7	0.84
4	4 clear (3.947mm)	clear	无色	空气面	74.55	7.77	90.1	8.65	85.85	8.06	100.6	87.4	0.84
				锡面	74.55	7.94	90.1	8.66	85.85	8.1	100.5	87.4	0.84

表3. 标准真空玻璃与太阳辐射相关参数（计算值）

序 号	品种	安装方式 ＊	紫外线（%）		可见光（%）		太阳辐射（%）				LOW-E发射率 ε	K值 Wm-2K-1
			透射比 τuv	反射比 ρuv	透射比 τvis	反射比 ρvis	透射比 τe	反射比 ρe	遮阳 系数 Se	得热系数SHGC
1	L6+V+N4	A	31.92	15.65	53.96	18.29	37.13	21.75	46.05	40.94	0.11	0.86
		B	31.92	19.36	53.96	10.61	37.13	23.40	74.97	66.65	0.11	0.86
2	L6+V+N4	A	27.46	14.31	70.60	15.70	49.60	22.75	60.35	53.65	0.11	0.86
		B	27.46	14.20	70.60	13.46	49.60	24.93	75.12	66.78	0.11	0.86

＊A：LOW-E膜在从室外数第2表面；

B：LOW-E膜在从室外数第3表面
＊ L6：6mmLOW-E玻璃
N4：4mm普通白玻
V：0.15mm真空层
　　由表2可见，不同的LOW-E膜的遮阳系数是不同的，遮阳系数高的称为高透膜，有的产品Se比表1中所列的还要低，称为阳光控制膜。由表3可见，不同玻璃制成的真空玻璃的遮阳系数是不同的，而且同一种真空玻璃安装时LOW-E膜放在从外向内数的第2表面还是第3表面的Se也是不同的。


　　表3中的太阳辐射得热系数SHGC也称太阳辐射总透射比g，表示通过玻璃进入室内的太阳辐射能量与入射总能量之比。此数值越高，说明进入室内的太阳能比例越高。因此可以通过选择不同类别的真空玻璃和安装方式来控制太阳辐射得热，达到节能的目的，比如在太阳辐射强的热带地区，应选择遮阳系数低的LOW-E膜，并按A方式安装，以减少太阳得热，降低空调能耗。


　　从表3的数据可以看出：由于LOW-E膜的光学性质不同，即使K值相近的真空玻璃其辐射特性也会有较大区别。可见光透射比影响建筑物的采光，可见光反射比太高会形成“光污染”；紫外线特性影响室内的紫外辐照,而膜的位置也会影响建筑物的外观颜色，以上这些因素应在设计时综合考虑。


　　真空玻璃产品已成功应用于北京天恒大厦等十多个建成项目，其中以天恒大厦最受世人瞩目。该大厦是世界第一座全真空玻璃办公大厦，也是世界第一次把真空玻璃用作大面积幕墙的建筑。总建筑面积57238平方米，地上22层，西、北立面采用半隐框真空玻璃幕墙7000平方米，东、南立面采用真空玻璃铝合金断热窗2500平方米，真空玻璃采用“中空+真空+中空”安全组合玻璃，经国家建筑工程质量监督检验中心检测，K值为1.0 Wm-2K-1，超过国际GB/T8484-2002保温窗最高级10级的标准。遮蔽系数为0.56，经专家计算，与安装其它各种玻璃相比，该大厦每年可节省电费开支最低62万元，最高423万元。[4]

　　　　　　　　　

 　　　　清华大学奥运专项超低能耗示范楼　　　天恒大厦效果图

　　除保温隔热性能优良外，真空玻璃的隔声性能也很好，特别是低频的性能提升。目前生产的安全型组合真空玻璃传热系数可在0.7-0.9Wm-2K-1之间选择，计权隔声量经权威部门检测达到42dB，离玻璃幕墙国家标准最高级只差3dB，而厚度仅为32mm，要达到最高级也非难事。


　　表4. 几种玻璃及玻璃窗的隔声量（实测值）

序 号	品种	安装方式 ＊	紫外线（%）		可见光（%）		太阳辐射（%）				LOW-E发射率 ε	K值 Wm-2K-1
			透射比 τuv	反射比 ρuv	透射比 τvis	反射比 ρvis	透射比 τe	反射比 ρe	遮阳 系数 Se	得热系数SHGC
1	L6+V+N4	A	31.92	15.65	53.96	18.29	37.13	21.75	46.05	40.94	0.11	0.86
		B	31.92	19.36	53.96	10.61	37.13	23.40	74.97	66.65	0.11	0.86
2	L6+V+N4	A	27.46	14.31	70.60	15.70	49.60	22.75	60.35	53.65	0.11	0.86
		B	27.46	14.20	70.60	13.46	49.60	24.93	75.12	66.78	0.11	0.86

　　测试单位：＊国家建筑工程质量监督检验中心
＊＊清华大学建筑物理实验室

　　综上所述，可以得到如下结论：

　　1、真空玻璃与节能相关的热工参数目前已达到相当优良的水平，在建筑节能中崭露头角。

　　2、在达到所需真空度的前提下，真空玻璃与节能相关的热工参数特别取决于镀膜的参数，随着镀膜技术的发展，K值更低，遮阳系数各异的真空玻璃将不断更新现有的参数，达到更佳的节能效果。

　　3、真空玻璃不排斥中空玻璃、夹胶玻璃等深加工技术，各种技术的结合将出现隔热、隔声性能更佳的组合安全真空玻璃，可满足建筑门窗幕墙的各种要求。


　　真空玻璃的使用寿命如何是社会各界最为关注的问题之一。多年来国内外围绕此问题作了大量理论和实验工作。关键要解决两方面的问题：


　　力学方面，要选用高强度的支撑物材料并对其形状、尺寸、间距作科学的设计，同时要选择必要的工艺使边缘应力也控制在允许范围内，这方面的问题不但已从理论上[5]深入研究，更重要的是已在十多年的实验和生产实践中总结出行之有效的工艺技术来解决此问题。


　　真空寿命方面，国内外也作了大量理论和实验工作[6]，证明要保证真空度长期不衰变，首先要在工艺上实现350℃以上高温排气，这一点已在工艺上用多种方法实现。其次，要确保达到20年以上使用寿命，必须象显像管等电真空器件一样，在真空玻璃中放入吸气剂。由于真空玻璃在生产过程中要在大气中经过400℃以上较长时间加热，吸气剂会氧化失效。虽然历史上许多专利提出把吸气剂放入真空玻璃[7]，但这些专利无法实施。我国专利技术[8]成功地解决了这一难题，用“包封”和“解封”的巧妙构思制成了“带吸气剂的真空玻璃”[9]这一成功将使真空玻璃使用寿命达到50年的理想成为可能。


　　真空玻璃的成本是社会关注的另一焦点。这要从发展的眼光来看，首先应指出真空玻璃的材料成本与中空玻璃相近。目前主要是生产成本高于中空玻璃，其原因除生产工艺比中空玻璃复杂外，更主要的原因在于生产规模小，自动化程度低和相应而来的成品率低。要降低生产成本，必须建设大规模自动化生产线。一方面在提高成品率的基础上扩大生产量，另一方面扩大市场，形成良性循环。目前“大规模生产真空玻璃的产业化技术”已列入我国建材行业十一五规划的优先发展方向，自动化生产试验线正在北京加紧建设中，相信不久的将来，低成本、高质量、长寿命的真空玻璃产品系列将会成为建筑节能的一支新军。

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