從建筑節能看真空玻璃發展前景

　　　我國建筑能耗占全國總能耗30%以上，而且此比例還在不斷上升。每年我國竣工建筑面積為20億平方米，其中80%以上是高能耗建筑。既有建筑400億平方米，95%以上是高能耗建筑。我國單位建筑面積能耗是發達國家的2-3倍以上，而窗戶是建筑圍護結構的開口部，窗戶能耗占整個建筑能耗的一半左右，改進窗戶的節能是提高建筑節能水平的有效、快捷措施。


　　玻璃占整窗面積80%以上，而具有多種優點的玻璃幕墻更可成為墻的主體，但已建成的許多玻璃幕墻保溫隔熱性能差成為一大弱點，影響其推廣使用。所以提高玻璃的保溫隔熱性能更是重中之重。二十世紀七十年代中期的能源危機后，西方國家大力推動“節能窗”的研發，數十年來各種節能玻璃技術取得長足進步。各種鍍膜玻璃和中空玻璃技術已從實驗室進入大規模普及應用階段。[1]

　　通過建筑物玻璃的傳熱途徑有二：一是由內外溫差引起的傳熱QT，二是太陽輻射引入的熱量Qe，二者之和稱為相對增熱，用RHG表示：


　　　　　　　　RHG= QT +Qe=K(T0-Ti)+Se×SHGF

　　式中K為傳熱系數，也稱K值或U值，其含義是當室內外溫差為1度時，單位時間通過1㎡面積玻璃從室內空氣傳到室外空氣的熱量，我國法定計量單位為Wm-2K-1。T0為室外溫度，Ti為室內溫度。Se為遮陽系數，其含義是透過玻璃的太陽輻射總透射比與3mm厚普通平板玻璃的太陽輻射總透射比的比值。Se值越高，說明透過的太陽輻射比例越高。SHGF為太陽輻射得熱因子，其含義是當時當地，單位時間內透過3mm厚普通玻璃的太陽輻射能量，單位為Wm-2。


　　如果以室外向室內傳熱為正，則上式中當T0＞Ti時（例如夏季）第一項為正，表明熱量從室外傳入室內，當T0＜Ti時（例如冬季）則第一項為負，表明熱量從室內傳到室外。對于大多數地區，只要室內外溫差較大且持續時間較長，為了減少能耗，K值總是越小越好。特別是門窗的K值要與當地墻體的K值相匹配，才能有效節能。


　　由于太陽輻射是由外向內的，所以上式中第二項總是正值。要根據地區、朝向等因素來選取玻璃的Se參數。例如在太陽輻射強（SHGF高）的氣候炎熱地區，應選Se低的遮陽型玻璃。以減少太陽能進入，節省空調能耗；在太陽輻射弱（SHGF低）的氣候寒冷地區，應選Se高的高透型玻璃，增加太陽能進入，節省取暖能耗。


　　從節能的角度看，也可以說，K值表征材料的“保溫”性能，Se表征其“隔熱”性能。


　　真空玻璃是繼中空玻璃之后研發出的一種新型節能玻璃，其結構如圖1所示。它基于保溫瓶原理，將兩片玻璃四周密封，中間間隔為0.1-0.2mm的薄真空層。由于沒有氣體傳熱，內表面又有起保溫瓶銀膜作用的透明低輻射膜，既可以得到比中空玻璃更低的K值，又可以選擇合適的Se值，降低相對增熱RHG值，達到節能的目的。

　　圖1　真空玻璃的基本結構

　　表1給出了幾種玻璃和墻體材料的傳熱系數（K值）。由數據可見，標準真空玻璃和組合真空玻璃的K值已經低于目前大量使用的墻體材料的K值，但其厚度只有后者的數十分之一。

　　與其它節能玻璃相比，真空玻璃具有綜合性能優勢。[2]
　　表1.幾種玻璃和墻體材料的傳熱系數（K值）

材料類別	標稱厚度 mm	熱阻 W-1m2K	傳熱系數（K值） Wm-2K-1	第二表面 發射率
單片玻璃	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%氬氣	22	0.551	1.41	0.10
標準真空玻璃(L5+V+N5)	10	1.01	0.9＊	0.11
標準真空+中空 (L5+V+N4+A9+N5)	23	1.20	0.8＊	0.11
37普通磚墻+20mm砂漿	385	0.444	1.66	/
20mm砂漿+37空心磚墻+20mm砂漿	410	0.768	1.08	/
240mm黏土多孔磚墻加膠粉聚苯顆粒外保溫	325	1.03	0.84	/

　　N5：5mm白玻 A12：12mm空氣 V：0.15mm真空層
　　L5：5mmLOW-E玻璃 Ar12：12mm氬氣 ﹡國家建筑工程質量監督檢測中心測試結果

　　隔熱性能優良的標準真空玻璃通過“真空+中空”組合或“真空+夾膠”組合構成“安全真空玻璃”作為幕墻玻璃使用，解決了玻璃幕墻保溫隔熱的問題。[3]

圖2

圖3

　　真空玻璃配以優良的窗框和密封材料就可以構成優良的節能窗。目前國內生產的L4+V+N4+15A+N6組合真空玻璃配以優質木窗框，制成1400×1200mm的整窗，經國家建筑材料工業建筑五金水暖產品質量監督檢驗測試中心檢測，傳熱系數（K值）為0.8 Wm-2K-1，達到國標GB/T8484-2002第10級。


　　對于相對增熱RHG中太陽輻射熱的控制，可以選擇不同性能的LOW-E玻璃來制作真空玻璃，以得到不同的遮陽系數Se。表2列出了兩種浮法白玻和兩種LOW-E玻璃的太陽輻射參數，表3列出了用表2中的玻璃制作的兩種真空玻璃的太陽輻射參數。


表2. 幾種幅法白玻和Low-E玻璃的輻射參數

序 號	品種	基片 顏色	反射 顏色	測試面	紫外線（%）		可見光（%）		太陽輻射（%）				輻 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	遮陽 系數 Se	得熱 系數SHGC
1	6mm LOW-E	clear	淺灰	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	無色	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	無色	空氣面	69.91	7.11	89.57	8.21	83.41	7.51	98.7	85.7	0.84
				錫面	69.91	7.25	89.57	8.2	83.41	7.52	98.7	85.7	0.84
4	4 clear (3.947mm)	clear	無色	空氣面	74.55	7.77	90.1	8.65	85.85	8.06	100.6	87.4	0.84
				錫面	74.55	7.94	90.1	8.66	85.85	8.1	100.5	87.4	0.84

表3. 標準真空玻璃與太陽輻射相關參數（計算值）

序 號	品種	安裝方式 ＊	紫外線（%）		可見光（%）		太陽輻射（%）				LOW-E發射率 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	遮陽 系數 Se	得熱系數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膜在從室外數第2表面；

B：LOW-E膜在從室外數第3表面
＊ L6：6mmLOW-E玻璃
N4：4mm普通白玻
V：0.15mm真空層
　　由表2可見，不同的LOW-E膜的遮陽系數是不同的，遮陽系數高的稱為高透膜，有的產品Se比表1中所列的還要低，稱為陽光控制膜。由表3可見，不同玻璃制成的真空玻璃的遮陽系數是不同的，而且同一種真空玻璃安裝時LOW-E膜放在從外向內數的第2表面還是第3表面的Se也是不同的。


　　表3中的太陽輻射得熱系數SHGC也稱太陽輻射總透射比g，表示通過玻璃進入室內的太陽輻射能量與入射總能量之比。此數值越高，說明進入室內的太陽能比例越高。因此可以通過選擇不同類別的真空玻璃和安裝方式來控制太陽輻射得熱，達到節能的目的，比如在太陽輻射強的熱帶地區，應選擇遮陽系數低的LOW-E膜，并按A方式安裝，以減少太陽得熱，降低空調能耗。


　　從表3的數據可以看出：由于LOW-E膜的光學性質不同，即使K值相近的真空玻璃其輻射特性也會有較大區別。可見光透射比影響建筑物的采光，可見光反射比太高會形成“光污染”；紫外線特性影響室內的紫外輻照,而膜的位置也會影響建筑物的外觀顏色，以上這些因素應在設計時綜合考慮。


　　真空玻璃產品已成功應用于北京天恒大廈等十多個建成項目，其中以天恒大廈最受世人矚目。該大廈是世界第一座全真空玻璃辦公大廈，也是世界第一次把真空玻璃用作大面積幕墻的建筑。總建筑面積57238平方米，地上22層，西、北立面采用半隱框真空玻璃幕墻7000平方米，東、南立面采用真空玻璃鋁合金斷熱窗2500平方米，真空玻璃采用“中空+真空+中空”安全組合玻璃，經國家建筑工程質量監督檢驗中心檢測，K值為1.0 Wm-2K-1，超過國際GB/T8484-2002保溫窗最高級10級的標準。遮蔽系數為0.56，經專家計算，與安裝其它各種玻璃相比，該大廈每年可節省電費開支最低62萬元，最高423萬元。[4]

　　　　　　　　　

 　　　　清華大學奧運專項超低能耗示范樓　　　天恒大廈效果圖

　　除保溫隔熱性能優良外，真空玻璃的隔聲性能也很好，特別是低頻的性能提升。目前生產的安全型組合真空玻璃傳熱系數可在0.7-0.9Wm-2K-1之間選擇，計權隔聲量經權威部門檢測達到42dB，離玻璃幕墻國家標準最高級只差3dB，而厚度僅為32mm，要達到最高級也非難事。


　　表4. 幾種玻璃及玻璃窗的隔聲量（實測值）

序 號	品種	安裝方式 ＊	紫外線（%）		可見光（%）		太陽輻射（%）				LOW-E發射率 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	遮陽 系數 Se	得熱系數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

　　測試單位：＊國家建筑工程質量監督檢驗中心
＊＊清華大學建筑物理實驗室

　　綜上所述，可以得到如下結論：

　　1、真空玻璃與節能相關的熱工參數目前已達到相當優良的水平，在建筑節能中嶄露頭角。

　　2、在達到所需真空度的前提下，真空玻璃與節能相關的熱工參數特別取決于鍍膜的參數，隨著鍍膜技術的發展，K值更低，遮陽系數各異的真空玻璃將不斷更新現有的參數，達到更佳的節能效果。

　　3、真空玻璃不排斥中空玻璃、夾膠玻璃等深加工技術，各種技術的結合將出現隔熱、隔聲性能更佳的組合安全真空玻璃，可滿足建筑門窗幕墻的各種要求。


　　真空玻璃的使用壽命如何是社會各界最為關注的問題之一。多年來國內外圍繞此問題作了大量理論和實驗工作。關鍵要解決兩方面的問題：


　　力學方面，要選用高強度的支撐物材料并對其形狀、尺寸、間距作科學的設計，同時要選擇必要的工藝使邊緣應力也控制在允許范圍內，這方面的問題不但已從理論上[5]深入研究，更重要的是已在十多年的實驗和生產實踐中總結出行之有效的工藝技術來解決此問題。


　　真空壽命方面，國內外也作了大量理論和實驗工作[6]，證明要保證真空度長期不衰變，首先要在工藝上實現350℃以上高溫排氣，這一點已在工藝上用多種方法實現。其次，要確保達到20年以上使用壽命，必須象顯像管等電真空器件一樣，在真空玻璃中放入吸氣劑。由于真空玻璃在生產過程中要在大氣中經過400℃以上較長時間加熱，吸氣劑會氧化失效。雖然歷史上許多專利提出把吸氣劑放入真空玻璃[7]，但這些專利無法實施。我國專利技術[8]成功地解決了這一難題，用“包封”和“解封”的巧妙構思制成了“帶吸氣劑的真空玻璃”[9]這一成功將使真空玻璃使用壽命達到50年的理想成為可能。


　　真空玻璃的成本是社會關注的另一焦點。這要從發展的眼光來看，首先應指出真空玻璃的材料成本與中空玻璃相近。目前主要是生產成本高于中空玻璃，其原因除生產工藝比中空玻璃復雜外，更主要的原因在于生產規模小，自動化程度低和相應而來的成品率低。要降低生產成本，必須建設大規模自動化生產線。一方面在提高成品率的基礎上擴大生產量，另一方面擴大市場，形成良性循環。目前“大規模生產真空玻璃的產業化技術”已列入我國建材行業十一五規劃的優先發展方向，自動化生產試驗線正在北京加緊建設中，相信不久的將來，低成本、高質量、長壽命的真空玻璃產品系列將會成為建筑節能的一支新軍。

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