真空玻璃在節(jié)能住宅的應(yīng)用前景

　　本文針對當前建筑能耗較大的現(xiàn)狀，從門窗入手，對比分析真空玻璃與中空玻璃的性能，得出結(jié)論：真空玻璃結(jié)構(gòu)簡單、牢固，在隔音、隔熱、環(huán)保等方面有明顯優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。

1、前言

　　一直以來，我國的建筑能耗觸目驚心，差不多占到整個能源消耗的30％, 而中國人均能源含有量很低。然而住宅節(jié)能是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，國內(nèi)外的研究表明， 對大多數(shù)地區(qū)而言， 建筑物圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)應(yīng)至少達到1W/(m²·K) 的水平，過去大量使用的總厚度約390mm 的37 磚墻(外加砂漿)的傳熱系數(shù)約為1.7W/(m²·K)， 總厚度約410mm 的37 空心磚墻(外加厚砂漿) 的傳熱系數(shù)已接近1W/(m²·K)。各種新型墻體的傳熱系數(shù)已可降到0.4 至0.8W/(m²·K)之間，而門窗則是建筑圍護結(jié)構(gòu)的能耗大戶。單片5mm 白玻的傳熱系數(shù)約為6.1W/(m²·K)，比墻體大6 倍以上，形象地比喻，每一扇非節(jié)能窗的能耗就相當于點著一盞數(shù)十瓦的長明燈在長年累月地消耗能量。嚴峻的事實已表明，要走可持續(xù)發(fā)展道路，建筑節(jié)能刻不容緩。其中玻璃的使用和選擇又是關(guān)鍵，真空玻璃、雙真空玻璃的出現(xiàn)，將使我們進入“超級真空玻璃窗”階段。使用真空玻璃的住房, 可使夏季的制冷費減少25％,冬季的取暖費降低30％。若在外側(cè)玻璃上施加含鐵成分, 還可切斷86％的紫外線射線、遮斷53％太陽照射能量的特殊效果。因此，大力推廣節(jié)能環(huán)保型的真空玻璃技術(shù)和產(chǎn)品勢在必行。

2、真空玻璃與中空玻璃的區(qū)別

　　普通平板玻璃是第一代門窗玻璃。最初僅僅是單純擋風(fēng)雨、透視、換氣的單層或雙層普通平板玻璃。現(xiàn)代科技提出了許多新功能、新要求———保溫、隔熱、隔噪音及遮擋外部視線等。中空玻璃是第二代門窗玻璃。大多用鋁框四周封邊、兩塊玻璃間隔，內(nèi)含空氣或充氬氣，總厚度最薄的為12mm。真空玻璃就第三代門窗玻璃，是與中空玻璃結(jié)構(gòu)完全不同的新產(chǎn)品。真空玻璃用適當分布的微粒支柱做間隔，間隙層只有0.1mm～0.2mm，空腔內(nèi)抽真空無氣體， 真空度達到0.1Pa 以下， 總厚度最薄只有6mm左右。真空玻璃消除了氣體對流和傳導(dǎo)傳熱，傳熱主要是輻射傳熱和支柱傳導(dǎo)傳熱。用鍍有透明低輻射膜玻璃做的真空玻璃，像杜瓦瓶鍍銀一樣又大大降低了輻射傳熱。滿足透明、隔熱、保溫、防結(jié)露、結(jié)霜、隔聲等，是一種新型綠色環(huán)保建材。真空玻璃和中空玻璃完全不同，粗淺地說，最基本的差別在于兩片玻璃之間的間隔內(nèi)是“有氣”還是“無氣”。這一基本差別形成兩種不同工藝及技術(shù)含量的產(chǎn)品。

2.1、真空玻璃的結(jié)構(gòu)

圖3 真空玻璃的基本結(jié)構(gòu)

　　從原理上看真空玻璃可比喻為平板形保溫瓶，二者相同點是兩層玻璃的夾層均為氣壓低于0.1Pa的真空，使氣體傳熱可忽略不計；二者內(nèi)壁都鍍有低輻射膜，使輻射傳熱盡可能小。二者不同點：一是真空玻璃用于門窗必須透明或透光，不能像保溫瓶一樣鍍不透明銀膜，鍍的是不同種類的透明低輻射膜；二是從可均衡抗壓的圓筒型或球型保溫瓶變成平板，必須在兩層玻璃之間設(shè)置“支撐物”方陣來承受每平方米約10噸的大氣壓，使玻璃之間保持間隔，形成真空層。“支撐物” 方陣間距根據(jù)玻璃板的厚度及力學(xué)參數(shù)設(shè)計，在20mm～40mm 之間。為了減小支撐物“熱橋”形成的傳熱并使人眼難以分辨，支撐物直徑很小，目前的產(chǎn)品中的支撐物直徑在0.3mm～0.5mm 之間， 高度在0.1mm～0.2mm 之間。

2.2、真空玻璃的傳熱機理

　　由于結(jié)構(gòu)不同，真空玻璃與中空玻璃的傳熱機理也有所不同。真空玻璃中心部位傳熱由輻射傳熱和支撐物傳熱構(gòu)成，其中忽略了殘余氣體傳熱。而中空玻璃則由氣體傳熱(包括傳導(dǎo)和對流)和輻射傳熱構(gòu)成。

圖4 真空玻璃和中空玻璃的傳熱機理示意圖

　　由此可見，要減小因溫差引起的傳熱，真空玻璃和中空玻璃都要減小輻射傳熱，有效的方法是采用鍍有低輻射膜的玻璃(Low-E 玻璃)，在兼顧其他光學(xué)性能要的條件下，其發(fā)射率(也稱輻射率)越低越好。二者的不同點是真空玻璃還要盡可能減小點陣支撐物的傳熱，中空玻璃則要盡可能減小氣體傳熱。為了減小氣體傳熱并兼顧隔聲性及厚度等因素， 中空玻璃的空氣層厚度一般為9mm～24mm，以12mm 居多。要減少氣體傳熱，還可用大分子量的氣體(如惰性氣體：氬、氪、氙)來代替空氣，但即使如此，氣體傳熱仍占據(jù)主導(dǎo)地位。

　　由于中空玻璃的氣體傳熱超過真空玻璃的支撐物傳熱，所以在玻璃原片類型相同條件下，真空玻璃的傳熱系數(shù)總是低于中空玻璃。

3、真空玻璃的優(yōu)良性能

3.1、真空玻璃的隔熱性能

　　真空玻璃由于特別薄，故表觀導(dǎo)熱系數(shù)遠低于一般保溫材料，也比我國GB 4272—92 標準規(guī)定的保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)界定值0.12W/(m²·K) 小十多倍，說明它是性能極優(yōu)良的保溫隔熱體。一般均勻材料用導(dǎo)熱系數(shù)(熱導(dǎo)率)λ 表征其導(dǎo)熱性能。真空玻璃不是均勻連續(xù)材料，是一薄片結(jié)構(gòu)。

表1 同樣條件下的熱阻、表觀導(dǎo)熱系數(shù)及傳熱系數(shù)對照表

　　由表1 中可見，同樣建筑用門窗玻璃制成的產(chǎn)品，真空玻璃的熱阻值高于中空玻璃，按國際標準計算出的傳熱系數(shù)則低于中空玻璃。由于真空玻璃的真空間隔只有0.1 mm～ 0.2 mm，其總厚度比中空玻璃小2 至3 倍，所以其表觀導(dǎo)熱系數(shù)大大低于中空玻璃。由表中數(shù)據(jù)還可以看出，使用帶有低輻射膜玻璃制作的真空玻璃，優(yōu)勢更為明顯( 熱阻值越高，傳熱系數(shù)值越低則隔熱性能越好)。