建筑能耗占全國(guó)總能耗30%以上，而且此比例還在不斷上升。每年我國(guó)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(guó)單位建筑面積能耗是發(fā)達(dá)國(guó)家的2-3倍以上，而窗戶是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的開(kāi)口部，窗戶能耗占整個(gè)建筑能耗的一半左右，改進(jìn)窗戶的節(jié)能是提高建筑節(jié)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(yōu)點(diǎn)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(diǎn)，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(jì)七十年代中期的能源危機(jī)后，西方國(guó)家大力推動(dòng)“節(jié)能窗”的研發(fā)，數(shù)十年來(lái)各種節(jié)能玻璃技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)步。各種鍍膜玻璃和中空玻璃技術(shù)已從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入大規(guī)模普及應(yīng)用階段。[1>
通過(guò)建筑物玻璃的傳熱途徑有二：一是由內(nèi)外溫差引起的傳熱QT，二是太陽(yáng)輻射引入的熱量Qe，二者之和稱為相對(duì)增熱，用RHG表示：
RHG= QT +Qe=K(T0-Ti)+Se×SHGF
式中K為傳熱系數(shù)，也稱K值或U值，其含義是當(dāng)室內(nèi)外溫差為1度時(shí)，單位時(shí)間通過(guò)1㎡面積玻璃從室內(nèi)空氣傳到室外空氣的熱量，我國(guó)法定計(jì)量單位為Wm-2K-1。T0為室外溫度，Ti為室內(nèi)溫度。Se為遮陽(yáng)系數(shù)，其含義是透過(guò)玻璃的太陽(yáng)輻射總透射比與3mm厚普通平板玻璃的太陽(yáng)輻射總透射比的比值。Se值越高，說(shuō)明透過(guò)的太陽(yáng)輻射比例越高。SHGF為太陽(yáng)輻射得熱因子，其含義是當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)兀瑔挝粫r(shí)間內(nèi)透過(guò)3mm厚普通玻璃的太陽(yáng)輻射能量，單位為Wm-2。
如果以室外向室內(nèi)傳熱為正，則上式中當(dāng)T0＞Ti時(shí)（例如夏季）第一項(xiàng)為正，表明熱量從室外傳入室內(nèi)，當(dāng)T0＜Ti時(shí)（例如冬季）則第一項(xiàng)為負(fù)，表明熱量從室內(nèi)傳到室外。對(duì)于大多數(shù)地區(qū)，只要室內(nèi)外溫差較大且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，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(dāng)?shù)貕w的K值相匹配，才能有效節(jié)能。
由于太陽(yáng)輻射是由外向內(nèi)的，所以上式中第二項(xiàng)總是正值。要根據(jù)地區(qū)、朝向等因素來(lái)選取玻璃的Se參數(shù)。例如在太陽(yáng)輻射強(qiáng)（SHGF高）的氣候炎熱地區(qū)，應(yīng)選Se低的遮陽(yáng)型玻璃。以減少太陽(yáng)能進(jìn)入，節(jié)省空調(diào)能耗；在太陽(yáng)輻射弱（SHGF低）的氣候寒冷地區(qū)，應(yīng)選Se高的高透型玻璃，增加太陽(yáng)能進(jìn)入，節(jié)省取暖能耗。
從節(jié)能的角度看，也可以說(shuō)，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(fā)出的一種新型節(jié)能玻璃，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它基于保溫瓶原理，將兩片玻璃四周密封，中間間隔為的薄真空層。由于沒(méi)有氣體傳熱，內(nèi)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(duì)增熱RHG值，達(dá)到節(jié)能的目的。
圖1 真空玻璃的基本結(jié)構(gòu)
表1給出了幾種玻璃和墻體材料的傳熱系數(shù)（K值）。由數(shù)據(jù)可見(jiàn)，標(biāo)準(zhǔn)真空玻璃和組合真空玻璃的K值已經(jīng)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(shù)十分之一。
與其它節(jié)能玻璃相比，真空玻璃具有綜合性能優(yōu)勢(shì)。[2>
表1.幾種玻璃和墻體材料的傳熱系數(shù)（K值）
材料類別 | 標(biāo)稱厚度 mm | 熱阻 W-1m2K | 傳熱系數(shù)（K值） Wm-2K-1 | 第二表面 發(fā)射率 |
單片玻璃 | 5 | | 6.1 | |
中空玻璃 (L5+ A12+N5) | 22 | | | |
中空玻璃 (L5+ A12+N5) | 22 | | | |
中空玻璃 (L5+ Ar12+N5) 100%氬氣 | 22 | | | |
標(biāo)準(zhǔn)真空玻璃(L5+V+N5) | 10 | | 0.9＊ | |
標(biāo)準(zhǔn)真空+中空 (L5+V+N4+A9+N5) | 23 | | 0.8＊ | |
37普通磚墻+20mm砂漿 | 385 | | | / |
20mm砂漿+37空心磚墻+20mm砂漿 | 410 | | | / |
240mm黏土多孔磚墻加膠粉聚苯顆粒外保溫 | 325 | | | / |
N5：5mm白玻 A12：12mm空氣 V：真空層
L5：5mmLOW-E玻璃 Ar12：12mm氬氣 ﹡國(guó)家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心測(cè)試結(jié)果
隔熱性能優(yōu)良的標(biāo)準(zhǔn)真空玻璃通過(guò)“真空+中空”組合或“真空+夾膠”組合構(gòu)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(wèn)題。[3>
圖2
圖3
真空玻璃配以優(yōu)良的窗框和密封材料就可以構(gòu)成優(yōu)良的節(jié)能窗。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的L4+V+N4+15A+N6組合真空玻璃配以優(yōu)質(zhì)木窗框，制成1400×1200mm的整窗，經(jīng)國(guó)家建筑材料工業(yè)建筑五金水暖產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心檢測(cè)，傳熱系數(shù)（K值）為0.8 Wm-2K-1，達(dá)到國(guó)標(biāo)GB/T8484-2002第10級(jí)。
對(duì)于相對(duì)增熱RHG中太陽(yáng)輻射熱的控制，可以選擇不同性能的LOW-E玻璃來(lái)制作真空玻璃，以得到不同的遮陽(yáng)系數(shù)Se。表2列出了兩種浮法白玻和兩種LOW-E玻璃的太陽(yáng)輻射參數(shù)，表3列出了用表2中的玻璃制作的兩種真空玻璃的太陽(yáng)輻射參數(shù)。
表2. 幾種幅法白玻和Low-E玻璃的輻射參數(shù)
序 號(hào) | 品種 | 基片 顏色 | 反射 顏色 | 測(cè)試面 | 紫外線（%） | 可見(jiàn)光（%） | 太陽(yáng)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(yáng) 系數(shù) Se | 得熱 系數(shù)SHGC |
1 | 6mm LOW-E | clear | 淺灰 | 膜面 | | | | | | | 62.8 | 54.1 | |
玻面 | | | | | | | 56.1 | 48.3 | |
2 | 6mm LOW-E | clear | 無(wú)色 | 膜面 | | | | 5.9 | | | 73.2 | 63.4 | |
玻面 | | | | | | | 69.3 | 59.9 | |
3 | 6 clear () | clear | 無(wú)色 | 空氣面 | | | | | | | 98.7 | 85.7 | |
錫面 | | | | 8.2 | | | 98.7 | 85.7 | |
4 | 4 clear () | clear | 無(wú)色 | 空氣面 | | | 90.1 | | | | 100.6 | 87.4 | |
錫面 | | | 90.1 | | | 8.1 | 100.5 | 87.4 | |
表3. 標(biāo)準(zhǔn)真空玻璃與太陽(yáng)輻射相關(guān)參數(shù)（計(jì)算值）
序 號(hào) | 品種 | 安裝方式 ＊ | 紫外線（%） | 可見(jiàn)光（%） | 太陽(yáng)輻射（%） | LOW-E發(fā)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(yáng) 系數(shù) Se | 得熱系數(shù)SHGC |
1 | L6+V+N4 | A | | | | | | | | | | |
B | | | | | | | | | | |
2 | L6+V+N4 | A | | | | | | | | | | |
B | | | | | | | | | | |
＊A：LOW-E膜在從室外數(shù)第2表面；
B：LOW-E膜在從室外數(shù)第3表面
＊ L6：6mmLOW-E玻璃
N4：4mm普通白玻
V：真空層
由表2可見(jiàn)，不同的LOW-E膜的遮陽(yáng)系數(shù)是不同的，遮陽(yáng)系數(shù)高的稱為高透膜，有的產(chǎn)品Se比表1中所列的還要低，稱為陽(yáng)光控制膜。由表3可見(jiàn)，不同玻璃制成的真空玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)是不同的，而且同一種真空玻璃安裝時(shí)LOW-E膜放在從外向內(nèi)數(shù)的第2表面還是第3表面的Se也是不同的。
表3中的太陽(yáng)輻射得熱系數(shù)SHGC也稱太陽(yáng)輻射總透射比g，表示通過(guò)玻璃進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射能量與入射總能量之比。此數(shù)值越高，說(shuō)明進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)能比例越高。因此可以通過(guò)選擇不同類別的真空玻璃和安裝方式來(lái)控制太陽(yáng)輻射得熱，達(dá)到節(jié)能的目的，比如在太陽(yáng)輻射強(qiáng)的熱帶地區(qū)，應(yīng)選擇遮陽(yáng)系數(shù)低的LOW-E膜，并按A方式安裝，以減少太陽(yáng)得熱，降低空調(diào)能耗。
從表3的數(shù)據(jù)可以看出：由于LOW-E膜的光學(xué)性質(zhì)不同，即使K值相近的真空玻璃其輻射特性也會(huì)有較大區(qū)別。可見(jiàn)光透射比影響建筑物的采光，可見(jiàn)光反射比太高會(huì)形成“光污染”；紫外線特性影響室內(nèi)的紫外輻照,而膜的位置也會(huì)影響建筑物的外觀顏色，以上這些因素應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮。
真空玻璃產(chǎn)品已成功應(yīng)用于北京天恒大廈等十多個(gè)建成項(xiàng)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(jīng)國(guó)家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè)，K值為1.0 Wm-2K-1，超過(guò)國(guó)際GB/T8484-2002保溫窗最高級(jí)10級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。遮蔽系數(shù)為，經(jīng)專家計(jì)算，與安裝其它各種玻璃相比，該大廈每年可節(jié)省電費(fèi)開(kāi)支最低62萬(wàn)元，最高423萬(wàn)元。[4>
華大學(xué)奧運(yùn)專項(xiàng)超低能耗示范樓 天恒大廈效果圖
除保溫隔熱性能優(yōu)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(chǎn)的安全型組合真空玻璃傳熱系數(shù)可在之間選擇，計(jì)權(quán)隔聲量經(jīng)權(quán)威部門檢測(cè)達(dá)到42dB，離玻璃幕墻國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)最高級(jí)只差3dB，而厚度僅為32mm，要達(dá)到最高級(jí)也非難事。
表4. 幾種玻璃及玻璃窗的隔聲量（實(shí)測(cè)值）
序 號(hào) | 品種 | 安裝方式 ＊ | 紫外線（%） | 可見(jiàn)光（%） | 太陽(yáng)輻射（%） | LOW-E發(fā)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(yáng) 系數(shù) Se | 得熱系數(shù)SHGC |
1 | L6+V+N4 | A | | | | | | | | | | |
B | | | | | | | | | | |
2 | L6+V+N4 | A | | | | | | | | | | |
B | | | | | | | | | | |
測(cè)試單位：＊國(guó)家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心
＊＊清華大學(xué)建筑物理實(shí)驗(yàn)室
綜上所述，可以得到如下結(jié)論：
1、真空玻璃與節(jié)能相關(guān)的熱工參數(shù)目前已達(dá)到相當(dāng)優(yōu)良的水平，在建筑節(jié)能中嶄露頭角。
2、在達(dá)到所需真空度的前提下，真空玻璃與節(jié)能相關(guān)的熱工參數(shù)特別取決于鍍膜的參數(shù)，隨著鍍膜技術(shù)的發(fā)展，K值更低，遮陽(yáng)系數(shù)各異的真空玻璃將不斷更新現(xiàn)有的參數(shù)，達(dá)到更佳的節(jié)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(shù)，各種技術(shù)的結(jié)合將出現(xiàn)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(huì)各界最為關(guān)注的問(wèn)題之一。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外圍繞此問(wèn)題作了大量理論和實(shí)驗(yàn)工作。關(guān)鍵要解決兩方面的問(wèn)題：
力學(xué)方面，要選用高強(qiáng)度的支撐物材料并對(duì)其形狀、尺寸、間距作科學(xué)的設(shè)計(jì)，同時(shí)要選擇必要的工藝使邊緣應(yīng)力也控制在允許范圍內(nèi)，這方面的問(wèn)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(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出行之有效的工藝技術(shù)來(lái)解決此問(wèn)題。
真空壽命方面，國(guó)內(nèi)外也作了大量理論和實(shí)驗(yàn)工作[6>，證明要保證真空度長(zhǎng)期不衰變，首先要在工藝上實(shí)現(xiàn)350℃以上高溫排氣，這一點(diǎn)已在工藝上用多種方法實(shí)現(xiàn)。其次，要確保達(dá)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(chǎn)過(guò)程中要在大氣中經(jīng)過(guò)400℃以上較長(zhǎng)時(shí)間加熱，吸氣劑會(huì)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(wú)法實(shí)施。我國(guó)專利技術(shù)[8>成功地解決了這一難題，用“包封”和“解封”的巧妙構(gòu)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(dá)到50年的理想成為可能。
真空玻璃的成本是社會(huì)關(guān)注的另一焦點(diǎn)。這要從發(fā)展的眼光來(lái)看，首先應(yīng)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(chǎn)成本高于中空玻璃，其原因除生產(chǎn)工藝比中空玻璃復(fù)雜外，更主要的原因在于生產(chǎn)規(guī)模小，自動(dòng)化程度低和相應(yīng)而來(lái)的成品率低。要降低生產(chǎn)成本，必須建設(shè)大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)線。一方面在提高成品率的基礎(chǔ)上擴(kuò)大生產(chǎn)量，另一方面擴(kuò)大市場(chǎng)，形成良性循環(huán)。目前“大規(guī)模生產(chǎn)真空玻璃的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)”已列入我國(guó)建材行業(yè)十一五規(guī)劃的優(yōu)先發(fā)展方向，自動(dòng)化生產(chǎn)試驗(yàn)線正在北京加緊建設(shè)中，相信不久的將來(lái)，低成本、高質(zhì)量、長(zhǎng)壽命的真空玻璃產(chǎn)品系列將會(huì)成為建筑節(jié)能的一支新軍。
