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視點(diǎn):從建筑節(jié)能看真空玻璃發(fā)展前景

發(fā)布日期:2022-07-14 點(diǎn)擊率:42

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)


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(%)

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)


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)


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。


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