真空玻璃在节能住宅的应用前景(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)江苏沙洲职业工学院 作者:谭晓燕

  本文针对当前建筑能耗较大的现状,从门窗入手,对比分析真空玻璃与中空玻璃的性能,得出结论:真空玻璃结构简单、牢固,在隔音、隔热、环保等方面有明显优势,应用前景广阔。

1、前言

  一直以来,我国的建筑能耗触目惊心,差不多占到整个能源消耗的30%, 而中国人均能源含有量很低。然而住宅节能是一个复杂的系统工程,国内外的研究表明, 对大多数地区而言, 建筑物围护结构的传热系数应至少达到1W/(m2·K) 的水平,过去大量使用的总厚度约390mm 的37 砖墙(外加砂浆)的传热系数约为1.7W/(m2·K), 总厚度约410mm 的37 空心砖墙(外加厚砂浆) 的传热系数已接近1W/(m2·K)。各种新型墙体的传热系数已可降到0.4 至0.8W/(m2·K)之间,而门窗则是建筑围护结构的能耗大户。单片5mm 白玻的传热系数约为6.1W/(m2·K),比墙体大6 倍以上,形象地比喻,每一扇非节能窗的能耗就相当于点着一盏数十瓦的长明灯在长年累月地消耗能量。严峻的事实已表明,要走可持续发展道路,建筑节能刻不容缓。其中玻璃的使用和选择又是关键,真空玻璃、双真空玻璃的出现,将使我们进入“超级真空玻璃窗”阶段。使用真空玻璃的住房, 可使夏季的制冷费减少25%,冬季的取暖费降低30%。若在外侧玻璃上施加含铁成分, 还可切断86%的紫外线射线、遮断53%太阳照射能量的特殊效果。因此,大力推广节能环保型的真空玻璃技术和产品势在必行。

2、真空玻璃与中空玻璃的区别

  普通平板玻璃是第一代门窗玻璃。最初仅仅是单纯挡风雨、透视、换气的单层或双层普通平板玻璃。现代科技提出了许多新功能、新要求———保温、隔热、隔噪音及遮挡外部视线等。中空玻璃是第二代门窗玻璃。大多用铝框四周封边、两块玻璃间隔,内含空气或充氩气,总厚度最薄的为12mm。真空玻璃就第三代门窗玻璃,是与中空玻璃结构完全不同的新产品。真空玻璃用适当分布的微粒支柱做间隔,间隙层只有0.1mm~0.2mm,空腔内抽真空无气体, 真空度达到0.1Pa 以下, 总厚度最薄只有6mm左右。真空玻璃消除了气体对流和传导传热,传热主要是辐射传热和支柱传导传热。用镀有透明低辐射膜玻璃做的真空玻璃,像杜瓦瓶镀银一样又大大降低了辐射传热。满足透明、隔热、保温、防结露、结霜、隔声等,是一种新型绿色环保建材。真空玻璃和中空玻璃完全不同,粗浅地说,最基本的差别在于两片玻璃之间的间隔内是“有气”还是“无气”。这一基本差别形成两种不同工艺及技术含量的产品。

2.1、真空玻璃的结构

 真空玻璃的基本结构

图3 真空玻璃的基本结构

  从原理上看真空玻璃可比喻为平板形保温瓶,二者相同点是两层玻璃的夹层均为气压低于0.1Pa的真空,使气体传热可忽略不计;二者内壁都镀有低辐射膜,使辐射传热尽可能小。二者不同点:一是真空玻璃用于门窗必须透明或透光,不能像保温瓶一样镀不透明银膜,镀的是不同种类的透明低辐射膜;二是从可均衡抗压的圆筒型或球型保温瓶变成平板,必须在两层玻璃之间设置“支撑物”方阵来承受每平方米约10吨的大气压,使玻璃之间保持间隔,形成真空层。“支撑物” 方阵间距根据玻璃板的厚度及力学参数设计,在20mm~40mm 之间。为了减小支撑物“热桥”形成的传热并使人眼难以分辨,支撑物直径很小,目前的产品中的支撑物直径在0.3mm~0.5mm 之间, 高度在0.1mm~0.2mm 之间。

2.2、真空玻璃的传热机理

  由于结构不同,真空玻璃与中空玻璃的传热机理也有所不同。真空玻璃中心部位传热由辐射传热和支撑物传热构成,其中忽略了残余气体传热。而中空玻璃则由气体传热(包括传导和对流)和辐射传热构成。

 真空玻璃和中空玻璃的传热机理示意图

图4 真空玻璃和中空玻璃的传热机理示意图

  由此可见,要减小因温差引起的传热,真空玻璃和中空玻璃都要减小辐射传热,有效的方法是采用镀有低辐射膜的玻璃(Low-E 玻璃),在兼顾其他光学性能要的条件下,其发射率(也称辐射率)越低越好。二者的不同点是真空玻璃还要尽可能减小点阵支撑物的传热,中空玻璃则要尽可能减小气体传热。为了减小气体传热并兼顾隔声性及厚度等因素, 中空玻璃的空气层厚度一般为9mm~24mm,以12mm 居多。要减少气体传热,还可用大分子量的气体(如惰性气体:氩、氪、氙)来代替空气,但即使如此,气体传热仍占据主导地位。

  由于中空玻璃的气体传热超过真空玻璃的支撑物传热,所以在玻璃原片类型相同条件下,真空玻璃的传热系数总是低于中空玻璃。

3、真空玻璃的优良性能

3.1、真空玻璃的隔热性能

  真空玻璃由于特别薄,故表观导热系数远低于一般保温材料,也比我国GB 4272—92 标准规定的保温材料导热系数界定值0.12W/(m2·K) 小十多倍,说明它是性能极优良的保温隔热体。一般均匀材料用导热系数(热导率)λ 表征其导热性能。真空玻璃不是均匀连续材料,是一薄片结构。

表1 同样条件下的热阻、表观导热系数及传热系数对照表

 同样条件下的热阻、表观导热系数及传热系数对照表

  由表1 中可见,同样建筑用门窗玻璃制成的产品,真空玻璃的热阻值高于中空玻璃,按国际标准计算出的传热系数则低于中空玻璃。由于真空玻璃的真空间隔只有0.1 mm~ 0.2 mm,其总厚度比中空玻璃小2 至3 倍,所以其表观导热系数大大低于中空玻璃。由表中数据还可以看出,使用带有低辐射膜玻璃制作的真空玻璃,优势更为明显( 热阻值越高,传热系数值越低则隔热性能越好)。

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