陳玉梅,李成安
(中國建筑科學(xué)研究院物理所,北京 100044)
摘要:真空玻璃是在兩層玻璃中抽真空,兩塊玻璃四周用特殊材料燒熔密封而成。它基本上清理了玻璃間氣體對流及導(dǎo)熱傳熱,其保溫性、密封性和耐久性優(yōu)良。真空玻璃采用低輻射膜后,窗戶保溫性能大大提高,節(jié)能效果明顯。在真空玻璃上采用單面低輻射鍍膜或雙面低輻射鍍膜,真空玻璃塑鋼窗的傳熱系數(shù)分別由未鍍膜的2.23W/(m2·K)下降為1.56、1.29W/( ·K)。
關(guān)鍵詞:真空玻璃;低輻射玻璃;建筑節(jié)能;中空玻璃;建筑窗
在建筑圍護結(jié)構(gòu)中,窗戶是主要組成部分之一,也是耗能大戶。它不但具有采光、通風(fēng)、裝飾等功能,更重要的是應(yīng)當(dāng)具有較好的保溫隔熱性能。然而,我國窗戶的保溫性能總體水平與國外有非常大的差距,北歐和北美國家窗戶傳熱系數(shù)一般小于2.0 w/(m2·K),有的達到1.1~1.2 W/(m2·K)。目前,我國除采用低輻射中空玻璃的PVC塑料雙層窗(框間距100 ram)傳熱系數(shù)小于2.0 w/(ms·K)外,其它類型窗很少達到這樣的要求,其原因是窗玻璃耗能大。因此,改善玻璃的光、熱性能,是提高窗戶保溫隔熱性能的重要途徑之一。由于我國各地氣候差別很大,應(yīng)根據(jù)氣候條件來確定窗戶的保溫隔熱指標,并采取相應(yīng)的技術(shù)措施。
1 國內(nèi)玻璃保溫性能現(xiàn)狀
我國已研制了鍍膜玻璃、熱反射玻璃、夾層玻璃、中空玻璃、低輻射中空玻璃和充特殊氣體的低輻射中空玻璃等,以提高玻璃保溫隔熱性能。表1列出幾種不同類型玻璃保溫性能實測值。
由表1可知:
(1)同為單層玻璃,熱反射鍍膜玻璃和低輻射玻璃比浮法玻璃的傳熱系數(shù)分別降低23%和59%。
(2)夾層玻璃和低輻射夾層玻璃的保溫性能差別不大,但傳熱系數(shù)比浮法玻璃低12%~14%。
(3)低輻射玻璃比低輻射夾層玻璃的傳熱系數(shù)低42%,而低輻射中空玻璃的保溫性能較佳,表明低輻射膜夾在兩層玻璃之間無作用。這是因為膜層已直接成為熱傳導(dǎo)固態(tài)介質(zhì),其輻射熱絕緣系被直接傳導(dǎo)熱絕緣系數(shù)短路,而不能發(fā)揮低輻射效能。
(4)中空玻璃的保溫性能明顯高于單層和夾層玻璃。
(5)在規(guī)格相同的條件下:
低輻射中空玻璃的保溫性能優(yōu)于中空玻璃;低輻射中空玻璃傳熱系數(shù)隨膜的輻射率降低而降低;
低輻射中空玻璃內(nèi)充特殊氣體后,傳熱系數(shù)較小,節(jié)能效果較佳。從目前大量檢驗結(jié)果來看,低輻射中空玻璃充填特殊氣體后,傳熱系數(shù)較低為1.40 W/(1TI2·14)。若采用PVC塑料做窗框,就能滿足嚴寒地區(qū)使用要求。
2 真空玻璃
2.1 真空玻璃性能分析
(1)試驗方法:真空玻璃是一種新產(chǎn)品,目前國內(nèi)外無相應(yīng)標準。而它又不同于中空玻璃,因此不能完全按中空玻璃試驗方法進行。在試驗項目上,我們主要參考國家標準《中空玻璃)GB 11944—89的性能要求,試驗方法參照GB 7020、GB 13477及GB 16766等標準進行。試件分別經(jīng)高溫一高濕、低溫及浸水一紫外光照射處理后,采用處理前后熱絕緣系數(shù)變化值進行比對,以衡量其耐久性。
(2)試驗標準條件:t=23±2℃,中=60%±5%。
(3)真空玻璃性能測試結(jié)果及分析
①規(guī)格:3c+0.1+3c,檢驗依據(jù)GB 10294及GB 7020。試件在標準條件下放置7 d,測熱絕緣系數(shù)為0.214( ·K)/w(平均溫度t=13℃),相對偏差一1.9%;高溫一高濕試驗:試件在 :95%,(52±2)℃下加熱(140±1)min,然后在(25±2)℃冷卻(40±1)rain,循環(huán)250次后,在標準條件下放置7 d,測得熱絕緣系數(shù)為0,210(m2·K)/W(平均溫度t:13℃),相對偏差為一1.9%。
②規(guī)格:3c+0.1+3c,檢驗依據(jù):GB 10294及GB 13477等標準。試件在標準條件下放置7 d,測得熱絕緣系數(shù)為0.216(m2·K)/W(平均溫度t=13℃),相對偏差0.46%;耐低溫試驗:試件在t=(一23±2)℃下放置500 h后,在標準條件下放置7 d,測得熱絕緣系數(shù)為0.217(m2·K)/W,相對偏差為0.46%。
③規(guī)格:4c+0.1+4c,檢驗依據(jù):GB 10294及GB16776。試件在標準條件下放置7 d,測得熱絕緣系數(shù)為0.223(m2·K)/W(平均溫度t=14℃),相對偏差一I.3%;浸水一紫外光照射試驗:試件在紫外線老化箱中放置600 h后,在標準條件下放置7 d,測得熱絕緣系數(shù)為0.220(m2·K)/W,相對偏差為一1.3%。
④規(guī)格:1500mmx600mmx6.2mm,依據(jù)GB/T7106測試,抗風(fēng)壓性能為I級。
⑤低輻射真空玻璃熱絕緣系數(shù)值(見表2)
同時,低輻射真空玻璃的保溫性能優(yōu)于低輻射中空玻璃。這是因為,在中空玻璃中氣體傳熱仍然存在,使總熱絕緣系數(shù)值減小。
(4)采用單、雙面低輻射真空玻璃及低輻射真空+中空組合玻璃其保溫性能大大提高。按GB 50176《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》取內(nèi)、外表面換熱熱絕緣系數(shù)進行計算,傳熱系數(shù)分別為1.66 W/(m2·K)、1.24 W/(m2·K)、1.37 W/(m2·K),能滿足嚴寒地區(qū)節(jié)能保溫的要求。
(5)真空玻璃其厚度雖然只有6.2 mm左右,但抗風(fēng)壓性能卻達到I級,能滿足工程使用要求。
2.2 平開真空玻璃鍍塑鋁框保溫窗
在一20℃以下嚴寒地區(qū)采用普通雙層玻璃和中空玻璃時,結(jié)露現(xiàn)象非常嚴重。為了提高窗的保溫性能,解決的辦法:一是采用三層窗,在歐洲正大量推行三層密封平開窗,國內(nèi)現(xiàn)已有廠家開始生產(chǎn)采用三層密封、三層玻璃、主型材四腔室的型材,為采用三層窗創(chuàng)造了條件;二是采用低輻射中空玻璃和低輻射中空玻璃內(nèi)充特殊氣體;三是采用低輻射真空玻璃和低輻射真空+中空組合玻璃
上述3種方法各有優(yōu)缺點,但從耐久性、成本及施工等方面比較,采用低輻射真空玻璃其優(yōu)越性更大。表4為平開真空玻璃鍍塑鋁框保溫窗的檢驗結(jié)果。
3 真空玻璃的節(jié)能效果
試驗表明,真空玻璃具有良好的保溫性能,如果在建筑物上采用真空玻璃,其節(jié)能效果如何?我們以實測熱絕緣系數(shù)為依據(jù),采用塑鋼窗框,計算北京地區(qū)80住一2—4(為磚混結(jié)構(gòu))通用設(shè)計耗熱量指標。比較幾種窗型的節(jié)能效果(見表5),從而可以看出真空玻璃保溫性能的優(yōu)越性。
注:(1)中空玻璃和真空玻璃塑鋼窗的框窗比均為0.37;(2)建筑物外墻、屋頂、樓梯間內(nèi)墻、地面等圍護結(jié)構(gòu)都相同;(3)建筑節(jié)能率是與未采取節(jié)能措施建筑耗熱量指標31.68 W/m 相比較。
由表5司知:
(1)與采用雙層玻璃相比,采用真空玻璃后,窗戶的傳熱系數(shù)由4.0、I(m2·K)下降到2.23 W/(m2·K)。窗戶的傳熱耗熱占建筑物總耗熱比例由20.37%下降為13%。建筑物節(jié)能率由36.2%提高到42.7%。以100萬m2建筑為例,單是窗戶采用真空玻璃塑鋼窗,每年節(jié)約采暖能耗就達1220t標煤。
(2)與中空玻璃相比,真空玻璃傳熱耗熱占建筑物總耗熱的比例,由15.1%下降到13.0%,建筑物節(jié)能率由41%上升到42.7%,以100萬m2建筑為例,窗戶玻璃由中空玻璃改用真空玻璃,每年節(jié)約采暖能耗達320 t標煤。
(3)窗戶耗熱由傳熱耗熱和空氣滲透熱耗熱兩部分組成,盡管采用真空玻璃提高了玻璃保溫性能,但窗戶耗熱占建筑物總耗熱的比例仍高達33%以上。其原因是窗戶空氣滲透耗熱量大,占總耗熱量20%以上。在冬季,窗戶密閉,建筑物主要通過門窗縫隙與室外進行空氣交換,以保持空氣的衛(wèi)生質(zhì)量,而這種交換不可避免地將室內(nèi)熱量帶出室外。采用密封條增加門窗密封性,雖能減少滲透耗熱,但減少是有限的,計算中換氣次數(shù)為0.5次已是非常大較限,否則會嚴重影響室內(nèi)空氣衛(wèi)生質(zhì)量。因此,減少滲透耗熱,采取通風(fēng)措施,增加窗戶密閉性才是可取的。
(4)真空玻璃采用低輻射膜后,窗戶保溫性能大大提高,節(jié)能效果明顯。在真空玻璃上采用單面低幅射鍍膜或雙面低幅射鍍膜,該塑鋼窗的傳熱系數(shù)分別由未鍍膜的2.23 w/(m2·K)下降為1.56w/(m2·K)或1.29W/(m2·K)。如果仍以80住一2—4磚混建筑為例,窗戶改用單面低幅射真空玻璃塑鋼窗,使窗戶傳熱耗熱下降至10%以下,建筑物耗熱量指標也分別由18.16W/m2下降到17.39W/m2、17.08w/m2。建筑物節(jié)能率分別由42.7%提高到45.1%和46.1%。由此可見,采用真空玻璃可大幅度地提高窗戶保溫性能及建筑節(jié)能效果,為我國建筑節(jié)能趕上先進國家水平創(chuàng)
造了條件。
4 提高真空玻璃性能的幾點建議
(1)真空玻璃由于間層抽真空,因而氣體導(dǎo)熱及對流傳熱基本清理,輻射成為主要傳熱形式。因此,降低輻射傳熱是提高真空玻璃保溫性能的重要途徑之一。降低輻射傳熱有2種方法:一是采用低輻射膜:試驗證明真空玻璃采用低輻射膜后,膜的作用得到充分發(fā)揮,其保溫性能大大提高,并隨膜的輻射率降低而提高;二是采用多層真空玻璃組合形式:例如采用兩層真空玻璃組合后,雙層真空玻璃的當(dāng)量輻射系數(shù)是單層真空玻璃的1/2,而厚度為9.2 mm,小于中空玻璃厚度,但熱絕緣系數(shù)值成倍增加,將比中空玻璃熱絕緣系數(shù)大2~3倍。因此,采用多層真空玻璃也是提高玻璃保溫性能的有效途徑。
(2)我國地域遼闊,各地區(qū)氣候差異很大,窗玻璃的使用功能應(yīng)適應(yīng)各地區(qū)的使用要求。以保溫為主的嚴寒地區(qū),應(yīng)充分利用太陽輻射熱,可采用低輻射真空玻璃。對于夏熱冬暖以隔熱為主的地區(qū),應(yīng)減少太陽輻射熱進入室內(nèi),可采用鍍有陽光控制膜的真空玻璃,但要考慮窗戶的采光要求。所以,不同地區(qū)使用鍍膜真空玻璃時,應(yīng)根據(jù)膜的光、熱性能進行選擇,采用不同的組合方式,以達到較佳效果。
(3)增加間層的厚度,不僅可以改善隔聲性能,其保溫性能也將得到提高。
(4)采用兩塊厚度不同的玻璃,以改善采用同等厚度玻璃吻合頻率處隔聲量下降的現(xiàn)象,從而提高窗玻璃隔聲量。
(5)窗戶或幕墻是采暖和空調(diào)中的耗能大戶,據(jù)統(tǒng)計,在有空調(diào)的建筑物總能耗中,空調(diào)能耗占60%以上,其原因是窗玻璃的保溫隔熱性能差。為此,國內(nèi)外一直在研究如何改進窗戶的保溫隔熱性能。例如,國內(nèi)近幾年來弓l進了國外先進的鍍膜技術(shù),在玻璃表面上鍍膜,以解決房間夏天得熱和冬天失熱的問題。但這種方法還存在一定局限性,在冬冷夏熱地區(qū)難以達到較佳節(jié)能效果。美國在2O世紀90年代初開始研究“智能玻璃”,這種采用電致變色原理工作的“智能玻璃”經(jīng)過長期的試驗研究,已于2000年秋在美國正式投入生產(chǎn)。
5 結(jié)語
我國氣候的主要特點是冬寒夏熱,致使采暖空調(diào)能耗很大。從新世紀開始,我國將進入一體建設(shè)小康社會。在增進國民健康、提高舒適性的前提下有效利用能源、合理使用資源、減少溫室氣體排放、保護人類生存環(huán)境已是大勢所趨,人心所向。真空玻璃具有的性能和良好的性能價格比,必將得到社會和市場的廣泛認可,發(fā)展前景十分廣闊。
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