真空玻璃在節(jié)能外窗中的應(yīng)用和效果

【中玻網(wǎng)】一、前言
　　
　　外窗是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能的較薄弱環(huán)節(jié)，通過外窗散失的熱量占到建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱量損失的一半左右，因此外窗是建筑節(jié)能的關(guān)鍵。“十二五”期間，北京市發(fā)布了《居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(DB11/891-2012)，對建筑提出了節(jié)能75%的要求，建筑外窗的傳熱系數(shù)限值由“十一五”期間的2.8W/(m2·K)降低至1.5—2.0W/(m2·K)，對節(jié)能外窗的研發(fā)提出了要求。為此，北京市建設(shè)工程物資協(xié)會籌備了科研研所、大專院校、企業(yè)等聯(lián)合研發(fā)K值為1.5—2.0W/(m2·K)的高節(jié)能建筑外窗產(chǎn)品。
　　
　　玻璃占據(jù)外窗面積70%以上，成為外窗節(jié)能的要點(diǎn)。真空玻璃采用真空技術(shù)，可有效降低兩片玻璃之間的輻射換熱，因而具備更高的節(jié)能效果，成為繼普通中空玻璃、Low-E低輻射中空玻璃之后進(jìn)一步降低外窗傳熱系數(shù)時的必然選擇。
　　
　　本文在對中歐建筑外窗節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合真空玻璃的特點(diǎn)，通過軟件模擬得到了不同種類型材真空玻璃窗的傳熱系數(shù)值，并研究了真空玻璃窗的節(jié)能效果，對真空玻璃的合理選用具有重要意義。
　　
　　二、中歐建筑外窗節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對比研究
　　
　　早在20世紀(jì)70年代石油危機(jī)之后，北歐國家就制定了嚴(yán)格的建筑節(jié)能法規(guī)。當(dāng)時瑞典規(guī)定外窗的傳熱系數(shù)限值為2.0W/(m2·K)，芬蘭為2.1W/(m2·K)；德國早在1994年就要求外窗傳熱系數(shù)達(dá)到1.8W/(m2·K)，到2009年時要求外窗的傳熱系數(shù)為1.3W/(m2·K)，2013年達(dá)到1.0W/(m2·K)以下，德國各階段建筑節(jié)能法規(guī)的外窗傳熱系數(shù)限值見表1。
　　
　　從總的建筑節(jié)能指標(biāo)來說，我國的建筑節(jié)能工作經(jīng)歷了節(jié)能30%、50%和65%三個階段，對比的基準(zhǔn)為1986年建造的房屋。以北京地區(qū)為例，基準(zhǔn)建筑的外窗K值限值為6.4W/(m2·K)，即20世紀(jì)80年代的水平，單層玻璃外窗即可實(shí)現(xiàn)；建筑節(jié)能50%時，外窗K值要求為3.2W/(m2·K)，中空玻璃成為必選配置，目前已成為北京地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)配置；建筑節(jié)能65%時，外窗K值限值為2.8W/(m2·K)，部分產(chǎn)品需要配備Low-E玻璃才能達(dá)到要求。根據(jù)我國建筑門窗節(jié)能性能標(biāo)識產(chǎn)品保溫性能統(tǒng)計結(jié)果可以看到，目前我國絕大多數(shù)采用Low-E中空玻璃的鋁合金窗產(chǎn)品K值為2.0~2.8W/(m2·K)，塑料窗K值為1.8~2.6W/(m2·K)。北京地區(qū)建筑外窗保溫性能K值限值2013年提高2.0W/(m2·K)，相當(dāng)于德國20世紀(jì)90年代的水平，但是目前市場上的主流產(chǎn)品的節(jié)能技術(shù)已難以滿足此要求。
　　
　　建筑外窗的熱量損失主要通過玻璃、型材及玻璃邊緣傳遞，占據(jù)整窗面積70%的玻璃成為外窗節(jié)能的關(guān)鍵�？梢钥闯�，隨著節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的提高，外窗的玻璃配置發(fā)生了根本的變化，由單層玻璃到中空玻璃，再到Low-E中空玻璃；目前，Low-E中空玻璃已很難滿足新節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求，必然要求更新、更高節(jié)能的玻璃系統(tǒng)，真空玻璃正是符合這一趨勢的高節(jié)能外窗產(chǎn)品。
　　
　　三、真空玻璃性能研究
　　
　　真空玻璃由兩塊平板玻璃構(gòu)成，玻璃板之間用高度為0.1~0.2mm的支撐物隔開，其中一片玻璃上留有抽氣孔，四周使用玻璃焊料將兩片玻璃封接起來，真空排氣后用金屬片將抽氣口封住形成真空腔。
　　
　　為了進(jìn)一步降低兩片玻璃之間的輻射換熱，真空玻璃通常選用一片低輻射膜玻璃。真空玻璃也可以通過中空或夾膠的方式與另外一片玻璃組合，稱為“復(fù)合真空玻璃”。Low-E真空玻璃與其它玻璃相比具有更高的隔熱保溫、隔聲、防結(jié)露性能，真空玻璃隨著Low-E玻璃輻射率的降低，傳熱系數(shù)逐漸降低，較低可達(dá)到0.47W/(m2·K)，遠(yuǎn)低于中空玻璃。同時，真空玻璃還具有水平安裝時傳熱系數(shù)不變的優(yōu)勢，而中空玻璃水平安裝后K值增加約30%。
　　
　　2、防結(jié)露性能：真空玻璃四周密封，內(nèi)部為真空狀態(tài)，不存在結(jié)露的可能性。室外溫度較低時，真空玻璃室內(nèi)側(cè)表面溫度高于其他各種玻璃。正常情況下，真空玻璃室內(nèi)側(cè)表面溫度高于結(jié)露點(diǎn)，所以在室外溫度降到很低時，依然可以保持玻璃表面潔凈通透。以室內(nèi)溫度為20℃，濕度為70%為例，各種玻璃室內(nèi)表面結(jié)露時臨界室外溫度見表3，真空玻璃可以非常大地降低玻璃的結(jié)露可能性。
　　
　　3、隔聲性能：由于聲波需要空氣等介質(zhì)傳遞，而真空玻璃的真空層幾乎沒有空氣，因而隔聲效果良好。測試結(jié)果表明，半鋼化/鋼化真空玻璃的計權(quán)隔聲量較高可達(dá)37dB，而等效厚度的單片玻璃和普通中空玻璃的計權(quán)隔聲量約為31dB。真空玻璃具有優(yōu)良的低頻隔聲性能，適用于臨街、鐵路和機(jī)場附近。真空玻璃與中空玻璃或夾膠玻璃復(fù)合之后隔聲性能可達(dá)42dB，具備更優(yōu)良的隔聲性能。
　　
　　4、減少“冷輻射”：所謂“冷輻射”，是指寒冷的墻壁或窗對身體造成的輻射。這種輻射會使人感覺不舒服，且會造成年人體傷害。而“冷輻射”與玻璃的保溫性能密切相關(guān)，玻璃的保溫性能越差，內(nèi)表面溫度越低，對人體的冷輻射越嚴(yán)重。以室內(nèi)溫度為20℃，室外溫度為-10℃為例，計算比較各種玻璃表面溫度，見表4�？梢姡谙嗤h(huán)境下，真空玻璃室內(nèi)側(cè)玻璃表面溫度遠(yuǎn)高于其他玻璃表面溫度。
　　
　　5、使用壽命長：真空玻璃周邊及封口材料、內(nèi)部支撐物均為無機(jī)材料，舒緩老化性能優(yōu)良；同時，真空玻璃內(nèi)部放置了吸氣材料，理論計算表明，吸氣材料可以保證真空玻璃內(nèi)部真空度50年以上。此外，真空層可使Low-E膜得到很好的保護(hù)，不會發(fā)生膜層氧化、脫膜等失效現(xiàn)象。
　　
　　6、適用地區(qū)廣：真空玻璃內(nèi)部為真空狀態(tài)，可應(yīng)用于平原及高海拔地區(qū)，而不存在中空玻璃運(yùn)到高原低氣壓地區(qū)的脹裂問題；此外，真空玻璃具有輕薄的特點(diǎn)，也可以與中空或夾膠進(jìn)行復(fù)合，可滿足不同情況下的需求。
　　
　　四、真空玻璃在節(jié)能外窗中的應(yīng)用研究
　　
　　真空玻璃具備優(yōu)異的隔熱保溫性能，可與不同的型材組合達(dá)到不同節(jié)能效果的外窗產(chǎn)品。按照J(rèn)GJ/T151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》中整窗傳熱系數(shù)的計算方法，對配合不同型材的真空玻璃窗進(jìn)行K值計算，
　　
　　針對不同的標(biāo)準(zhǔn)要求，可以選擇真空玻璃與不同的型材組合，例如DB11-891-2012《北京居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中提出的1.5-2.0W/(m2·K)的要求，采用斷橋鋁合金框與真空玻璃組合即可滿足要求；對于國外的零能耗建筑要求整窗K值低于1.0W/(m2·K)的，可以采用玻璃鋼或木窗與真空玻璃組合。由于窗框型材種類繁多，可根據(jù)具體的型材采用window7和therm7進(jìn)行詳細(xì)計算選用。
　　
　　真空玻璃應(yīng)用于實(shí)際工程的節(jié)能效果也是非常優(yōu)異的，以北京某辦公樓為例，按照表6所列數(shù)據(jù)取值，使用冬夏季累計評價法進(jìn)行節(jié)能計算。計算結(jié)果表明，使用真空玻璃相對于Low-E中空玻璃的冬夏季綜合節(jié)能率可達(dá)到88.6%，夏季節(jié)約空調(diào)能耗33072kwh，冬季節(jié)約采暖能耗492644kwh，即全年節(jié)約能耗525716kwh。與此相對應(yīng)的污染物減排量見表7。
　　
　　五、結(jié)論
　　
　　通過以上研究，可得結(jié)論如下：1、我國的外窗的節(jié)能技術(shù)水平與歐洲國家相比還有非常大差距，占據(jù)整窗面積70%的玻璃成為外窗節(jié)能的關(guān)鍵。隨著我國建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的提高，我國建筑外窗的節(jié)能技術(shù)必然要提高，真空玻璃成為高節(jié)能建筑外窗的必選手段之一。2、真空玻璃具有良好的保溫隔熱性能、防結(jié)露性能、隔聲性能、減少“冷輻射”、使用壽命長和適用地區(qū)廣的特點(diǎn)，可一體改善節(jié)能窗的性能。3、真空玻璃和不同型材組合可得到不同保溫性能的節(jié)能窗產(chǎn)品，可滿足不同節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求；真空玻璃節(jié)能效果優(yōu)異，在文章所述建筑中，真空玻璃相對于Low-E中空玻璃的冬夏季綜合節(jié)能率可達(dá)到88.6%，可有效減少污染物排放量。