关于真空玻璃的综合性能优势分析

真空玻璃是新型玻璃深加工产品，是我国玻璃工业中为数不多的具有自主知识产权的前沿产品，它的研发推广符合我国鼓励自主创新的政策，也符合国家大力提倡的节能政策，具有良好的发展潜力和前景。
　　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10-1pa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-0.5之mm间，高度在0.1mm-0.2mm之间。真空玻璃的结构如图1所示。


　　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。图2为简化的传热示意图，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。


　　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），在兼顾其它光学性能要求的条件下，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，目前新立基公司根据自有专利采用直径0.5mm的开口环形（或称C型）支撑物，点阵间距25mm，其热导约为0.5Wm-2k-1。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9-24mm，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。
　　表1所列的是目前国内市场可用于真空玻璃生产的三种low-E玻璃，此三种low-E玻璃上镀有“在线”Low-E膜或带保护层的“离线”“硬”Low-E膜，二者均可耐500℃高温。



　　一般均匀材料用导热系数(热导率)λ表征其导热性能。其定义为：在稳态条件下，1m厚的物体，两侧表面温度差为1K时，单位时间内通过1m2 面积传递的热量。我国法定单位为Wm-1K-1。
　　真空玻璃不是均匀连续材料，是一薄片结构。为了便于与其它保温材料比较其性能，常引用“表观导热系数”或称“折算导热系数”的概念。其含义可想象成将许多片真空玻璃叠合到1m厚时，其导热系数的值。
实际上根据下式即可方便地算出表观导热系数

　　式中C为真空玻璃热导，单位为Wm-2K-1
　　式中d为真空玻璃厚度，单位为m
　　由此可算出表2中4种真空玻璃的表观导热系数列于同一表最后一栏中。
　　表3 列出几种常见建筑材料的导热系数


　　对比可知，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GB4272-92标准规定的保温材料导热系数界定值0.12Wm-1K-1 小十多倍，说明它是性能极优良的保温隔热体。
　　如果以表3中红砖墙为例形象地比喻，不难算出表2中序号1至4的4种真空玻璃分别相当于厚为0.60m,0.66m,0.86m和1.10m红砖墙的保温性能。
　　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。表4序号1至4给出表2中同样4组玻璃制成的普通中空玻璃的参数，序号5－8则是同样4组玻璃制成充氩气中空玻璃的参数。

　　*12A 表示12mm空气　　　　 4L表示4mm Low-E玻璃
　　12Ar表示12mm氩气　　　 4表示4mm白玻
　　*表内参数均为用window4.1软件计算值
　　由表2和表4的结果对比可知，真空玻璃的K值比中空玻璃低得多，而且还兼有下列优点：
　　1．由于热阻高，防结露结霜性能更好。
　　2．由于间隔是真空，因而具有下列优点：
　　隔声性能好，特别是低频段隔声性能优于同样厚度玻璃构成的中空玻璃
　　不存在中空玻璃存在的内结雾结露问题
　　不存在中空玻璃水平放置时气体热导变化问题
　　不存在中空玻璃运到高原低气压地区的胀裂问题
　　3． 由于两片玻璃形成刚性连结，抗风压强度高于同等厚度玻璃构成的中空玻璃。比如，4mm玻璃构成的　真空玻璃，抗风压强度高于8mm厚玻璃，是两片4mm 玻璃构成的中空玻璃的一倍半以上。
　　4． 由于是全玻璃材料密封，内部又加有吸气剂，所用的Low-E膜是“硬膜”，不是易氧化变质变色的离线“　软膜”，只要制造工艺和设备先进，真空玻璃使用寿命远比用有机材料密封的中空玻璃长得多。
　　5． 厚度比中空玻璃薄一倍以上，不仅可节省窗框材料，而且可以当成一片玻璃配合其它玻璃深加工技术　组合成夹层真空、“真空+中空”、“自洁真空”等具有各种性能的“组合真空玻璃”。这种与其它深加工技术　的兼容性，不仅可促进其它技术的发展，同时也正好可弥补真空玻璃的不足之处。例如目前还不能制造　钢化真空玻璃，但可利用组合技术来解决安全性问题。
　　因此，真空玻璃的特点使其具有综合性能优势。
　　上面提到的组合真空玻璃种类很多，现已研发成功或正在研发的如：
　　1．真空夹层玻璃
　　目前，已生产或正研发的夹层玻璃有两种，如图5所示


　　图3所示的是单面夹层结构，也可以做成双面夹层结构， EVA膜（也称EN膜）厚度约为0.4和0.7mm两种。聚碳酸酯板厚度约为1.2mm。附加玻璃板在2.5mm到5mm之间选用，也可用钢化玻璃。其特点是安全性和防盗性，同时其传热系数、隔声及抗风压等性能也优于真空玻璃原片，总厚度也比较薄。由于玻璃和夹胶层的热导较大，对热阻贡献较小，因而真空夹层玻璃的传热系数只比真空玻璃略小，但隔声性能会有较大提高。
　　2．“真空+中空”组合真空玻璃
　　其结构如图4所示

　　此种结构相当于把真空玻璃当成一片玻璃再与附加玻璃板合成中空，附加玻璃板厚度一般选5或6mm的钢化玻璃，放在建筑物外侧，也可以做成“中空+真空+中空”的双面中空组合形式。
　　此类组合除解决安全性外，其隔热隔声性能也都有提高。特别是附加玻璃板也选用
Low－E钢化玻璃时更使传热系数降低。
　　计算这种组合玻璃时首先要从原理上认识到，在我们所讨论的温度和温差范围内，热辐射波长是在远红外4—40μm波段，钠钙玻璃对此波段的电磁辐射基本上不透明，所以在计算三块以上玻璃的辐射热阻时，不必考虑透过第一块的辐射对第三块的影响，只要分段计算再相加即可，所以如果“真空+中空”组合的总热阻为R组合，可写成　　： R组合=R+R中空
　　式中R是真空玻璃的热阻
　　R中空 是用两块与附加玻璃板等厚的玻璃制成的中空玻璃的热阻
　　算出的R组合只多算了一片玻璃的热阻，误差很小。
　　例如，用表2中序号3的真空玻璃与表4中序号3 的中空玻璃组合成4L+0.15V+4+12A+4L的“真空+中空”玻璃时，R组合=（1.06+0.385）W-1m2K=1.45W-1m2K
　　由此可计算出K值为0.63 Wm-2K-1.
　　北京天恒大厦及清华大学超低能耗示范楼等建筑都使用了“中空+真空+中空”结构,都达到K值<1的目标。其隔声量也都达到36dB以上水平。
　　3．“真空夹层+中空”结构
　　此结构如图5所示。

　　此种结构传热系数与上述“真空+中空”相近，但此结构的优点除传热系数低并解决了安全性之外，厚度比“中空+真空+中空”薄，而且由于真空玻璃两侧不对称，减小了声音传播的共振，使隔声性能提高。
　　曾为北京某音乐教学楼制作了样品，为6+0.38EVA+4L+0.15V+4+12A+6结构，总厚度32.5mm,经清华大学建筑物理实验室实测计权隔声量为42dB，离[size=1em]玻璃幕墙国家标准计权隔声量最高级只差3dB。传热系数可在0.7-0.9Wm-2k-1之间，由LOW-E玻璃的选取来确定。
　　4．双真空层真空玻璃
　　其结构如图6所示

　　依据前面2中提到的原理，此种结构的总热阻可看成两片真空玻璃热阻之和，如果是相同结构的真空玻璃，总热阻则为单一真空玻璃的两倍
　　即 R双真空=2R
　　式中R是单一真空玻璃的热阻
　　例如仍以表2序号3 的真空玻璃为例，构成如图6A“4L+0.15V+4+0.15V+4L”或如图B“4L+0.15V+4L+0.15V+4”的双真空玻璃.
　　则R双真空=2×1.06W-1m2K=2.12 W-1m2K
　　可算出K值为0.44 Wm-2K-1
　　应该说明,图6中A和B两种结构中Low-E膜的位置不同,不影响K值,只影响实际使用时三片玻璃的温度分布。
　　双真空玻璃的热阻高,K值低,而且很薄,可做到约9mm厚,也可以制成双真空层夹层安全玻璃,具有很好的发展潜力。
　　随着科学技术发展，新材料、新工艺、新技术不断出现，真空玻璃本身的质量将会不断提高。生产工艺和设备也将不断更新，产量会不断扩大，成本也会不断降低。组合真空玻璃的品种也会不断增多。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1Wm-2k-1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1.7 Wm-2k-1 ，总厚度约410mm的37空心砖墙（外加厚砂浆）的传热系数已接近1 Wm-2k-1 。各种新型墙体的传热系数已可降到0.4至0.8 Wm-2k-1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6.1 Wm-2k-1，比墙体差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。三十多年前，在第一次石油危机之后，国外科学家就提出研制传热系数小于1的玻璃窗，称之为“超级玻璃窗”（Superwindows）。真空玻璃的出现，使这一设想成为轻易之举，双真空玻璃的出现，更将使我们进入“超级真空玻璃窗”阶段。