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1. 真空玻璃定義
真空玻璃是將兩片平板玻璃四周密閉起來(lái)，將其間隙抽成真空并密封排氣孔，兩片玻璃之間的間隙為 0.1～0.2mm。真空玻璃的兩片一般至少有一片是低輻射玻璃，這樣就將通過(guò)真空玻璃的傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射方式散失的熱降到最低。其工作原理與玻璃保溫瓶的保溫隔熱原理相同。真空玻璃是玻璃工藝與材料科學(xué)、真空技術(shù)、物理測(cè)量技術(shù)、工業(yè)自動(dòng)化及建筑科學(xué)等，多種學(xué)科、多種技術(shù)、多種工藝協(xié)作配合的碩果。真空玻璃的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
從原理上看真空玻璃可比喻為平板形保溫瓶，其與保溫瓶的相同點(diǎn)是兩層玻璃的夾層均為氣壓低于 10-1Pa 的真空，使氣體傳熱可忽略不計(jì)。兩者內(nèi)壁都鍍有低輻射膜，使輻射傳熱盡可能小。兩者不同點(diǎn)：一是真空玻璃用于門(mén)窗必須透明或透光，不能像保溫瓶一樣鍍不透明銀膜，鍍的是不同種類(lèi)的透明低輻射膜；二是從可均衡抗壓的圓筒型或球型保溫瓶變成平板，必須在兩層玻璃之間設(shè)置“支撐物”方陣來(lái)承受約 10 t/m2 的大氣壓力，使玻璃之間保持間隔，形成真空層。“支撐物”方陣間距根據(jù)玻璃板的厚度及相關(guān)力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)，在 20～50 mm 之間。為了減小支撐物“ 熱橋”形成的傳熱并使人眼難以分辨出支撐物的存在，支撐物直徑很小，目前產(chǎn)品中的支撐物直徑在0.3～0.5 mm之間，高度在 0.1～0.2 mm之間。
2 真空玻璃性能優(yōu)勢(shì)
Low-E 中空玻璃是市場(chǎng)上運(yùn)用最為普遍的節(jié)能玻璃品種，中空玻璃利用了空氣導(dǎo)熱系數(shù)低的特點(diǎn)。從傳熱學(xué)上講空氣雖然導(dǎo)熱系數(shù)較小，但畢竟還是要進(jìn)行熱傳導(dǎo)，其他氣體包括惰性氣體也一樣。中空玻璃由于氣體傳熱占主導(dǎo)地位，使提高 Low-E 玻璃性能來(lái)降低輻射熱的效果不明顯，用最好的 Low-E 玻璃(如輻射率在 0.02～0.04 之間)制造的中空玻璃，充以氬氣，K 值也只能作到 1.0～1.2 W/m2·K 左右。只有真空狀態(tài)才能消除氣體傳熱，使 Low-E 玻璃的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)。
2.1 真空玻璃傳熱機(jī)理
真空玻璃與中空玻璃的結(jié)構(gòu)不同，所以傳熱機(jī)理也有所不同。圖 2 為簡(jiǎn)化的傳熱示意圖，真空玻璃中心部位傳熱由輻射傳熱、支撐物傳熱及殘余氣體傳熱 3 部分構(gòu)成，而中空玻璃則由氣體傳熱(包括傳導(dǎo)和對(duì)流)和輻射傳熱構(gòu)成。
由此可見(jiàn)，要減小因溫差引起的傳熱，真空玻璃和中空玻璃都要減小輻射傳熱，有效的方法是采用鍍有低輻射膜的玻璃(Low-E 玻璃)，在兼顧其他光學(xué)性能要求的條件下，膜的發(fā)射率(也稱(chēng)輻射率)越低越好。兩者的不同點(diǎn)是真空玻璃不但要確保殘余氣體傳熱小到可忽略的程度，還要盡可能減小支撐物的傳熱，中空玻璃則要盡可能減小氣體傳熱。為了減小氣體傳熱并兼顧隔聲性及厚度等因素，中空玻璃的空氣層厚度一般為 9～24 mm，以 12 mm 居多；要減小氣體傳熱，還可用大分子量的氣體(如惰性氣體：氬、氪、氙)來(lái)代替空氣，但即便如此，氣體傳熱仍占據(jù)主導(dǎo)地位。
真空玻璃最基本的品種是標(biāo)準(zhǔn)真空玻璃，即一塊浮法玻璃加上一塊低輻射鍍膜玻璃(Low-E 玻璃)。北京新立基公司的半鋼化標(biāo)準(zhǔn)真空玻璃的產(chǎn)品參數(shù)如表 1 所示，從表1 中可以看出，僅是標(biāo)準(zhǔn)真空玻璃 K 值就可以達(dá)到 1.0 W/m2·K 以下，如果使用輻射率0.06 的雙銀 Low-E 玻璃標(biāo)準(zhǔn)真空玻璃 K 值可達(dá)到 0.5 以下。目前，Guardian、ST.Gobain和Interpane 等廠商生產(chǎn)的鋼化 Low-E 玻璃的輻射率已達(dá)到0.02～0.04，如果使用該性能的 Low-E 玻璃，真空玻璃的性能會(huì)更好。
2.2 真空玻璃的安全性能保證
普通玻璃通過(guò)深加工處理，使玻璃表面形成壓應(yīng)力層，玻璃強(qiáng)度會(huì)大大提高，可稱(chēng)為強(qiáng)化玻璃。又依表面壓應(yīng)力不同，分為鋼化玻璃和半鋼化玻璃兩個(gè)品種，其表面應(yīng)力如表 2 所示。在圖 1 所示的真空玻璃結(jié)構(gòu)中，兩片玻璃不是普通玻璃而是半鋼化玻璃，則稱(chēng)為“半鋼化真空玻璃”。
測(cè)試結(jié)果表明，按特定工藝制成的半鋼化玻璃的抗彎強(qiáng)度比普通玻璃高約 4 倍，雖然比鋼化玻璃略低，但不會(huì)發(fā)生自爆，對(duì)于高層門(mén)窗幕墻，使用半鋼化夾層玻璃，即使撞碎也不會(huì)有尖銳碎片傷人。因此，我國(guó)很多幕墻專(zhuān)家呼吁使用表面壓應(yīng)力 50 MPa 左右的半鋼化夾層玻璃作為高層幕墻玻璃的首選，既有一定強(qiáng)度，又達(dá)到安全、可靠的目的。
真空玻璃產(chǎn)品系列除了標(biāo)準(zhǔn)真空玻璃外，還有真空+中空、真空+夾膠和中空+真空+夾膠等復(fù)合結(jié)構(gòu)。其中真空+中空有單面或者雙面中空，可以提高真空玻璃的隔熱性能和安全性能；真空+夾膠有單面或者雙面夾膠，主要提高真空玻璃的安全性能。例如把真空玻璃看成一片原片，使用鋼化玻璃或夾層玻璃在真空玻璃的 2 個(gè)面上分別合一層中空玻璃，形成中空+真空+中空的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖 3。
把真空玻璃看成一片原片，在真空玻璃的 2 個(gè)面上分別合一層夾層玻璃，其結(jié)構(gòu)上等同于用兩片夾層玻璃制成的真空玻璃，見(jiàn)圖 4。
2.3 真空玻璃的節(jié)能效果分析
計(jì)算不同玻璃傳熱情況，真空玻璃以表 1 中序號(hào) 1 為例。按美國(guó)采暖制冷空調(diào)工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，夏季室外溫度 31.7℃，室內(nèi)溫度 23.9℃。當(dāng)太陽(yáng)輻射通量 Φe 為 783 W/m2，3 mm玻璃透過(guò)率 τs=0.87，則此真空玻璃的相對(duì)增熱：
正號(hào)表示熱功率從室外傳向室內(nèi)，是“得熱”。此相對(duì)增熱中將近 98.8% 是太陽(yáng)輻射(計(jì)算中的第二項(xiàng))引起的。
按ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)，冬季夜間室外溫度 -17.8℃，室內(nèi)溫度 21.1℃，此時(shí)相對(duì)增熱
負(fù)號(hào)表示熱功率從室內(nèi)傳向室外，是“失熱”。
表 3 列出表 2 中兩種真空玻璃與中空玻璃及單片玻璃的夏季得熱和冬季失熱的數(shù)據(jù)(根據(jù) ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算)從表 3 數(shù)據(jù)可見(jiàn)，使用 Low-E 真空玻璃在冬季特別是寒冷地區(qū)優(yōu)勢(shì)明顯，是單玻能量損失的 1/8，是中空玻璃的 1/4，約是相同 Low-E 中空玻璃的 1/3，節(jié)能效果顯著。在陽(yáng)光充足地區(qū)或陽(yáng)光照射時(shí)間長(zhǎng)的立面，夏季得熱仍較大，還需采用遮陽(yáng)措施或采用遮陽(yáng)系數(shù)更低的 Low-E 真空玻璃，如序號(hào) 2 單 Low-E 真空玻璃相比序號(hào) 2 能夠?qū)⑦M(jìn)入室內(nèi)的熱量減少 1/2。
3 真空玻璃的其他特點(diǎn)
真空玻璃除了具有較低的傳熱系數(shù)、減少能量損失、降低建筑能耗外，還具有以下特點(diǎn)。
3.1 防結(jié)露性能好
由于真空玻璃傳熱系數(shù) K 值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中空玻璃，所以能夠很好地阻止環(huán)境熱量傳遞至冷柜內(nèi)部，即真空玻璃具有“保冷”效果，從而能夠減少壓縮機(jī)啟動(dòng)的次數(shù)，降低能耗。此外，真空玻璃具有很好的防結(jié)露性能，玻璃表面無(wú)需粘貼電熱膜，又進(jìn)一步降低了能耗。
3.2 隔聲性能好
特別是低頻段隔聲性能優(yōu)于同樣厚度玻璃構(gòu)成的中空玻璃。真空層是隔聲的，真空玻璃中由于有支撐物形成“聲橋”，使隔聲性能有所下降，但仍比普通玻璃好。半鋼化玻璃中支撐物數(shù)量大大減少，少于普通真空玻璃的四分之一。
3.3 使用范圍廣
由于間隔是真空，因而不存在中空玻璃水平放置時(shí)氣體熱導(dǎo)變化問(wèn)題，不存在中空玻璃運(yùn)到高原低氣壓地區(qū)的脹裂問(wèn)題。
3.4 抗風(fēng)壓強(qiáng)度高
由于兩片玻璃形成剛性聯(lián)結(jié)，抗風(fēng)壓強(qiáng)度高于同等厚度玻璃構(gòu)成的中空玻璃。比如，4 mm 玻璃構(gòu)成的真空玻璃，抗風(fēng)壓強(qiáng)度高于 8 mm 厚玻璃，是 4 mm 玻璃構(gòu)成的中空玻璃的一倍半以上
3.5 使用壽命長(zhǎng)
由于是全玻璃材料密封，內(nèi)部又加有吸氣劑，所用的 Low-E 膜是“硬膜”，不是易氧化變質(zhì)變色的離線“軟膜”，只要制造工藝和設(shè)備先進(jìn)，真空玻璃使用壽命遠(yuǎn)比用有機(jī)材料密封的中空玻璃長(zhǎng)得多。
表 3 列出表 2 中兩種真空玻璃與中空玻璃及單片玻璃的夏季得熱和冬季失熱的數(shù)據(jù)(根據(jù) ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算)從表 3 數(shù)據(jù)可見(jiàn)，使用 Low-E 真空玻璃在冬季特別是寒冷地區(qū)優(yōu)勢(shì)明顯，是單玻能量損失的 1/8，是中空玻璃的 1/4，約是相同 Low-E 中空玻璃的 1/3，節(jié)能效果顯著。在陽(yáng)光充足地區(qū)或陽(yáng)光照射時(shí)間長(zhǎng)的立面，夏季得熱仍較大，還需采用遮陽(yáng)措施或采用遮陽(yáng)系數(shù)更低的 Low-E 真空玻璃，如序號(hào) 2 單 Low-E 真空玻璃相比序號(hào) 2 能夠?qū)⑦M(jìn)入室內(nèi)的熱量減少 1/2。
3 真空玻璃的其他特點(diǎn)
真空玻璃除了具有較低的傳熱系數(shù)、減少能量損失、降低建筑能耗外，還具有以下特點(diǎn)。
3.1 防結(jié)露性能好
由于真空玻璃傳熱系數(shù) K 值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中空玻璃，所以能夠很好地阻止環(huán)境熱量傳遞至冷柜內(nèi)部，即真空玻璃具有“保冷”效果，從而能夠減少壓縮機(jī)啟動(dòng)的次數(shù)，降低能耗。此外，真空玻璃具有很好的防結(jié)露性能，玻璃表面無(wú)需粘貼電熱膜，又進(jìn)一步降低了能耗。
3.2 隔聲性能好
特別是低頻段隔聲性能優(yōu)于同樣厚度玻璃構(gòu)成的中空玻璃。真空層是隔聲的，真空玻璃中由于有支撐物形成“聲橋”，使隔聲性能有所下降，但仍比普通玻璃好。半鋼化玻璃中支撐物數(shù)量大大減少，少于普通真空玻璃的四分之一。
3.3 使用范圍廣
由于間隔是真空，因而不存在中空玻璃水平放置時(shí)氣體熱導(dǎo)變化問(wèn)題，不存在中空玻璃運(yùn)到高原低氣壓地區(qū)的脹裂問(wèn)題。
3.4 抗風(fēng)壓強(qiáng)度高
由于兩片玻璃形成剛性聯(lián)結(jié)，抗風(fēng)壓強(qiáng)度高于同等厚度玻璃構(gòu)成的中空玻璃。比如，4 mm 玻璃構(gòu)成的真空玻璃，抗風(fēng)壓強(qiáng)度高于 8 mm 厚玻璃，是 4 mm 玻璃構(gòu)成的中空玻璃的一倍半以上
3.5 使用壽命長(zhǎng)
由于是全玻璃材料密封，內(nèi)部又加有吸氣劑，所用的 Low-E 膜是“硬膜”，不是易氧化變質(zhì)變色的離線“軟膜”，只要制造工藝和設(shè)備先進(jìn)，真空玻璃使用壽命遠(yuǎn)比用有機(jī)材料密封的中空玻璃長(zhǎng)得多。
