真空玻璃技術(shù)的性能及應(yīng)用分析

真空玻璃技術(shù)的性能及應(yīng)用分析

作為工業(yè)、交通和建筑的三大主要能耗之一，中國的建筑能耗占全球社會設(shè)備的27.5%，單位面積的能耗是發(fā)達(dá)國家的2.3倍。中國的建筑95%左右都是高能耗建筑,尤其是大型公共建筑能耗一直處于較高水平,而其中約50%～80%通過門窗采暖或制冷散失。能源安全事關(guān)國家經(jīng)濟安全大局,建筑門窗節(jié)能已成為世界各國研究攻關(guān)的重點課題。國家的能源狀況、建筑節(jié)能的壓力、節(jié)能玻璃的市場需求,迫切需要加強新穎建筑節(jié)能玻璃的開發(fā)研制,真空玻璃(vacuumglazing)技術(shù)則是建筑節(jié)能領(lǐng)域?qū)ΣＡнM(jìn)行深加工的一項高新技術(shù)。與普通玻璃和中空玻璃比較有種種優(yōu)勢,真空玻璃隔熱保溫性能、防結(jié)露結(jié)霜性能、隔聲性能、抗風(fēng)壓性能等熱工性能優(yōu)異,環(huán)保節(jié)能降耗效果明顯,是新一代應(yīng)對氣候變化的節(jié)能玻璃。1真空玻璃的工作原理和性能特點本節(jié)基于熱量傳遞理論知識,分析真空玻璃工作原理及性能。1.1玻璃傳熱的途徑熱量傳遞有三條途徑,即直接傳導(dǎo)、空氣對流和熱輻射。由于真空玻璃腔內(nèi)沒有空氣,既沒有直接傳導(dǎo)介質(zhì),也不能形成對流,這樣就把傳導(dǎo)和對流條件破壞,提高了真空玻璃的熱阻。一般地,生產(chǎn)真空玻璃的兩片玻璃中,一片是LOW-E膜玻璃,其金屬膜在真空腔內(nèi),既不能氧化、保證使用壽命,又使其反射紅外線的效率得到充分發(fā)揮,從而又有效地降低了輻射熱傳播。通過建筑物玻璃傳熱的途徑主要有兩部分:一是由室內(nèi)外溫差引起的傳熱Qg,二是太陽輻射引入的傳熱Qf,二者之和稱為相對增熱,用RHG(RelativeHeatGain)表示RHG=Qg+Qf=U(To-Ti)+Sc×SHGF(1)式(1)中,U為傳熱系數(shù),也稱U值(美國標(biāo)準(zhǔn))或K值(中國和歐洲標(biāo)準(zhǔn)),To為室外溫度,Ti為室內(nèi)溫度。傳熱系數(shù)含義是當(dāng)室內(nèi)外空氣溫差為1℃時,單位時間內(nèi)通過單位面積的玻璃窗室內(nèi)外空氣間傳遞的熱量,中國法定單位為公制單位Wm-2·K-1。Sc為遮陽系數(shù),其含義是透過玻璃的太陽輻射總透射比g與3mm厚普通平板玻璃的太陽輻射總透射比τs的比值,即Sc=g/τs。Sc越高說明透過的太陽輻射比例越高。SHGF(SolarHeatGainFactor)為太陽輻射得熱因子,其含義是當(dāng)時當(dāng)?shù)?、單位時間內(nèi)透過3mm厚普通玻璃的太陽輻射能量,單位是Wm-2。如圖1所示,真空玻璃是將兩片玻璃四周密閉起來,將其間隙抽成真空并密封排氣孔,兩片玻璃之間留有間隙(如0.1～0.2mm),將通過真空玻璃的傳導(dǎo)、對流和輻射方式散失的熱量降到最低,其工作原理與保溫瓶的保溫隔熱原理相同。1.2真空玻璃的性能特征真空玻璃具有如下性能特點。1.2.1中空玻璃門診節(jié)能特點真空玻璃門窗(傳熱系數(shù)K=0.8～1.5W·m-2·K-1)比中空玻璃門窗(傳熱系數(shù)K=2.2～3.0W·m-2·K-1)節(jié)能提高了兩倍以上。使用真空玻璃門窗后,節(jié)省了空調(diào)的制熱制冷費用同時還極大地提高了居室內(nèi)的舒適度。1.2.2隔聲性能分析由于真空玻璃結(jié)構(gòu)上的特點,即真空層的存在,沒有聲音傳遞介質(zhì)就阻隔了聲音的傳遞,其隔聲性能(真空玻璃整窗系統(tǒng)隔聲量RW=39～45dB)比專業(yè)隔聲窗(隔聲量RW=35dB左右)的隔聲效果還要好,可保持室內(nèi)寧靜空間,克服噪聲污染。1.2.3防雨暴露真空玻璃的熱阻很大,真空腔內(nèi)無空氣,也無水汽分子,即使室內(nèi)外溫差達(dá)到50℃也不會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象,令視野清晰開闊。1.2.4安全性能好從安全角度考慮,真空玻璃門窗外層可作鋼化、夾膠等安全玻璃,以增加強度,提高安全性。2真空玻璃的主要技術(shù)和自支持真空隔離結(jié)構(gòu)本節(jié)介紹制造真空玻璃的關(guān)鍵技術(shù)及難點,提出凸點自支撐真空隔離結(jié)構(gòu),為其后的研究工作提供新思路基礎(chǔ)。2.1保溫瓶到平板真空玻璃目前,國際上真空玻璃技術(shù)尚處于起步階段,其制造技術(shù)涉及到真空絕熱、硅酸鹽、機械、低熔點焊接、密封、消氣、封頭、支撐等多個學(xué)科的多項技術(shù),特別是兩平板玻璃之間的支撐技術(shù)和封邊封頭技術(shù),都屬于高難度技術(shù)。人類是在發(fā)明保溫瓶之后整整100年,才由悉尼大學(xué)發(fā)明了與其保溫隔熱原理相同的平板真空玻璃,可見其難度之大。要實現(xiàn)從保溫瓶到平板真空玻璃的飛躍,有三大難題:①與保溫瓶不同,真空玻璃是一個小容積、大表面積而又狹窄扁平的玻璃真空腔體,又要快速抽真空以使殘余氣體降到可以對熱傳導(dǎo)忽略不計的程度,并長期保持其真空度;②與保溫瓶圓柱體容易抗壓不同,真空玻璃只有使用支撐物來承受10000kg/m2的壓力,該支撐物使真空玻璃產(chǎn)品滿足建筑玻璃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)所要求的強度和壽命,這就必須對支撐物的物理化學(xué)性能以及幾何形狀、幾何分布做出精心設(shè)計;③比保溫瓶更難的是,真空玻璃是門窗用透明材料,在抽氣口、支撐物的設(shè)計和選料上,要不影響透明和美觀。2.2布點支撐真空隔離技術(shù)從全球看,中國真空玻璃技術(shù)水平處于前沿,但是傳統(tǒng)思維模式是基于在現(xiàn)有兩塊平板玻璃間外加支撐物(每平米1600多個)隔離出空間的真空隔離方法,因此有如下缺陷:①支撐物材料選擇及制作難;②金屬支撐物熱導(dǎo)率高,通透性不理想;③外加支撐物布點多,均勻布點難,成品后易脫落(難以滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn));④生產(chǎn)成本高,成品率低;⑤自動化生產(chǎn)難實現(xiàn),綜合技術(shù)難推廣;⑥不能實現(xiàn)異型等。2009年,海南發(fā)明人李方順提出筋條自支撐真空隔離方法,顛覆了布點支撐方法。如圖2所示,筋條自支撐真空隔離方法就是通過對玻璃原片進(jìn)行二次加工,直接在玻璃上建立支撐筋條,這就跳出了困擾科學(xué)家100年的外加支撐點的真空隔離結(jié)構(gòu),從而使真空玻璃的生產(chǎn)工藝技術(shù)易于實現(xiàn),自動化生產(chǎn)瓶頸得以突破,產(chǎn)品質(zhì)量控制得以保證。還可實現(xiàn)異形真空玻璃,使真空玻璃的推廣應(yīng)用領(lǐng)域得以更大拓展。在此基礎(chǔ)上,本研究提出一種凸點自支撐真空隔離構(gòu)件,包括組合板材以及凸起。組合板材中至少一個板材的一側(cè)或者兩側(cè)板面上設(shè)有點狀凸起,另一個板材則可以直接采用普通的玻璃,如圖3所示。與筋條自支撐真空隔離方法相比,可提高加工效率,降低生產(chǎn)成本。3中空玻璃和真空玻璃的k值比較見表1表1列出單片玻璃、中空玻璃及真空玻璃的傳熱系數(shù)范圍?？梢?中空玻璃的K值遠(yuǎn)優(yōu)于單片玻璃,真空玻璃又遠(yuǎn)優(yōu)于中空玻璃,Low-E中空玻璃和真空玻璃優(yōu)勢更為明顯。本節(jié)主要與中空玻璃比較分析真空玻璃的應(yīng)用領(lǐng)域。3.1真空玻璃市場公共建筑節(jié)能改造將帶來2萬億投資市場,玻璃最少占十分之一份額。中國建筑節(jié)能玻璃的生產(chǎn)與推廣比較滯后,以目前優(yōu)質(zhì)中空玻璃和真空玻璃都需要的Low-E玻璃產(chǎn)量來說,中國2005年產(chǎn)量約6×106m2,2006年產(chǎn)量約920m2,與中國每年新增建筑面積2×109m2的要求不成比例。中國的真空玻璃生產(chǎn)和推廣才剛剛起步,2007年產(chǎn)量只有數(shù)萬平方米,雖然絕對數(shù)字很小,但每年的相對增長是以數(shù)10倍計的。所以,有專家說:真空玻璃市場規(guī)模“能開發(fā)1%的市場就可以做到很大”。目前真空玻璃的產(chǎn)能還只能接受玻璃用量不大的辦公樓和高檔小型住宅的任務(wù),隨著產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的擴大,在大型公建和住宅群推廣將使用量很快上升到幾十萬平方米到幾百萬平方米的數(shù)量上。對于上億平方米的建筑玻璃需求,真空玻璃的市場占有率空間很大,再加上國際市場,應(yīng)該供不應(yīng)求。3.2食品低溫冷柜隨著中國商業(yè)網(wǎng)點異常繁榮,商用透明冷柜一直處于持續(xù)增長階段,2001年,全國共銷售商用透明冷柜50萬臺。同時,制冷陳列柜屬于高耗能產(chǎn)品,其耗電量達(dá)到整個超市耗電量的70%左右。2008年中國超市及賣場的總耗電量為477×108kWh,其中食品低溫冷柜耗電167×108kWh,目前中國低溫儲藏的食品只占食品總量的20%,而美國的這個比例為90%。隨著中國人民生活水平向西方國家的不斷接近,食品低溫冷柜的市場潛力巨大。另一方面,由于冷柜品種規(guī)格繁多,市場競爭激烈,質(zhì)量良莠不齊,目前大多數(shù)國產(chǎn)冷柜的能耗等級還處于高能耗的4～5級以上,在這種情況下,低溫冷柜的節(jié)能減排尤顯重要和緊迫。中國各種透明冷柜大多采用雙中空玻璃加電熱膜的形式,這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)雖然能有效防止玻璃表面產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象,但電熱膜能耗驚人。如果改為真空玻璃,則可節(jié)能20%以上,所以該行業(yè)也期盼著性能更為優(yōu)良的透明保溫材料上市。3.3有機材料透光性能、抗立法及老化性能差作為中國“三高”農(nóng)業(yè)的主要措施和重要標(biāo)志,溫室種植業(yè)、溫室養(yǎng)殖業(yè)近年來發(fā)展速度驚人,該產(chǎn)業(yè)將成為我國支柱產(chǎn)業(yè)之一。但溫室工程在極大豐富人們冬季菜籃子同時,出產(chǎn)的蔬菜卻普遍味淡,更談不上鮮美。新溫室所種出來的蔬菜味道尚可,但往后一年不如一年,原因就是目前溫室的透光保溫材料均采用有機PET、TIM等材料。有機材料耐老化性能不好,且易于靜電吸附塵埃,特別是油污性塵埃一旦占染上就難以清除,從而導(dǎo)致透光性能逐年變?nèi)?植物的光合作用亦不足,其味變差。另外,溫室種植的能耗成本已占總成本2/3以上,也是由于有機保溫材料絕熱性能較差導(dǎo)致。真空玻璃透光性能和普通單層玻璃相仿,它的獨特之處在于其絕熱性能是普通平板玻璃的十多倍,是普通透明有機材料的6～8倍,是普通雙層中空玻璃的3～4倍。另外,真空玻璃化學(xué)穩(wěn)定性能和抗露天老化性能亦是普通有機透光保溫材料(如PET、TIM等)無法比擬的?？梢?中國溫室工程急需先進(jìn)的價格適中的透光保溫材料,真空玻璃是該行業(yè)的最佳選擇。3.4不像板狀真空集熱器目前,太陽能熱水器基本采用管狀真空集熱器(即真空集熱管),而管狀真空集熱器的單位面積集熱效率遠(yuǎn)不如板狀真空集熱器高。此外,剛剛興起的太陽能小區(qū)屋頂太陽能熱水池也以板狀集熱器為最佳結(jié)構(gòu),所以,平板真空玻璃如果用于太陽能熱水器行業(yè),太陽能熱水器的價格將大幅下降,單位面積的集熱效率也將大幅提高,并且易于實現(xiàn)建筑與太陽能熱利用的一體化,這將導(dǎo)致太陽能熱水器行業(yè)的一次變革。3.5自支撐真空玻璃的應(yīng)用目前,中國汽車行業(yè)用的側(cè)、后窗玻璃均為單層玻璃,火車也只采用中空玻璃。隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展,車內(nèi)空調(diào)恒溫越來越成為人們的首選,而隨著世界能源的逐步枯竭,節(jié)能問題成為緊迫任務(wù),所以作為最優(yōu)的透光保溫隔音材料來講,真空玻璃將會替代汽車和火車的側(cè)、后窗玻璃,這是總的發(fā)展趨勢。而交通行業(yè)所用的玻璃一般都為異形,一些藝術(shù)玻璃也為異形,如果真空玻璃采用以往的外加支撐點的方式,因為支撐點的脫落就無法實現(xiàn),本文提出的自支撐真空隔離結(jié)構(gòu)則可解決這個問題。不僅建筑采用真空玻璃門窗,汽車、鐵道機車、輪船、農(nóng)業(yè)作物暖房、太陽能熱水器蓋板、展示冰柜等,都能夠使用真空玻璃產(chǎn)品。而異形真空玻璃的實現(xiàn),還會大大拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域,使真空玻璃的市場前景空前廣闊。未來玻璃市場的發(fā)展趨勢是,從高耗能到低耗能,從半自動到自動化,從單一功能到組合功能,從組合功能到多元應(yīng)用,從多元應(yīng)用到高附加值。4真空玻璃的產(chǎn)業(yè)化自1893年保溫瓶問世以來,由兩個同心圓筒玻璃組成的真空容器無論在理論上、技術(shù)上、工藝上已發(fā)展得很成熟,但1913年專利文獻(xiàn)提出“將保溫瓶的保溫隔熱原理用于平板玻璃”的設(shè)想?yún)s一直久攻不破。20世紀(jì)80年代起,世界對真空玻璃的研發(fā)逐漸活躍,代表性的有兩個:美國科羅拉多太陽能研究所由D·K·Benson教授領(lǐng)導(dǎo)的真空玻璃研究組,經(jīng)過1985～1991年的實驗,創(chuàng)立了許多值得讓后人借鑒的技術(shù)理論、思路和實驗室數(shù)據(jù);北京大學(xué)唐健正教授參加的悉尼大學(xué)應(yīng)用物理系R·E·Collins教授1989～1994年領(lǐng)導(dǎo)的研究組,進(jìn)一步改進(jìn)工藝,1989年試制出樣品,1993年取得了實質(zhì)性的進(jìn)展,研制出第一塊1m×1m的實用真空玻璃,并申請了4項專利。人類在發(fā)明保溫瓶之后整整100年,終于又發(fā)明了平板真空玻璃。1997年,日本板硝子株式會社最早向悉尼大學(xué)購買該技術(shù),成為世界上第一個將平板真空玻璃產(chǎn)業(yè)化的廠商。本世紀(jì)初,唐健正教授回國創(chuàng)辦了北京新立基真空玻璃技術(shù)有限公司,成為世界上第二家掌握真空玻璃制造技術(shù)的廠商。目前,世界各國又再次重視真空玻璃研究,美國Guardian公司近年又恢復(fù)了過去曾進(jìn)行多年的真空玻璃研發(fā)。在2010年9月29日至10月1日杜塞爾多夫“Glasstec”國際玻璃展上,各方爭相展出了自己的節(jié)能玻璃產(chǎn)品,如德國斯圖加特大學(xué)和BBG公司的U值為0.6W/(m2·K)的真空玻璃樣品和生產(chǎn)線流程圖、捷克和中國臺灣等多家公司的實物樣品。另外,韓國的LGhansys、EAGON和HanwhaL&C公司也宣布要銷售自己研制的真空玻璃。中國的真空玻璃研發(fā)也已列入“十二五”國家科技計劃,這將大大推動真空玻璃的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,希望在當(dāng)前低碳節(jié)能環(huán)保主題下,向世界提供以真空玻璃為代表的超級節(jié)能系列產(chǎn)品。真空玻璃產(chǎn)業(yè)化將形成專利技術(shù)、生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品及應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)鏈和工業(yè)體系,同時也形成專利技術(shù)、設(shè)備和產(chǎn)品的出口體系,為我國開創(chuàng)一個新的產(chǎn)業(yè);與現(xiàn)有玻璃深加工技術(shù)的結(jié)合將帶動玻璃工業(yè)的升級改造;真空玻璃技術(shù)及其向建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的擴展也將帶動建筑業(yè)的進(jìn)步。5強化真空玻璃的應(yīng)用研究本文研究真空玻璃技術(shù)的