真空玻璃技术的性能及应用分析

真空玻璃技术的性能及应用分析

作为工业、交通和建筑的三大主要能耗之一，中国的建筑能耗占全球社会设备的27.5%，单位面积的能耗是发达国家的2.3倍。中国的建筑95%左右都是高能耗建筑,尤其是大型公共建筑能耗一直处于较高水平,而其中约50%～80%通过门窗采暖或制冷散失。能源安全事关国家经济安全大局,建筑门窗节能已成为世界各国研究攻关的重点课题。国家的能源状况、建筑节能的压力、节能玻璃的市场需求,迫切需要加强新颖建筑节能玻璃的开发研制,真空玻璃(vacuumglazing)技术则是建筑节能领域对玻璃进行深加工的一项高新技术。与普通玻璃和中空玻璃比较有种种优势,真空玻璃隔热保温性能、防结露结霜性能、隔声性能、抗风压性能等热工性能优异,环保节能降耗效果明显,是新一代应对气候变化的节能玻璃。1真空玻璃的工作原理和性能特点本节基于热量传递理论知识,分析真空玻璃工作原理及性能。1.1玻璃传热的途径热量传递有三条途径,即直接传导、空气对流和热辐射。由于真空玻璃腔内没有空气,既没有直接传导介质,也不能形成对流,这样就把传导和对流条件破坏,提高了真空玻璃的热阻。一般地,生产真空玻璃的两片玻璃中,一片是LOW-E膜玻璃,其金属膜在真空腔内,既不能氧化、保证使用寿命,又使其反射红外线的效率得到充分发挥,从而又有效地降低了辐射热传播。通过建筑物玻璃传热的途径主要有两部分:一是由室内外温差引起的传热Qg,二是太阳辐射引入的传热Qf,二者之和称为相对增热,用RHG(RelativeHeatGain)表示RHG=Qg+Qf=U(To-Ti)+Sc×SHGF(1)式(1)中,U为传热系数,也称U值(美国标准)或K值(中国和欧洲标准),To为室外温度,Ti为室内温度。传热系数含义是当室内外空气温差为1℃时,单位时间内通过单位面积的玻璃窗室内外空气间传递的热量,中国法定单位为公制单位Wm-2·K-1。Sc为遮阳系数,其含义是透过玻璃的太阳辐射总透射比g与3mm厚普通平板玻璃的太阳辐射总透射比τs的比值,即Sc=g/τs。Sc越高说明透过的太阳辐射比例越高。SHGF(SolarHeatGainFactor)为太阳辐射得热因子,其含义是当时当地、单位时间内透过3mm厚普通玻璃的太阳辐射能量,单位是Wm-2。如图1所示,真空玻璃是将两片玻璃四周密闭起来,将其间隙抽成真空并密封排气孔,两片玻璃之间留有间隙(如0.1～0.2mm),将通过真空玻璃的传导、对流和辐射方式散失的热量降到最低,其工作原理与保温瓶的保温隔热原理相同。1.2真空玻璃的性能特征真空玻璃具有如下性能特点。1.2.1中空玻璃门诊节能特点真空玻璃门窗(传热系数K=0.8～1.5W·m-2·K-1)比中空玻璃门窗(传热系数K=2.2～3.0W·m-2·K-1)节能提高了两倍以上。使用真空玻璃门窗后,节省了空调的制热制冷费用同时还极大地提高了居室内的舒适度。1.2.2隔声性能分析由于真空玻璃结构上的特点,即真空层的存在,没有声音传递介质就阻隔了声音的传递,其隔声性能(真空玻璃整窗系统隔声量RW=39～45dB)比专业隔声窗(隔声量RW=35dB左右)的隔声效果还要好,可保持室内宁静空间,克服噪声污染。1.2.3防雨暴露真空玻璃的热阻很大,真空腔内无空气,也无水汽分子,即使室内外温差达到50℃也不会出现结露现象,令视野清晰开阔。1.2.4安全性能好从安全角度考虑,真空玻璃门窗外层可作钢化、夹胶等安全玻璃,以增加强度,提高安全性。2真空玻璃的主要技术和自支持真空隔离结构本节介绍制造真空玻璃的关键技术及难点,提出凸点自支撑真空隔离结构,为其后的研究工作提供新思路基础。2.1保温瓶到平板真空玻璃目前,国际上真空玻璃技术尚处于起步阶段,其制造技术涉及到真空绝热、硅酸盐、机械、低熔点焊接、密封、消气、封头、支撑等多个学科的多项技术,特别是两平板玻璃之间的支撑技术和封边封头技术,都属于高难度技术。人类是在发明保温瓶之后整整100年,才由悉尼大学发明了与其保温隔热原理相同的平板真空玻璃,可见其难度之大。要实现从保温瓶到平板真空玻璃的飞跃,有三大难题:①与保温瓶不同,真空玻璃是一个小容积、大表面积而又狭窄扁平的玻璃真空腔体,又要快速抽真空以使残余气体降到可以对热传导忽略不计的程度,并长期保持其真空度;②与保温瓶圆柱体容易抗压不同,真空玻璃只有使用支撑物来承受10000kg/m2的压力,该支撑物使真空玻璃产品满足建筑玻璃设计标准所要求的强度和寿命,这就必须对支撑物的物理化学性能以及几何形状、几何分布做出精心设计;③比保温瓶更难的是,真空玻璃是门窗用透明材料,在抽气口、支撑物的设计和选料上,要不影响透明和美观。2.2布点支撑真空隔离技术从全球看,中国真空玻璃技术水平处于前沿,但是传统思维模式是基于在现有两块平板玻璃间外加支撑物(每平米1600多个)隔离出空间的真空隔离方法,因此有如下缺陷:①支撑物材料选择及制作难;②金属支撑物热导率高,通透性不理想;③外加支撑物布点多,均匀布点难,成品后易脱落(难以满足行业标准);④生产成本高,成品率低;⑤自动化生产难实现,综合技术难推广;⑥不能实现异型等。2009年,海南发明人李方顺提出筋条自支撑真空隔离方法,颠覆了布点支撑方法。如图2所示,筋条自支撑真空隔离方法就是通过对玻璃原片进行二次加工,直接在玻璃上建立支撑筋条,这就跳出了困扰科学家100年的外加支撑点的真空隔离结构,从而使真空玻璃的生产工艺技术易于实现,自动化生产瓶颈得以突破,产品质量控制得以保证。还可实现异形真空玻璃,使真空玻璃的推广应用领域得以更大拓展。在此基础上,本研究提出一种凸点自支撑真空隔离构件,包括组合板材以及凸起。组合板材中至少一个板材的一侧或者两侧板面上设有点状凸起,另一个板材则可以直接采用普通的玻璃,如图3所示。与筋条自支撑真空隔离方法相比,可提高加工效率,降低生产成本。3中空玻璃和真空玻璃的k值比较见表1表1列出单片玻璃、中空玻璃及真空玻璃的传热系数范围。可见,中空玻璃的K值远优于单片玻璃,真空玻璃又远优于中空玻璃,Low-E中空玻璃和真空玻璃优势更为明显。本节主要与中空玻璃比较分析真空玻璃的应用领域。3.1真空玻璃市场公共建筑节能改造将带来2万亿投资市场,玻璃最少占十分之一份额。中国建筑节能玻璃的生产与推广比较滞后,以目前优质中空玻璃和真空玻璃都需要的Low-E玻璃产量来说,中国2005年产量约6×106m2,2006年产量约920m2,与中国每年新增建筑面积2×109m2的要求不成比例。中国的真空玻璃生产和推广才刚刚起步,2007年产量只有数万平方米,虽然绝对数字很小,但每年的相对增长是以数10倍计的。所以,有专家说:真空玻璃市场规模“能开发1%的市场就可以做到很大”。目前真空玻璃的产能还只能接受玻璃用量不大的办公楼和高档小型住宅的任务,随着产业化规模的扩大,在大型公建和住宅群推广将使用量很快上升到几十万平方米到几百万平方米的数量上。对于上亿平方米的建筑玻璃需求,真空玻璃的市场占有率空间很大,再加上国际市场,应该供不应求。3.2食品低温冷柜随着中国商业网点异常繁荣,商用透明冷柜一直处于持续增长阶段,2001年,全国共销售商用透明冷柜50万台。同时,制冷陈列柜属于高耗能产品,其耗电量达到整个超市耗电量的70%左右。2008年中国超市及卖场的总耗电量为477×108kWh,其中食品低温冷柜耗电167×108kWh,目前中国低温储藏的食品只占食品总量的20%,而美国的这个比例为90%。随着中国人民生活水平向西方国家的不断接近,食品低温冷柜的市场潜力巨大。另一方面,由于冷柜品种规格繁多,市场竞争激烈,质量良莠不齐,目前大多数国产冷柜的能耗等级还处于高能耗的4～5级以上,在这种情况下,低温冷柜的节能减排尤显重要和紧迫。中国各种透明冷柜大多采用双中空玻璃加电热膜的形式,这种产品结构虽然能有效防止玻璃表面产生结露现象,但电热膜能耗惊人。如果改为真空玻璃,则可节能20%以上,所以该行业也期盼着性能更为优良的透明保温材料上市。3.3有机材料透光性能、抗立法及老化性能差作为中国“三高”农业的主要措施和重要标志,温室种植业、温室养殖业近年来发展速度惊人,该产业将成为我国支柱产业之一。但温室工程在极大丰富人们冬季菜篮子同时,出产的蔬菜却普遍味淡,更谈不上鲜美。新温室所种出来的蔬菜味道尚可,但往后一年不如一年,原因就是目前温室的透光保温材料均采用有机PET、TIM等材料。有机材料耐老化性能不好,且易于静电吸附尘埃,特别是油污性尘埃一旦占染上就难以清除,从而导致透光性能逐年变弱,植物的光合作用亦不足,其味变差。另外,温室种植的能耗成本已占总成本2/3以上,也是由于有机保温材料绝热性能较差导致。真空玻璃透光性能和普通单层玻璃相仿,它的独特之处在于其绝热性能是普通平板玻璃的十多倍,是普通透明有机材料的6～8倍,是普通双层中空玻璃的3～4倍。另外,真空玻璃化学稳定性能和抗露天老化性能亦是普通有机透光保温材料(如PET、TIM等)无法比拟的。可见,中国温室工程急需先进的价格适中的透光保温材料,真空玻璃是该行业的最佳选择。3.4不像板状真空集热器目前,太阳能热水器基本采用管状真空集热器(即真空集热管),而管状真空集热器的单位面积集热效率远不如板状真空集热器高。此外,刚刚兴起的太阳能小区屋顶太阳能热水池也以板状集热器为最佳结构,所以,平板真空玻璃如果用于太阳能热水器行业,太阳能热水器的价格将大幅下降,单位面积的集热效率也将大幅提高,并且易于实现建筑与太阳能热利用的一体化,这将导致太阳能热水器行业的一次变革。3.5自支撑真空玻璃的应用目前,中国汽车行业用的侧、后窗玻璃均为单层玻璃,火车也只采用中空玻璃。随着中国经济的发展,车内空调恒温越来越成为人们的首选,而随着世界能源的逐步枯竭,节能问题成为紧迫任务,所以作为最优的透光保温隔音材料来讲,真空玻璃将会替代汽车和火车的侧、后窗玻璃,这是总的发展趋势。而交通行业所用的玻璃一般都为异形,一些艺术玻璃也为异形,如果真空玻璃采用以往的外加支撑点的方式,因为支撑点的脱落就无法实现,本文提出的自支撑真空隔离结构则可解决这个问题。不仅建筑采用真空玻璃门窗,汽车、铁道机车、轮船、农业作物暖房、太阳能热水器盖板、展示冰柜等,都能够使用真空玻璃产品。而异形真空玻璃的实现,还会大大拓宽其应用领域,使真空玻璃的市场前景空前广阔。未来玻璃市场的发展趋势是,从高耗能到低耗能,从半自动到自动化,从单一功能到组合功能,从组合功能到多元应用,从多元应用到高附加值。4真空玻璃的产业化自1893年保温瓶问世以来,由两个同心圆筒玻璃组成的真空容器无论在理论上、技术上、工艺上已发展得很成熟,但1913年专利文献提出“将保温瓶的保温隔热原理用于平板玻璃”的设想却一直久攻不破。20世纪80年代起,世界对真空玻璃的研发逐渐活跃,代表性的有两个:美国科罗拉多太阳能研究所由D·K·Benson教授领导的真空玻璃研究组,经过1985～1991年的实验,创立了许多值得让后人借鉴的技术理论、思路和实验室数据;北京大学唐健正教授参加的悉尼大学应用物理系R·E·Collins教授1989～1994年领导的研究组,进一步改进工艺,1989年试制出样品,1993年取得了实质性的进展,研制出第一块1m×1m的实用真空玻璃,并申请了4项专利。人类在发明保温瓶之后整整100年,终于又发明了平板真空玻璃。1997年,日本板硝子株式会社最早向悉尼大学购买该技术,成为世界上第一个将平板真空玻璃产业化的厂商。本世纪初,唐健正教授回国创办了北京新立基真空玻璃技术有限公司,成为世界上第二家掌握真空玻璃制造技术的厂商。目前,世界各国又再次重视真空玻璃研究,美国Guardian公司近年又恢复了过去曾进行多年的真空玻璃研发。在2010年9月29日至10月1日杜塞尔多夫“Glasstec”国际玻璃展上,各方争相展出了自己的节能玻璃产品,如德国斯图加特大学和BBG公司的U值为0.6W/(m2·K)的真空玻璃样品和生产线流程图、捷克和中国台湾等多家公司的实物样品。另外,韩国的LGhansys、EAGON和HanwhaL&C公司也宣布要销售自己研制的真空玻璃。中国的真空玻璃研发也已列入“十二五”国家科技计划,这将大大推动真空玻璃的产业化进程,希望在当前低碳节能环保主题下,向世界提供以真空玻璃为代表的超级节能系列产品。真空玻璃产业化将形成专利技术、生产设备和产品及应用领域的产业链和工业体系,同时也形成专利技术、设备和产品的出口体系,为我国开创一个新的产业;与现有玻璃深加工技术的结合将带动玻璃工业的升级改造;真空玻璃技术及其向建筑维护结构的扩展也将带动建筑业的进步。5强化真空玻璃的应用研究本文研究真空玻璃技术的