提高中空玻璃节能特性的措施-中国窑炉信息网

一．引言：
　　自七十年代发生石油危机以来，建筑节能产品的应用成为国际建筑行业的主流，许多发达国家从产品技术开发、技术指导、应用推广到立法等多方面引导、鼓励和规范建筑、建材市场，节能型建材产品的应用有了广阔的空间。在美国，中空玻璃门窗的使用量占所有玻璃窗用量的82%，而德国政府自七十年代后期即立法，明确规定不使用中空玻璃的新建楼房不批准建设。我国自八十年代开始重视建筑节能工作，并相继出台了《建筑法》《能源法》《建筑节能九五计划和2010年规划》《民用建筑节能设计标准管理规定》等相关法律法规，1996年7月，经修改后的《民用建筑节能设计标准（采暖居住部分）》（JCJ26-95）中明确规定，新设计的建筑节能标准要在1980-1981年的基础上节能50%。同时各省市相继颁布了相应的标准实施细则和相关的标准。如北京市颁布了《关于我市道路两侧新建筑采用隔声窗的通知》《提高建筑门窗使用功能的若干技术要求》等多项法规，明确规定了各类住宅的隔声标准，又如1999年重庆市出台了建筑节能设计标准，要求外窗的传热系数K≤3.0w/m2k，节能产品的使用进入了一个新的时期。
　　对于整幢建筑来说，门窗的面积占建筑面积的比例超过20%，玻璃在其约占70%以上，而从节能角度来讲，整个建筑的能量损失中，约50%是在门窗上的能量损失。据有关部门预计，我国在2000年社会总能耗约20亿吨标准煤，其中建筑能耗在社会总能耗中，约占35%--40%，达7-8亿吨标准煤，而建筑门窗、外墙的能耗约占建筑总能耗的50%，达3.5-4亿吨标准煤，建筑门窗、外墙的能耗占社会总能耗的17%--20%，比例是相当大的。根据发达国家的经验，经济越发达，生活水平越高，民用能源消费越多。随着我国经济的发展，目前的这一比例仍会扩大。因而，降低建筑门窗、外墙的能耗，提高建筑门窗、外墙的隔热性、气密性是我们面临的紧迫问题，这就对全部玻璃产品的开发和推广使用提出了更为严格的节能要求。

二．玻璃的品种
　　目前国际上流行的玻璃品种包括浮法玻璃、平板玻璃也称引上玻璃、格法玻璃、压花玻璃等等，这些品种的玻璃都是将各种矿石经过高温融化并经过各种成型工艺，最后形成平面形状的玻璃。同时，根据在玻璃原料中加入的颜料不同，可以生产出不同的颜色玻璃--统称为吸热玻璃或者本体着色玻璃。由于引上玻璃的表面缺陷较多，目前在国际上已经被淘汰，我们也已经从95年以后基本淘汰了引上玻璃。原片玻璃可以进一步深加工，而根据生产加工的方式不同，又可以分成冷加工和热加工等不同的深加工玻璃如玻璃磨花、夹层玻璃、中空玻璃、钢化玻璃、镀膜玻璃等等。从使用性能方面看，夹层玻璃、钢化玻璃属于安全玻璃的系列，而镀膜玻璃、中空玻璃属于保温隔热玻璃系列。也就是说，真正起到节能作用的玻璃是镀膜玻璃和中空玻璃，镀膜玻璃、钢化玻璃、夹层玻璃等多个品种的深加工玻璃又可以组成复合的中空玻璃，因此我们可以说，中空玻璃是目前国际上最有效的节能玻璃，应用前景非常广泛。

三：中空玻璃的发展历史
　　中空玻璃是以两片或多片玻璃，以有效的支撑均匀隔开，周边黏结密封，使玻璃层间形成干燥气体空间的产品。这种产品具有隔音、隔热、防结露和降低能耗的作用，被广泛应用于建筑、交通、冷藏等行业。
　　十九世纪末期，中空玻璃生产技术最早发明于美国，在欧洲得到了推广和应用，产品经历了焊接中空玻璃、熔接中空玻璃、胶接中空玻璃和几种中空玻璃并存的一段时期，发展到以胶接中空玻璃为主其他为辅的市场形式。我国中空玻璃的生产是从一九六四年开始，到一九九零年进入了飞速发展阶段，产品基本是以铝条充干燥剂并用聚硫胶或其他胶密封，这种产品被业内人士称为第三代铝条法中空玻璃。随着科技的进步，生活水平的提高，人们对生活环境条件和产品使用寿命的要求也越来越高，尤其是七十年代末期，世界范围的能源紧张，各国对节能、环保型产品的推广使用比较重视，中空玻璃产品生产、研制也逐步向节能、环保型方向发展。一九七八年，美国的化学博士Tom　Ｇｒｅｅｎｌｅｅ发明了世界上第一个暖边系统的第四代中空玻璃实唯高胶条（Ｓｗｉｇｇｌｅ®Ｓｅａｌ）中空玻璃，这种产品将中空玻璃除玻璃以外的全部功能有机地结合在一起并以其优越的密封性能、良好的边缘隔热性能、可靠的产品质量和使用寿命，很快得到了认可和广泛使用。一九八八年，我国开始引进胶条法中空玻璃生产线，到目前，已先后引进了近二十条生产线，产品已经应用到建筑、交通、冷藏和装饰等领域，受到了广泛的欢迎。

四：中空玻璃的节能原理
　　热量的传递方式有三种即对流传热、热传导和辐射传热。对流传热是由于气体中存在温度差，导致气体产生对流，带动能量进行传递；热传导是由于分子运动而进行的能量传递；辐射传热是能量以射线即红外线直接传递。作为中空玻璃，其隔热性能主要因其内部气体处于一个封闭的空间，气体不产生对流，而且空气的导热系数为0.028W/m.K是玻璃的导热系数为0.77W/m.K的1/27,因而,对流传热和传导传热在中空玻璃的能量传递中,占较小的比例。要提高中空玻璃的隔热性能，一般来讲是增大空间层的厚度，和使用导热系数低的气体置换中空玻璃内部的空气，这样可减少传导传热，但空间层太大，又会产生气体的对流，增加对流传热，合理的空间层间隙应该是12mm左右；要降低辐射传热，一般是通过使用阳光控制尤其是低辐射玻璃，来控制各种射线透过，达到降低辐射传热的目的。
　　A．中空玻璃的隔热、隔音原理
　　众所周知，能量的传递有三种方式：即辐射传递、对流传递和传导传递。
　　辐射传递是能量通过射线以辐射的形式进行的传递，这种射线包括可见光、红外线和紫外线等的辐射，就象太阳光线的传递一样。合理配置的中空玻璃和合理的中空玻璃间隔层厚度，可以最大限度的降低能量通过辐射形式的传递，从而降低能量的损失。
　　对流传递是由于在玻璃的两侧具有温度差，造成空气在冷的一面下降而在热的一面上升，产生空气的对流，而造成能量的流失。造成这种现象的原因有几个：一是玻璃与周边的框架系统的密封不良，造成窗框内外的气体能够直接进行交换产生对流，导致能量的损失；二是中空玻璃的内部空间结构设计的不合理，导致中空玻璃内部的气体因温度差的作用产生对流，带动能量进行交换，从而产生能量的流失；三是构成整个系统的窗的内外温度差较大，致使中空玻璃内外的温度差也较大，空气借助冷辐射和热传导的作用，首先在中空玻璃的两侧产生对流，然后通过中空玻璃整体传递过去，形成能量的流失。合理的中空玻璃设计，可以降低气体的对流，从而降低能量的对流损失。
　　传导传递是通过物体分子的运动，带动能量进行运动，而达到传递的目的，就象用铁锅作饭和用电烙铁焊东西一样，而中空玻璃对能量的传导传递是通过玻璃和其内部的空气来完成的。我们知道，玻璃的导热系数是0.77W/ m2k。而空气的导热系数是0.028 W/ m2k，由此可见，玻璃的热传导率是空气的27倍，而空气中的水分子等活性分子的存在，是影响中空玻璃能量的传导传递和对流传递性能的主要因素，因而提高中空玻璃的密封性能，是提高中空玻璃隔热性能的重要因素。
　　B. 中空玻璃的防结露、降低冷辐射和安全性能
　　由于中空玻璃内部存在着可以吸附水分子的干燥剂，气体是干燥的，在温度降低时，中空玻璃的内部也不会产生凝露的现象，同时，在中空玻璃的外表面结露点也会升高。如当室外风速为5m/s，室内温度20℃，相对湿度为60%时，5mm玻璃在室外温度为8℃时开始结露，而16mm（5+6+5）中空玻璃在同样条件下，室外温度为-2℃时才上结露，27mm（5+6+5+6+5）三层中空玻璃在室外温度为-11℃时才开始结露。
　　由于中空玻璃的隔热性能较好，玻璃两侧的温度差较大，还可以降低冷辐射的作用；当室外温度为-10℃时，室内单层玻璃窗前的温度为-2℃而中空玻璃窗前的温度是13℃；在相同的房屋结构中，当室外温度为-8℃，室内温度为20℃时，3mm普通单层玻璃冷辐射区域占室内空间的67.4%，而采用双层中空玻璃（3+6+3）则为13.4%。
　　使用中空玻璃，可以提高玻璃的安全性能，在使用相同厚度的原片玻璃的情况下，中空玻璃的抗风压强度是普通单片玻璃的1.5倍。

五．中空玻璃的结构组成
　　根据中空玻璃使用地点的不同，使用目的不同，中空玻璃所用的原材料和结构也不尽相同。如在南方地区，全年的气温较高，光照时间较长，在使用中空玻璃时，较多的考虑是控制外部的热量能够较少地进入室内，在选择中空玻璃的原片时，会更多地考虑使用镀膜玻璃；在北方地区，使用中空玻璃的主要目的是采暖和保温，所以就会较多地考虑选用透明玻璃作中空玻璃的原片。而在需要控制噪音的地方，就需要采用三层或充气的中空玻璃，以达到使用的目的。
　　随着经济的发展，中空玻璃的产品品种也有了较多的发展，采用的原材料的品种也随着增加。如幕墙用中空玻璃；汽车、火车用中空玻璃；电器用中空玻璃；装饰用中空玻璃（包括镶嵌用中空玻璃、彩晶立线中空玻璃）等等。所有这些产品，虽然由于用途不同，使用的原材料不尽相同，但基本组成是相同的。即：一是各种玻璃，包括各种白玻，各种颜色玻璃、镀膜玻璃及各种二次加工的玻璃如钢化玻璃、夹层玻璃等等；二是中间间隔气体，包括干燥的空气和一些特殊惰性气体如氩气、氪气及六氟化硫，一般根据需要和产品品种不同，充入的惰性气体也不同。氩气和氪气主要起隔热作用而六氟化硫主要起隔音作用；三是边部密封系统，世界上流行的中空玻璃基本是由于胶结中空玻璃产品比较适合于工业化生产，所以世界上流行的中空玻璃基本是胶接中空玻璃，胶结中空玻璃有冷边密封系统--主要是以传统的铝条法产品为代表和暖边密封系统--以Swiggle胶条法为代表之分；任何一种形式的中空玻璃都可以使用同样的原片玻璃及间隔气体，而因为边部密封系统不同，就产生了冷边密封系统和暖边密封系统中空玻璃之间的差异。这两种产品使用的材料品种和最终的节能效果是不同的。传统的铝条法中空玻璃使用的材料品种多，生产工序复杂，造成生产效率低下，需要的人工多，产品质量受人的因素制约很大，质量控制及生产管理成本较高。由于采用的边部材料导热性能较好，造成中空玻璃在隔热性能、产品使用寿命及产品失效率等方面存在着问题。而暖边Swiggle胶条密封系统在保持中空玻璃性能的同时，极大地改善了中空玻璃边部的节能效果使中空玻璃边部的温度明显高出5℃左右，既可以减少在北方地区室内表面的结露又可以降低在南方地区的边部热应力，减少玻璃自爆的可能，因而被行业公认为最成熟的暖边密封系统，开创了中空玻璃暖边密封系统之先河。

六：中空玻璃的选用
　　由于使用地域的不同，对中空玻璃的性能、尺寸的要求也不尽相同，如邻街建筑，要求中空玻璃的隔音性能要好；而寒冷地区，要求中空玻璃的隔热性能要好；低层建筑，中空玻璃的面积可以大一些，而高层建筑，因为承受的风压不同，面积就要小一些。
　　对于隔音、隔热性能的提高，可以通过增加空间层的厚度、数量或采用充惰性气体（氟化硫、氩气）以及改善窗框型材的种类、腔体结构和窗户开启方式等来完成，而使用中空玻璃的面积就要根据各地的风压强度的不同分别计算。
　　选用原片玻璃的厚度和最大使用规格，主要取决于使用状态的风压载荷，对于四周固定垂直安装的中空玻璃，其选用原片厚度及最大尺寸的选择原则为：
　　1．制作的中空玻璃的规格按使用的中空玻璃原片玻璃厚度所能承受的平均风压；
　　2．制作的中空玻璃规格按使用的中空玻璃厚度、最大尺寸所能承受的平均风压；
　　3．根据所使用地区最大平均风压，应使用玻璃最小厚度（按面积大小计算）；
　　中空玻璃所能承受的风压在同种规格的情况下，为单层玻璃的1.5倍,双层中空玻璃根据产品的规格,按使用原片玻璃尺寸大小及玻璃厚度计算所能承受的风压,可根据下列公式计算:
a. 同种类、同厚度情况下
　　Pa=1.5K/F.A(t+t2/4)
b. 异种类、异厚度的情况下

　　Pa1=0.75K1/F.A(t1+t22/4)(1+(t2/t1)3

　　Pa2=0.75K2/F.A(t2+t12/4)(1+(t1/t2)3

其中: Pa ----玻璃板是耐风压强度 Ka/m2 N/m2

　　Pa1 ----中空玻璃t1 品种的耐风压强度

　　Pa2---中空玻璃t2 品种的耐风压强度

      F----玻璃板的安全系数一般为2.5

      A----玻璃板的面积m2

      K 、K1、K2 --玻璃板的品种、板厚度差别系数

      t 、t1 、t2 ---玻璃板的厚度
　　在2式中, Pa1 Pa2 是构成中空玻璃各自的耐风压强度,作为中空玻璃的耐风压强度,是把 Pa1 Pa2 中的最小耐风压强度作为实际的耐风压强度。
各种玻璃板的K值表1

品种普通玻璃浮法玻璃压花玻璃夹丝玻璃     钢化玻璃
K值    80      80--60     60       60     是普通玻璃的3倍
根据上面的公式，我们可以计算出中空玻璃可能的最大面积：
　　A=45/P（t+t2/4）
　　A---中空玻璃可能的最大面积m2
　　P---使用处的风压 Kgf/ m2
　　t----单片玻璃的厚度 mm
　　单独使用实唯高胶条制作有框的中空玻璃，原片玻璃厚度为5mm，最大尺寸为1500mm×1800mm,超过这一尺寸，就要进行二次封胶。制作隐框幕墙中空玻璃时，必须双道密封。

七．提高中空玻璃技术性能的途径
A．影响中空玻璃性能的因素
　　1．气体间隔层的厚度
　　主要是通过对厚度的控制，使中空玻璃内部形成紊态气流的传热尽量控制气体的冷热气流互相干扰或者说使其上升与下降的气流互相干扰来控制产生对流传热。
　　2．空气层间的气体种类和湿度
　　在中空玻璃的内部充入的惰性气体，可以降低中空玻璃的隔热、隔音性能，如充入氩气和氟化硫可分别提高中空玻璃的隔热、隔音性能；中空玻璃内部的水蒸气的含量增大，既会产生内部结露甚至进水，从而影响中空玻璃美观效果，又会造成中空玻璃的传导传热系数增大，降低隔热效果。
　　3．中空玻璃的边部密封情况
　　一方面，如果中空玻璃的边部密封不好，则水气通过密封胶层进入中空玻璃内部的比例就会增大，中空玻璃失效的速度也会加快。任何一种产品，不论它初始的性能如何好，然而，它的寿命很短，这样的产品不能说是好的产品；另一方面，如果中空玻璃的边部材料的导热性能很好，那么通过中空玻璃边部与玻璃连接的密封剂的热量传递就相对很多，中空玻璃的隔热系数就会提高，隔热性能下降。
　　4．玻璃的热透率
　　在上面的分析中，我们可以了解到，如果采用合理的空间层设计与施工，基本可以控制通过中空玻璃的对流和传导传热。中空玻璃的传热主要是以辐射传热的方式进行如果采用高透过率低反射（辐射）率的普通透明玻璃，则中空玻璃的隔热性能较采用高反射（辐射）低透过的镀膜玻璃或Low-E玻璃的低许多。
　　5．玻璃的平面尺寸
　　加大中空玻璃的平面尺寸，可以减少中空玻璃单位面积的热损失，提高中空玻璃的整体隔热效果。前面已经提到，能量的传递方式有三种，对流传热、辐射传热和传导传热。
　　在整个能量的传递过程中，辐射传递系数所占的比例最大，约60%，其数值取决于两片玻璃内表面的温度差和间隔层气体的辐射率；其次是传导传递系数，约占37%，其数值取决于玻璃气体间隔层的厚度；最后是对流传递系数，约占3%，，其数值取决于玻璃气体间隔层的厚度和温度。要提高隔热性能，就必须降低辐射传递和传导传递、对流传递系数的数值，使几种传递系数的综合数值最小。要达到这一目的，需要采取以下措施：
　　1. 降低辐射传热系数
　　要降低这一数值，只能通过降低玻璃的透过率，提高玻璃的反射率，采用具有功能控制作用的镀膜玻璃，吸热玻璃可以很好地控制中空玻璃的辐射传热系数。镀膜玻璃可以通过对镀膜层物质的调节，很好地控制通过的太阳光，更多地反射红外光和紫外光，达到节能的目的。如低辐射镀膜玻璃（Low-E）。
　　Low-E中空玻璃与普通中空玻璃隔热系数对照表表2

说明          密封材料说明      U-值W/m2℃

5白+9A+5白       铝条聚硫胶        2．52

5白+9A+5白       Swiggle胶条       2．41

5白+9A+5Low      铝条聚硫胶        1．97

5白+9A+5Low      Swiggle胶条       1．83

5白+9A+5白+9A+5白铝条聚硫胶       2．17

5白+9A+5白+9A+5白 Swiggle胶条      2．08

5白+9A+5Low+5白铝条聚硫胶        1．89

5白+9A+5Low+5白 Swiggle胶条       1．77

注：Low---Low-E玻璃的简写、白----白色透明玻璃
　　2．改善间隔层的隔热性能
　　间隔层性能的改善，不仅取决于合理控制间隔层的厚度，还取决于间隔层内部的气体介质的性质和周边的密封程度。间隔层厚度的大小，对中空玻璃的隔热能力影响最大，要提高间隔层的隔热能力，必须适当增大间隔层的厚度，在不考虑对流传热的情况下，传导传热系数K传=λ/δ，其中空气的导热系数λ是基本恒定的，如果间隔层的厚度δ越大，则传导传热系数K越小，中空玻璃的隔热性能越好；反之就越大，中空玻璃的隔热性能就越差。理论与实践全部证明，当间隔层厚度小于10mm时，间隔层内热量以传导传递为主，当间隔层厚度超过13mm时，对流传热开始逐步增大，中空玻璃整体的隔热系数变化不大。合理的中空玻璃间隔层厚度应该是12mm左右。
中空玻璃传热系数与间隔层厚度变化的关系：表3

中空玻璃厚度mm     传热系数W/m2K

   3+6A+3              3．59

   3+6A+3              3．41

   3+6A+3              3．22

   3+6A+3              3．17

　　间隔层内充入惰性气体如充入氩气或氪气和氟化硫，可以提高中空玻璃的隔热、隔音性能；同时，在制作中空玻璃时，选用合适的边部密封材料和良好的周边框架材料，中空玻璃的性能也会得到较大的提高。因为我们在使用中空玻璃的过程中，并不是单纯使用玻璃，而是包括框架材料在内，共同使用。因而，要得到好的中空玻璃的性能，中空玻璃的边部密封以及与周边框架材料的密封隔热就十分重要。
充气中空玻璃与普通中空玻璃隔热系数比较表4

   说明      U-值W/m2℃    密封材料    框架材料    环境温度

5白+9A+5白      2.36     铝条、聚硫胶    PVC          24

5白+9A+5白      2.29     Swiggle胶条     PVC          24

5白+9A+5Low     1.82     铝条、聚硫胶    PVC          24

5白+9A+5Low     1.72     Swiggle胶条     PVC          24

5白+9Kr+5白     1.28     铝条、聚硫胶    PVC          24

5白+9Kr+5白     1.18     Swiggle胶条     PVC          24

5白+9A+5白      2.81     铝条、聚硫胶无热隔断铝合金 24

5白+9A+5白      2.76     Swiggle胶条无热隔断铝合金 24

5白+9Kr+5白     1.72     铝条、聚硫胶无热隔断铝合金 24

5白+9Kr+5白     1.66     Swiggle胶条无热隔断铝合金 24

其中：Low-----Low-E玻璃、Kr------氪气
　　3．选用合理的中空玻璃边部密封材料和边框材料
　　从上面的表格中，我们可以看出，中空玻璃在生产过程中，使用不同的边部密封材料，产品的隔热性能是不同的，为什么出现这样的情况呢？我们来分析一下原因。在中空玻璃生产发展的历史过程中，传统的方法是使用铝条，在其内部灌入分子筛，形成中空玻璃周边的框架，虽然在其两侧面有一层丁基胶作为与玻璃之间的阻挡层，但毕竟很薄，面积较大（一般为5mm宽），所以玻璃的边部热传导率较高，影响中空玻璃整体的隔热性能。这也和窗框材料使用PVC比使用铝合金而对整个建筑的节能性能的影响一样，虽然窗框材料在整个建筑中所占的比例不超过6%，但所造成的热损失却超过15%。而使用Swiggle胶条作密封材料，胶条中的铝隔带的宽度仅0。3mm，几乎没有金属的导热，又由于这种产品的密封性能较好，进入中空玻璃内部的水蒸气较少，由此而产生的中空玻璃的传导传热的提高几乎可以忽略，这种产品的隔热性能较好被称为暖边系统中空玻璃，被广泛应用在各类建筑上，得到了一致的好评。
　　随着国家提倡建筑节能和推广使用新型墙体材料，塑钢中空玻璃门窗和具有隔热桥的铝合金中空玻璃门窗得到了普遍的应用，起到了很好的节能作用。但是在装配这些门窗的过程中，如果玻璃扣条安装不好，或密封不严密，结果就象在塑钢门窗和带隔热桥的铝合金门窗上安装泡沫双璃或其他双玻一样，形成整个窗或玻璃的内外透气，产生对流，导致能量流失。
　　为了保证中空玻璃的使用效果，中空玻璃在安装过程中，不仅要考虑与窗框材料装配的密封，还要考虑在窗框材料的安装槽留有排水口，既可以避免长期与水接触，延长中空玻璃使用寿命，同时又能避免因水的存在造成窗框材料导热性能提高，保证节能效果。
美国TruSeal技术公司刘军
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转自《中国玻璃信息网》