建设部中建机门窗幕墙设计专家组专家
北京新立基真空玻璃技术有限公司 唐健正教授.技术总监、研究所长
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吨的大气压力，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，目前产品中的支撑物直径在0.3mm-0.5mm之间，高度在0.1-0.2mm之间。真空玻璃的结构如图1所示： 图1 真空玻璃的基本结构
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及残余气体传热三部分构成，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。
图2 真空玻璃和中空玻璃的传热机理示意图
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，膜的发射率（也称辐射率）越低越好。二者的不同点是真空玻璃不但要确保残余气体传热小到可忽略的程度，还要尽可能减小支撑物的传热，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，要减小气体传热，还可用大分子量的气体（如惰性气体：氩、氪、氙）来代替空气，但即便如此，气体传热仍占据主导地位。
一．真空玻璃热导和热阻及传热系数的简单计算方法
1．两平行表面之间的辐射热导可由下式估算
C辐射=ε有效σ（T14-T24）/（T1-T2）…………………………………………（1）
式中 T1，T2是两表面的绝对温度，单位为K
ε有效是表面有效辐射率
σ是斯忒芬—波尔兹曼（Stefan-Boltzmann）常数，其数值为5.67×10-8Wm-2K-4。
在两平行表面温差不大（如数十度）的条件下，可用下面公式（2）计算，误差在百分之一以内。 C辐射=4ε有效σT3 ………………（2）
T是两表面的平均绝对温度。1）和（2）式中ε有效为有效辐射率，由下式（3）计算：
ε有效=（ε1-1+ε2-1-1）-1…………（3）
式中 ε1是表面1的半球辐射率。 ε2是表面2的半球辐射率。
计算例：真空玻璃的一片玻璃是4mmLOW-E玻璃，辐射率为0.10，另一片是4mm普通白玻，辐射率为0.84， 则可算出ε有效=（10+1.19-1）-1=0.098
按我国测试标准，室内侧温度：T1=18+273=291K 室外侧温度：T2=-20+273=253K
平均温度：T=272K 公式（2）可简化为C辐射=4.564ε有效
据此可算出C辐射=0.447 Wm-2K-1 R辐射=1/C辐射＝2.237 W-1m2K
2． 圆柱支撑物热导可由公式（4）计算
…
…
……………………………………………(4)
式中 λ玻为玻璃导热系数，约为0.76 Wm-1K-1
h为支撑物高度，单位为m
a为支撑物半径，单位为m
b为支撑物方阵间距，单位为m
λ支撑物为支撑物材料的导热系数，单位为Wm-1K-1
目前国内外均选用不锈钢材料制作支撑物，使得λ支撑物比λ玻大20倍以上，支撑物高度h又比半径a小，故公式（4）可简化为
…………………………………………………………………(5)
计算例：当支撑物选用a=0.25mm,h=0.15mm 方阵间距b=25mm
则C支撑物=0.608Wm-2K-1
我国新立基公司的专利采用环形（又称C形）支撑物，热导还可比上述计算值小10%至20%。此例中
C支撑物可按0.50Wm-2K-1计，则
支撑物热阻
正在研制的支撑物半径a=0.125mm，则C支撑物 将减小一倍，为0.25 Wm-2K-1
3．真空玻璃中的残余气体热导
真空玻璃生产工艺要求产品经过350℃以上高温烘烤排气，不仅把间隔内的空气（包括水气）排出，而且把吸附于玻璃内表面表层和深层的气体尽可能排出，使真空层气压达到低于10-1Pa（也就是百万分之一大气压）以下，这样残余气体传热才可以忽略不计。
实验证明，在使用过程中，温度升高和阳光照射还会使玻璃表层放出水气和CO2等气体，
破坏真空度，破坏真空玻璃热性能。因此，在真空玻璃中还需放入吸气剂来不断吸收这些气体，以确保真空玻璃的长期寿命。
理论上，在气压低到气体分子平均自由程远大于真空玻璃间隔时，气体热导可用公式（6）计算。
……………………………………………………（6）
式中=12 /[ 2+ 1（1- 2）] 为气体综合普适常数
其中1和2分别为两个表面的气体普适常数
P是气体压强，单位为Pa
γ是气体的比热容比
T为间隔内两表面温度的平均值
M是气体的摩尔质量
R是摩尔气体常数
对于常温下的空气（含水气）=0.5，可得到：
C气=0.375P ………………………………………………………………（7）
C气单位：Wm-2K-1
由此可见
当P=0.1Pa时 C气=0.0375 Wm-2K-1
当P=1Pa时 C气=0.375 Wm-2K-1
以1中计算例的辐射率为0.10的单LOW-E膜真空玻璃的计算结果：
辐射热导：C辐射=0.447 Wm-2K-1 由2中支撑物热导C支撑物=0.50 Wm-2K-1
如果P=0.1Pa，则真空玻璃热导：
C真空= C辐射+C支撑物+C气 =0.447+0.50+0.0375=0.9845（Wm-2K-1）
可算出C气在C真空中占的比例约为百分之四
如果P=1Pa，则可算出此比例将接近30%，此时C气的值已接近C辐射或C支撑物，而且随着真空玻璃内表面的放气，C气还会不断增大，逐渐使真空玻璃的性能变坏，这显然是不可接受的。所以如前所述，真空玻璃的生产工艺必须确保真空度达到并保持小于10-1Pa的水平。这样残余气体传热的影响才能小到可忽略的程度。
4．玻璃板的热导和热阻的计算
由于钠钙玻璃（建筑玻璃）导热系数λ玻约为0.76 Wm-1K-1，当厚度为h时，玻璃热导
C玻=λ玻/h,热阻R玻=1/ C玻=h/λ玻，常用玻璃板的热导和热阻如表1所示：
表1 常温下钠钙玻璃的热导和热阻
玻璃厚度h(mm) | 2.5 | 3.0 | 3.5 | 4 | 5 | 6 | 8 | 10 |
热导C玻（Wm-2K-1） | 304 | 253 | 217 | 190 | 152 | 127 | 95 | 76 |
热阻R玻（W-1m2K） | 0.003 | 0.004 | 0.005 | 0.005 | 0.007 | 0.008 | 0.011 | 0.013 |
K(1/R) | 3.34 | 2.5 | 2.0 | 2.0 | 1.43 | | | |
| | | | | | | | |
5．真空玻璃热阻和热导的计算
有了以上1-4中的数据，可以简便地估算真空玻璃的热导和热阻，图3为真空玻璃热阻构成示意图。
图3 真空玻璃热阻构成示意图
图中 R1为内玻璃板热阻 R2为外玻璃板热阻 R辐射为辐射热阻 R支撑物为支撑物热阻
R气为残余气体热阻 R真空为真空玻璃热阻 如果残余气体热导C气很小，
则很大，可忽略其影响，这样真空玻璃热阻R真空可由公式（8）计算：
……… ………………（8）
真空玻璃热导
则上面1中计算例的真空玻璃的R辐射=2.237
由2中取R支撑物＝2W-1m2K
由表1取 R1=R2 =0.005 W-1m2K
则由公式（8）可算出真空玻璃热阻R真空＝1.066W-1m2K
真空玻璃热导C真空= 0.94 Wm-2K-1
6．真空玻璃传热系数的计算
传热系数定义为当室内外温差为1K时，单位时间通过1m2面积玻璃从室内空气到室外空气传递的热量。我国法定计量单位为Wm-2K-1。中国和欧洲称为K值，美国称为U 值。一般指在没有太阳辐射条件下的冬季传热系数。
其传热构成如图4所示
图4 传热系数构成示意图
真空玻璃传热系数K或U值均可按公式（7）或（8）计算
…………………………………………………（7）
或
…………………………………………………（8）
式中 C真空为真空玻璃热导
R真空 为真空玻璃热阻
C内为内表面换热系数
R内为内表面换热阻
C外为外表面换热系数
R外为外表面换热阻
R传 称为传热阻
K（或U）为传热系数
计算传热系数时要注意因各国标准不同，因此计算结果也略有不同，表2列出各国对计算传热系数的边界条件规定。
表2 各国标准中对传热系数边界条件的规定
标准 | 传热系数符号 | 测试条件 | 内表面换热系数 （Wm-2K-1） | 外表面换热系数（Wm-2K-1） |
室外温度 ℃ | 室内温度 ℃ | 室外气流 m/s | 室内气流 m/s |
中国GB10264 | K冬 | -20 | 18 | 3.0 | 自然对流 | 8.7 | 23 |
欧EN673 | K | -10 | 15 | 自然对流 | 自然对流 | 8 | 20 |
美国ASHEAE | U冬 | -17.8 | 21.1 | 6.7 | 自然对流 | 8.3 | 30 |
| | | | | | | |
计算K值或U值时应注意两点，一点是各国对于（R内+R外）规定不同：
中国：1/8.7+1/23=0.1584
欧洲：1/8+1/20=0.175
美国：1/8.3+1/30=0.1538
另一点注意是各国对于环境温度规定不同，因此在计算辐射热阻时采用的温度是不同的。因而算出的辐射热阻值不同，真空玻璃热阻R也不同。
应该指出，上述的规定只是为了给传热系数的测量和计算制定一个统一标准，也使产品的性能标示具有可比性。实际应用时，传热系数值因时因地而异，可根据实际情况计算。
表3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。
表3 三种可用于真空玻璃的LOW-E玻璃的参数
序号 | 厚度 保温玻璃膜mm | 辐射率 ε | 可见光透过率 % | 太阳能透过率% | 外观颜 | 遮阳系数 SC% | 太阳能得热系数 SHGC% |
1 | 4 | 0.20 | 83 | 69 | 浅黄 | 82 | 73 |
2 | 4 | 0.17 | 82 | 68 | 净 | 82 | 73 |
3 | 4 | 0.10 | 71.2 | 49.4 | 兰灰 | 62 | 55 |
| | | | | | | |
表4给出以上三种LOW-E玻璃制成的四种真空玻璃的传热系数计算结果。
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