真空玻璃如何助力碳中和？技術原理與實踐案例

發布日期：2025-03-14 來源: 瀏覽：

針對真空玻璃在碳減排方面相比傳統中空玻璃是否有優勢的問題，德國應用能源研究中心（CAE）聯合達姆施塔特工業大學等機構，對兩種產品進行了生命周期分析（LCA）,客觀、全面地對比了碳排放數據。其中真空玻璃的生產、運輸等流程參考了是洛陽蘭迪鈦金屬真空玻璃有限公司提供的數據。

1. 什么是生命周期分析？

生命周期分析描述的是用于總結和評估與企業、產品或生產過程相關的環境污染問題的綜合概念。其研發目的是以整體的方式客觀地記錄和對比產品的環境影響。

根據ISO 14040和ISO 14044，產品的生命周期可以理解為“從搖籃到墳墓”（cradle-to-grave）。其中，產品的生命之路始于原料和能源獲取，經由中間產品和最終產品的制造、使用階段，直至廢棄處置。此外，還存在其他的生命周期分析，如“cradle-to-gate（從搖籃到大門）”，其大幅簡化了評估的復雜性，因而常用于環境保護聲明（EPD）。以及“cradle-to-cradle（從搖籃到搖籃）”，其為循環經濟的概念，以回收利用替代廢棄處置，由此，部分產品可以回收利用，從而形成閉環（參考圖1）。

圖1  不同生命周期階段的介紹

以玻璃的生命周期分析為例，需要分析其結構（材料）、生產過程、運輸里程、安裝施工過程等，以確定初始的能耗量。其服役階段，需要考慮到德國最常見的供暖方式，根據統計數據，確定為冷凝燃氣鍋爐，冷凝燃氣鍋爐供暖的排放根據隔熱值逐年增加。即可統計出不同玻璃產品的能耗曲線。

2. 真空復合中空玻璃（VIG+）與市售充氬和充氪的三玻兩腔中空玻璃（3-IG）的對比

①產品定義與描述

所實施的生命周期分析屬于平板玻璃產品組，對以下方面進行分析：

- 1×1 m的統一規格；

- 真空復合中空玻璃：由真空玻璃和基于典型中空結構的附加玻璃片構成。

- 充填稀有氣體的3層結構的中空玻璃，充氣種類有：

○ 氬氣（3fAr）和

○ 氪氣（3fKr），

②結構定義如下：

- VIG+：2片4mm的鋼化玻璃，具有200至400 μm的真空空隙，以及4 mm的附加浮法玻璃片，具有16 mm的充氬中間空隙，Ug,VIG+= 0.32 W/(m2*K)

簡稱：4T/0.3V/4T/16Ar/4F。

- 3fAr：具有4F/16Ar/4F/16Ar/4F的3層充氬氣玻璃 Ug,3fAr值 = 0.7 W/(m2*K)。

- 3fKr：具有4F/12Kr/4F/12Kr/4F的3層充氪氣玻璃。Ug,3fKr值 = 0.5 W/(m2*K)。

③導入LCA for Experts軟件模擬生產過程：

圖2展示VIG+的生產過程

圖2  VIG+生產過程：包含基于已知經由亞洲集裝箱船的VIG產品交付量的亞洲VIG估計產量、德國典型的載重汽車運輸線路以及亞洲和德國的相應電力結構。使用階段包含用于供暖的冷凝燃氣鍋爐的使用。

表1示出制造1 m2的VIG+所用的材料和能源量。

表1：制造VIG+的預計材料和能源量

同樣地過程，可以模擬兩種充氣類型三玻兩腔玻璃所用的材料和能源量，如表2

表2：制造3-IG的預計材料和能源量

進一步延伸，材料的獲得也需要能源，以稀有氣體為例，由于這兩種氣體均通過林德法，即通過空氣的液化獲得，因此，單位體積的空氣液化的能耗相同。但從100 kg空氣中可以提取約0.93 %·的氬氣，而氪氣僅有約0.000114 kg。這個比例表明，獲得氪的能量需求大約高出8200倍。因此，對環境的影響，也就是溫室效應（GWP，全球增溫潛勢用于確定氣候方面的影響。其中，所有物質均換算為CO2當量。因此，單位為[ kg CO2 – Eq.]），也會大幅增加。

④結果及分析

軟件計算出上述三種產品的GWP 100值。除產品的制造外，還求出部件的相應傳輸熱損失以及建筑在20年間的供暖需求，由此得出產品的年GWP增加量，其對應于Ug值具有不同的增幅。下列圖表中示出三個變體的總GWP（圖3），以及稀有氣體、所用玻璃和供暖的影響。

圖3  VIG+以及充氬氣和充氪氣的3層中空玻璃的cradle-to-grave（搖籃到墳墓）研究的全球變暖潛能值；“總計”代表供暖、稀有氣體、玻璃和其他相加；“供暖”是指冷凝燃氣鍋爐在20年的工作時長內產生的CO2排放

從上圖可以看出：

（1）以20年的服役期限來看，VIG+的總體CO2排放當量最低。

（2）窗的工作階段對GWP影響較大。總體CO2排放當量中，供暖部分占比一半以上。各數值也與Ug直接相關，Ug越低，CO2排放當量越低。

（3）氪氣因難以獲取，初始CO2當量最高；

（4）VIG+因在對比模型中，使用的為鋼化玻璃，所以數值偏高一些。若統一使用鋼化玻璃，三種產品的碳排放差異可能進一步縮小。

如果以服役年限為橫坐標，畫出隨服役年份增加的CO2排放當量曲線，如下圖4：

圖4  以年為單位的CO2排放當量曲線

從圖中可知：

（1）充Ar三玻兩腔中空的初始投入最低，其次是VIG+，充Kr三玻兩腔中空明顯更高；

（2）由于充Ar三玻兩腔中空Ug值最高，其在4.4年后與VIG+相交，在32年后與充Kr三玻兩腔中空相交。

結論：

（1）基于所實施的LCA分析，必須指出，與參照物充Ar三玻兩腔中空玻璃相比，真空復合中空玻璃的“GWP投資回報時間”為較短的4.4 年，遠低于公布的真空玻璃使用壽命，因此，在排放方面具有明顯優勢。

（2）根據研究數據，充氪氣三玻兩腔中空玻璃的生態和經濟成本較高，其改進阻隔性能的邊際效益較低。