真空玻璃如何助力碳中和？技术原理与实践案例

真空玻璃如何助力实现碳中和

针对真空玻璃在碳减排方面相比传统中空玻璃是否有优势的问题，德国应用能源研究中心（CAE）联合达姆施塔特工业大学等机构，对两种产品进行了生命周期分析（LCA）,客观、全面地对比了碳排放数据。其中真空玻璃的生产、运输等流程参考了是洛阳兰迪钛金属真空玻璃有限公司提供的数据。

1. 什么是生命周期分析？

生命周期分析描述的是用于总结和评估与企业、产品或生产过程相关的环境污染问题的综合概念。其研发目的是以整体的方式客观地记录和对比产品的环境影响。

根据ISO 14040和ISO 14044，产品的生命周期可以理解为“从摇篮到坟墓”（cradle-to-grave）。其中，产品的生命之路始于原料和能源获取，经由中间产品和最终产品的制造、使用阶段，直至废弃处置。此外，还存在其他的生命周期分析，如“cradle-to-gate（从摇篮到大门）”，其大幅简化了评估的复杂性，因而常用于环境保护声明（EPD）。以及“cradle-to-cradle（从摇篮到摇篮）”，其为循环经济的概念，以回收利用替代废弃处置，由此，部分产品可以回收利用，从而形成闭环（参考图1）。

以玻璃的生命周期分析为例，需要分析其结构（材料）、生产过程、运输里程、安装施工过程等，以确定初始的能耗量。其服役阶段，需要考虑到德国最常见的供暖方式，根据统计数据，确定为冷凝燃气锅炉，冷凝燃气锅炉供暖的排放根据隔热值逐年增加。即可统计出不同玻璃产品的能耗曲线。

2. 真空复合中空玻璃（VIG+）与市售充氩和充氪的三玻两腔中空玻璃（3-IG）的对比

①产品定义与描述

所实施的生命周期分析属于平板玻璃产品组，对以下方面进行分析：

- 1×1 m的统一规格；

- 真空复合中空玻璃：由真空玻璃和基于典型中空结构的附加玻璃片构成。

- 充填稀有气体的3层结构的中空玻璃，充气种类有：

○ 氩气（3fAr）和

○ 氪气（3fKr），

②结构定义如下：

- VIG+：2片4mm的钢化玻璃，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的充氩中间空隙，Ug,VIG+= 0.32 W/(m2*K)

简称：4T/0.3V/4T/16Ar/4F。

- 3fAr：具有4F/16Ar/4F/16Ar/4F的3层充氩气玻璃 Ug,3fAr值 = 0.7 W/(m2*K)。

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

③导入LCA for Experts软件模拟生产过程：

图2展示VIG+的生产过程

图2  VIG+生产过程：包含基于已知经由亚洲集装箱船的VIG产品交付量的亚洲VIG估计产量、德国典型的载重汽车运输线路以及亚洲和德国的相应电力结构。使用阶段包含用于供暖的冷凝燃气锅炉的使用。

同样地过程，可以模拟两种充气类型三玻两腔玻璃所用的材料和能源量，如表2

进一步延伸，材料的获得也需要能源，以稀有气体为例，由于这两种气体均通过林德法，即通过空气的液化获得，因此，单位体积的空气液化的能耗相同。但从100 kg空气中可以提取约0.93 %·的氩气，而氪气仅有约0.000114 kg。这个比例表明，获得氪的能量需求大约高出8200倍。因此，对环境的影响，也就是温室效应（GWP，全球增温潜势用于确定气候方面的影响。其中，所有物质均换算为CO2当量。因此，单位为[ kg CO2 – Eq.]），也会大幅增加。

④结果及分析

软件计算出上述三种产品的GWP 100值。除产品的制造外，还求出部件的相应传输热损失以及建筑在20年间的供暖需求，由此得出产品的年GWP增加量，其对应于Ug值具有不同的增幅。下列图表中示出三个变体的总GWP（图3），以及稀有气体、所用玻璃和供暖的影响。

从上图可以看出：

（1）以20年的服役期限来看，VIG+的总体CO2排放当量较好。

（2）窗的工作阶段对GWP影响较大。总体CO2排放当量中，供暖部分占比一半以上。各数值也与Ug直接相关，Ug越低，CO2排放当量越低。

（3）氪气因难以获取，初始CO2当量较好；

（4）VIG+因在对比模型中，使用的为钢化玻璃，所以数值偏高一些。若统一使用钢化玻璃，三种产品的碳排放差异可能进一步缩小。

如果以服役年限为横坐标，画出随服役年份增加的CO2排放当量曲线，如下图4：

从图中可知：

（1）充Ar三玻两腔中空的初始投入较好，其次是VIG+，充Kr三玻两腔中空明显更高；

（2）由于充Ar三玻两腔中空Ug值较好，其在4.4年后与VIG+相交，在32年后与充Kr三玻两腔中空相交。

 结论：

（1）基于所实施的LCA分析，必须指出，与参照物充Ar三玻两腔中空玻璃相比，真空复合中空玻璃的“GWP投资回报时间”为较短的4.4 年，远低于公布的真空玻璃使用寿命，因此，在排放方****有明显优势。

（2）根据研究数据，充氪气三玻两腔中空玻璃的生态和经济成本较高，其改进阻隔性能的边际效益较低。