Practical Engineering 演示玻璃科学如何让窗户减少代价

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你有没有认真思考过窗户？真正去琢磨过这个概念？如果我们不是一辈子都接触窗户，它听起来可能会有点怪异。表面上看，窗户关乎光线。但事情远比这更深奥，尤其是现在我们已经能自己造光了。我们想待在室内，但又不想完全与外界隔绝。于是我们在墙上开洞。这是一笔相当大的取舍：你得到了光线和室外的景色，但也要付出代价。不仅是玻璃本身的成本，还包括它们所需的结构改动，以及它们对建筑内通风、隔音、制冷、供暖、安全和安保的影响。

窗户看似简单，实则是一门技术。和许多建筑科学一样，我们一直在慢慢进步，不断重新调整这些取舍，让我们获得好处，而不必承担那么多代价。我喜欢挑一个建筑环境中相对不起眼的部分，认真仔细地研究一番。所以，我在车库里做了几个演示，向大家展示玻璃科学的进步有多大。我是Grady，这里是Practical Engineering。

在很多方面，玻璃都不是外墙的好替代品。如果你把一些墙拆掉换成窗户，这可不是等价交换。首先，你永远不会不小心把棒球扔穿一堵砖墙。但在隔热方面尤其如此。这可是件大事，因为我们集体花费巨额的资金、资源、精力和能源，来维持建筑内部舒适的热环境。几乎在所有时间、几乎所有地方，建筑外的温度都与我们想要的室内温度不同。但物理定律（同样在所有时间、所有地方）一直在努力让这些温度趋于平衡。

我们通常把热流分为三种模式。传导是热量穿过固体物体，紧密排列的原子或分子通过相互振动，直接把能量传递给相邻的原子或分子。对流是通过空气或水等流体的移动进行的热传递。辐射是通过电磁波进行的热传递。由于辐射本质上就是光，它不需要介质。这三种模式在建筑墙体中都起作用。当然，它是双向的：有时外面太热，你想把热量挡在外面。有时太冷，你想把热量留在室内。任何从内到外或从外到内的热量移动都是一种功率流，就像我们用电力来衡量的那样。如果有500瓦的热量从你家流出去，你基本上需要在室内用一台500瓦的加热器来弥补损失，以维持稳定的温度。就像电压是驱动电流的电势差一样，热流也是由温差驱动的。温差越大，通过给定墙体的热流就越大。

继续用电力来打比方，保温材料是我们用来描述阻止热量从一侧传到另一侧的材料的总称。我们把它用在墙里是合情合理的。在美国，我们用R值来衡量这种阻力。这算是个很坑的计量单位，所以我打算略过科学定义。但是，典型的外墙组件通常R值在10到25之间，具体取决于气候和建筑的年代。一块简单的玻璃R值约为1。让我演示给你们看。

我在车库里用泡沫保温材料搭了这个箱子。里面有一个25瓦的陶瓷加热器。我可以把它封起来，等内部温度稳定下来。当温度稳定时，我们可以假设进入箱子的热量与流出的热量相同。

好，现在基本上稳定了，你可以看到内部和外部的探头温差大约是43华氏度，我想大概是24摄氏度。这是R-5的泡沫，所以如果你算一下这个尺寸的完美密封箱体，应该差不多是50华氏度，28摄氏度，嗯，考虑到我搭建中的不完美之处，比如这个糟糕的胶带密封，实际上已经很接近了。嗯，现在我要把这个盖子换上一块玻璃，然后再让它跑一会儿。

好，现在稳定了。你可以看到车间内的温度并没有真正变化，但箱子内部的温度相比泡沫盖子下降了很多。温差大约是22华氏度，我想大概是13摄氏度。所以，仅仅把箱子的一面从泡沫换成玻璃，要排出同样的25瓦热量，所需的温差就小得多。

我相信你看到了问题所在。如果我们想在建筑里装窗户，就要付出热效率的代价。每当我们用单层玻璃窗替换一平方英尺或一平方米的外墙，热量穿过那个空间的速度大约会快10到25倍。所以，我们现在很少再用单层玻璃了。几乎所有现代窗户都使用两层，有时甚至三层玻璃，中间有一个密封的空气层。有时这个间隙会填充氩气或氪气等重气体，它们的传导和对流更低。甚至还有真空绝热板，里面没有空气，完全消除了对流。这看起来是个简单的改变，但效果却大不相同。

我正好有一块双层玻璃组件，所以我们可以再试一次这个实验。

好，这个演示现在已经稳定了，你可以看到温差正好是30华氏度，17摄氏度。记住，用泡沫盖子时大约是43度，用单层玻璃时大约是23度。所以这基本上正好在中间。它不如没有窗户时好，但比单层玻璃好多了。

（原文较长，此处译出前 6000 字，完整内容请点「打开原文」。）