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半钢化真空玻璃用于既有玻璃幕墙改造的可行性探讨 来源:北京新立基真空玻璃技术有限公司 作者:唐健正 蒋毅 日期:2010-7-13摘要：新研制成功的钢化和半钢化真空玻璃K值可达0.3-0.6Wm-2K-1,厚度可在6-12mm范围选择。本文从热工性能角度探讨将其用于既有门窗幕墙节能改造的可行性。既有玻璃幕墙不节能的重要原因之一是玻璃热工性能差，主要指标之一传热系数（K值或U值）高，单层玻璃约为6 Wm-2K-1，早期使用的普通中空玻璃约为3 Wm-2K-1,远高于一般墙体的传热系数，这就使内外温差造成的传热很高。另一项主要指标遮阳系数（Sc）也与当地节能要求或建筑物朝向不匹配，使阳光透过玻璃的辐射热很高，增大了空调能耗，特别是南方地区或北方夏季南向和西向幕墙能耗增高 。改造既有门窗幕墙尽可能不要大拆大改，最好是在原有结构基础上进行补偿性改造。在玻璃幕墙内加装一片真空玻璃是一种简单、有效且经济的选择，国外对既有建筑幕墙改造大多也采用补偿性改造，比如日本板硝子公司生产的真空玻璃大量用于更换老建筑的门窗玻璃，当使用6mm厚真空玻璃时，原有的窗框不必更换，不仅节约了资源，也不改变建筑物原貌。荷兰在改造古建筑时，也采取同样的方法。最近，美国一些著名的老建筑物争相启动节能改造，对门窗幕墙的改造是其中的主要方面，也大多采取更换玻璃或加装一层玻璃的方式，这些情况值得我国借鉴。国内一些专家学者早就提出过用加装真空玻璃对既有幕墙进行改造的建议1，不过由于种种原因未能付诸实施。时过境迁，真空玻璃技术不断取得进展，新近研制成功的钢化及半钢化真空玻璃无论在热功性能和安全性上都比前些年生产的普通真空玻璃有突出的进步2，半钢化真空玻璃已开始小批量投产，钢化真空玻璃估计将在新生产线建成后，于2011年初投产，它们的投产将为既有门窗幕墙改造提供一种高效节能的新玻璃材料。下面对现已投产的半钢化真空玻璃的性能及用于门窗幕墙改造的可行性作一介绍。一、什么是“半钢化真空玻璃”在图1所示的真空玻璃结构中，两片玻璃不是普通玻璃而是半钢化玻璃，则称为“半钢化真空玻璃”。普通玻璃通过深加工处理，使玻璃表面形成压应力层，玻璃强度会大大提高，可称为强化玻璃。又依表面压应力不同，分为钢化玻璃和半钢化玻璃两个品种3，其表面应力如表1所列。二、为什么要研制“半钢化真空玻璃”钢化玻璃强度高，抗冲击强度和抗弯强度比普通玻璃高35倍，抗热冲击性能也大大提高，而且破碎后形成不带尖锐刀锋的小颗粒，对人伤害小。但由于多种复杂的原因，钢化玻璃发生“自爆”的机率较高，研究表明，特别是当表面压应力52.0MPa时，由于玻璃内部杂质引起的自爆机率大大增加。测试结果表明，按特定工艺制成的半钢化玻璃的抗弯强度比普通玻璃高约4倍，虽然比钢化玻璃略低，但不会发生自爆，对于高层门窗幕墙，使用半钢化夹层玻璃，即使撞碎也不会有尖锐碎片伤人。因此，我国很多幕墙专家呼吁使用表面压应力50 MPa左右的半钢化夹层玻璃作为高层幕墙玻璃的首选，既有一定强度，又达到安全、可靠的目的4。因此，近年来，特别是对于高层幕墙建筑，不用钢化玻璃的呼声日高。新近建成或将要建成的上海环球金融中心、中央电视台新址等一批大型公共建筑物都全部采用半钢化玻璃。表2给出一些建筑使用半钢化玻璃的概况。三、半钢化真空玻璃的优越性能1、传热系数（K值或U值）极低，为节能玻璃之“世界冠军”。传热系数（K值或U值）是当室内外空气温差为1度时，单位时间内通过单位面积的玻璃窗室内外空气间传递的热量，我国法定单位为Wm-2K-1。传热系数的降低标志着半钢化真空玻璃在保温隔热性能上的优势。表3给出目前研制成功的半钢化真空玻璃传热系数相关数据的对比。国家建筑工程质量监督检验中心检测 ，样品尺寸10001200mm同上样品由中国建筑材料检验认证中心检测，为包括边缘热导的K值。美国Natianal Fenestration Rating Council 检测，样品尺寸11271425mm，为包括边框在内的U值。未标号实测值为东方新立基真空玻璃研究所测量值表3中所列的辐射率为0.11和0.03的两种LOW-E玻璃都是市场上已有供应的。单LOW-E半钢化真空玻璃的传热系数已在0.30.6Wm-2K-1范围，比普通真空玻璃和中空玻璃大幅度降低，用这些LOW-E玻璃制作的普通真空玻璃在0.60.9Wm-2K-1之间。充氩气（间隔12mm）中空玻璃在1.11.5 Wm-2K-1之间。可见，半钢化真空玻璃的传热系数可毫无疑义地称为“世界冠军”。由表3参数可见，即使计入边框热导，传热系数仍在0.81.0之间，这说明玻璃使整窗性能大大提升。表4给出三种墙体的K值，第一种是传统的37粘土砖墙，另两种是适合寒冷和严寒地区的保温墙板，而表3中半钢化真空玻璃的性能已达到和超过这种墙体，而厚度仅是墙体的几十分之一。此对比形象地说明真空玻璃优异的保温性能。*数据取自顾同曾“加气混凝土单一保温节能墙体体系研究”建设科技2009年2月上P26 2、强度大幅提高1）与中国建筑材料研究院合作，按国标要求的四点弯曲法对半钢化真空玻璃的玻璃板进行破坏拉应力检测，结果表明，在表面应力为5080MPa范围内，强度约为普通玻璃4倍，约50MPa时冲击后裂缝为辐射状，半钢化特性最显著。当表面应力约为95MPa时，强度约为普通玻璃5倍，冲击后粉碎为小颗粒，呈完全钢化玻璃特征。2）抗风压强度达到国家标准最高级表5列出半钢化真空玻璃及普通真空玻璃抗风压强度的测试结果。测试结果显示半钢化真空玻璃风压变形性小，破坏风压高，已达到国家标准最高级。如果在上述半钢化玻璃两侧再用两块玻璃作成复合夹层真空玻璃，抗风压强度将更高。3）抗温差强度更高用如图2所示热箱对真空玻璃作温差试验。图2中上盖玻璃为800800mm的单LOW-E真空玻璃。箱内加热器加热功率可调控，由温差引起玻璃弯曲的变形量可由千分表测出。测量结果如表6所示。由表6可见，半钢化真空玻璃在内表面温度达到100，内外表面温差T将近80时仍能保持完好，实验中保温时间超过半小时，试验后真空玻璃K值无变化。4）抗冲击性能提高试验表明，半钢化真空玻璃抗冲击性能有明显提高，但根据我国标准规定半钢化玻璃不能列入安全玻璃类别。目前，建议在高层门窗幕墙等要求安全玻璃的场合使用夹层半钢化真空玻璃或外夹层内贴膜半钢化真空玻璃。经过不断研究改进，半钢化真空玻璃两侧可用特种类别和不同厚度（如0.381.52mm）的中间膜加两片不同类别和厚度的玻璃（如36mm厚的普通玻璃或半钢化玻璃）制作成双面夹层半钢化安全真空玻璃，在要求不高的场合，可减少一片玻璃，使厚度和重量减少。夹层或贴膜对K值影响不大，但安全性能有大幅提升。表7归纳上述各项性能，列出三种类型夹层半钢化真空玻璃的性能参数范围。3、隔声性能优于普通真空玻璃真空层是隔声的，真空玻璃中由于有支撑物形成“声桥”，使隔声性能有所下降，但仍比普通玻璃好5。半钢化玻璃中支撑物数量大大减少，少于普通真空玻璃的四分之一，因此从理论上看，隔声性将提高，测试结果如表8所示。检验单位：国家建筑工程质量检验中心 2009.3很显然，如果把表8中样品的玻璃和夹层加厚，达到国家级标准45dB以上也是可能的。4、其它性能优势1）抗“结霜”、“结露”性能优越由于K值低，热阻高，抗外表面结露结霜性能比普通真空玻璃更好。由于间隔层是真空，杜绝了中空玻璃常有的内结雾结露现象。2）使用寿命长由于间隔层是全玻璃材料密封真空层，解决了低辐射LOW-E膜很怕受潮氧化的问题，又加有长效吸气剂，内部又没有如显像管和灯泡等电真空器件中必须装的发热元件，所以现代真空技术完全可以保证真空玻璃达到20年以上的真空寿命。3）适用范围更广由于真空玻璃本身是负压器件，不存在运到高原低气压地区或遇到负风压时产生胀裂问题，也不存在水平和倾斜安装时中空玻璃存在的热导变大的问题，可用于高层及高空，也可用于屋顶和倾斜墙面。4）半钢化真空玻璃比普通真空玻璃更美观由于玻璃板强度增加，支撑物间距加大1倍以上，数量减少为普通真空玻璃的四分之一以下，支撑物直径也可做的更小，肉眼更“难”看到和看清支撑物的存在，使半钢化真空玻璃给人的感觉更通透、更美观。四、在既有玻璃幕墙内侧加装半钢化真空玻璃的热工参数简析如果既有玻璃幕墙是单玻，内侧加装真空玻璃后形成“真空+中空”结构，如果既有玻璃幕墙是中空玻璃，则加装后形成“真空+中空+中空”结构。前者的中心区域总热阻是R真空+R中空，后者则是R真空+R中空+R中空，普通中空玻璃的空气间隔为9mm时，K值为3.0，R中空为0.17；空气间隔为12mm时，K值为2.9，R中空为0.19；玻璃厚度对此值影响不大，我们就以R中空为0.19计算，以目前已生产的半钢化真空玻璃K值0.6，R真空为1.5计算，改造后的玻璃K值如表9所列。由表9数据可见，加装真空玻璃后K值可下降6-10倍，使玻璃达到先进保温墙体的水平。大大优于新建中空玻璃幕墙的水平，如中央电视台新址主楼中空玻璃K值约为1.4。既有玻璃幕墙的框材的传热系数都比较高，铝合金框材的K值在4.2-6.2（Wm-2K-1）之间，以K值为5估算，如果窗框比为10%，做最简易的估算，改造前后连框架的传热系数变化如表10所示。可见，带框的K值可下降3-6倍，这里是用玻璃的性能提升弥补了框材的不足，这样的指标可以满足我国大部分地区节能标准的要求。涉及节能热工性能的是另一项指标遮阳系数则可通过选择真空玻璃的LOW-E膜和玻璃的颜色来达到，可根据用户的要求设计确定。五、既有幕墙节能改造的经济效益和社会效益众所周知，玻璃幕墙建筑优点多多，但由于能耗高而成为许多地区禁建的对象。我国既有玻璃幕墙存量估计超过1亿平米，每年还以1500-2000万平米的数量增加，不节能的玻璃门窗幕墙吞噬着数以亿吨计的煤和石油，不仅浪费能源而且造成严重环境污染，危害着人民的生命安全，世界20个重度污染城市中我国占了16个。玻璃门窗幕墙的能耗是看不见摸不着的，节能改造也远不如建立新能源般引人注目。事实上，当夏季室外温度为35，室内温度维持到25，玻璃内外温差为10，此时，K值为6的玻璃传热相当于一盏每平米60W灯泡，用空调补偿此能耗则需要120W的电耗，如果把K值降低10倍，此能耗也降低10倍。在许多地区，冬季由玻璃门窗造成的能耗更高，全国数以亿平米计的既有玻璃门窗幕墙都进行改造，产生的效益是惊人的。结束语本文只是从热工角度探讨了真空玻璃应用于既有玻璃门窗幕墙改造的可行性，具体实践中还有许多工程技术问题要解决，例如增加玻璃会否对建筑物基础和框架承重造成影响，又如加装玻璃的工艺及方法等等，这些问题需要在实践中总结经验，更需要各方面专家的咨询和指教。参考文献：1龙文志：“上海金茂大厦玻璃幕墙节能探讨（上）”门窗与幕墙2007.4，P92