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真空玻璃用于既有玻璃幕墙改造的可行性探讨（一）

发布时间：2010-03-18

【作 者】: 唐健正 蒋毅

【摘 要】:新研制成功的钢化和半钢化玻璃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。

【关键字】:半钢化真空玻璃  门窗幕墙节能改造

    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”

                   图1　真空玻璃的基本结构
    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。

       表1 钢化玻璃和半钢化玻璃标准规定的表面应力值（MPa）

    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3—5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。

     表2 五个著名高层建筑玻璃幕墙选用的夹层中空玻璃类型及参数

    *T6：6mm半钢化玻璃
    1.14：1.14mm胶片
    16A：16mm气体层

    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。
      表3 半钢化真空玻璃和普通真空玻璃的传热系数相关数据对比

     ﹡国家建筑工程质量监督检验中心检测 ，样品尺寸1000×1200mm
    ﹡﹡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1127×1425mm，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ε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0.3—0.6Wm-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0.6—0.9Wm-2K-1之间。充氩气（间隔≥12mm）中空玻璃在1.1—1.5 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0.8—1.0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。

                    表4几种墙体的厚度和K值

    *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。

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