绿色建筑门窗系统中玻璃的优化解决方案——真空玻璃

绿色建筑,被动房,真空玻璃

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04-07

北京新立基真空玻璃技术有限公司 刘甜甜 唐健正

摘要:建筑节能热潮的兴起促生了很多绿色建筑,如主动房、产能房、零能耗建筑、被动房等。不管是何种绿色建筑,首先必须是低能耗的,这必然要求围护结构尤其是门窗要具有优良的保温隔热性能。在这样的环境下,真空玻璃便凸显了其应用于绿色建筑的优势——保温隔热、隔声性能佳、轻薄、应用地域广等。文章详细介绍了真空玻璃在绿色建筑中的应用及优势,并解析了真空玻璃在寿命、成本、工程应用及产业化等方面的几个问题。真空玻璃在绿色建筑应用中具有综合的性能优势,其产业化发展需要得到政府及相关部门的大力支持。

1、引言

随着全球建筑节能热潮的掀起,一些新型的节能建筑设计,如 “主动房(Active House)”、“产能房(Energy Plus House)”、“零能耗建筑(Zero Energy Consumption Buildings)”、“被动房(Passive House)”等绿色建筑不断涌现。这些建筑设计集成了各种节能原理和技术,力求最大限度节约资源并充分利用太阳能、风能等可再生能源,创造节能、环保、舒适的居住环境。

不管是哪种绿色建筑,首先起码是低能耗的,其围护结构必需具备优良的保温隔热性能,而门窗是建筑物的开口部,其性能是重中之重。合理的选择玻璃遮阳性能,尽可能降低玻璃U值,并选择优质框材,是决定门窗性能的关键,能够大幅度降低建筑能耗。

2、真空玻璃在绿色建筑中的应用

对于高端节能建筑,高端玻璃产品主要有真空玻璃和三玻两腔中空玻璃两种。中空玻璃产品应用比较早,技术上也相对成熟,高端产品通过选用优质Low-E并增加Low-E层数,加厚中空层厚度和充氩气等方式降低U值,真空玻璃则通过基本的配置就可以达到更低的U值。

目前,国内国际一些设计师已经开始把真空玻璃设计在这些建筑当中。例如,德国斯图加特大学教授,建筑结构设计研究院院长,世界著名建筑设计师Werner Sobek博士在主动房项目中采用如表1所示规格的新立基公司提供的真空玻璃,应用产品的建筑如图1所示。该项目建设地坐落在斯图加特市20世纪20年代完成的WeissenhofSiedlung建筑群中心,即在欧洲现代建筑史上很有纪念意义的“白院聚落 ”建筑博览会。欧洲很多著名的设计师都参与该地区房产的建筑设计,他们使用新建筑材料、新建筑方法为现代城市居民设计生活设施。

表1 Sobek 主动房项目真空玻璃产品参数表

注:1. 表中数据由Window7软件计算,按照ASHRAE标准选取边界条件。

2. 字母代号意义:T-半钢化或钢化玻璃,TL-半钢化或钢化镀膜玻璃,V-真空层。

3. 光热比是指材料的可见光透射比与太阳光总透射比的比值。该指标越高,表示在相同的太阳能得热下有更多的可见光投射入室。

Werner Sobek从政府的研究补助金及赞助商的帮助下集资近390万欧元支持该项目。100%可循环利用的节能房通过光伏板发电,不仅能够为周边社区的住宅提供电,还可以给电网供电。此能源样板房为85平米的单元联排房,利用2.5×1.7m的大型复合真空玻璃及固定在木质前墙上的可收缩阳台达到节能功效,是目前最高效节能方式。

在中德合作的河北秦皇岛被动式低能耗住宅示范项目“在水一方”项目中,也使用了真空玻璃。该项目是中德两国双边合作,由中国住建部与德国能源署共同实施的中国首个国家级技术项目之一,有望成为中国建筑节能领域的新一代标准。

“在水一方”项目由四栋按照德国被动式低能耗建筑标准设计施工的住宅楼组成,是在建中整体规模150万平方米的综合项目的一部分。项目建筑图如图2所示,每栋楼18层,45套房,共计6500平方米。该建筑各项节能指标均高于目前国内的节能标准,如要求门窗传热系数K值小于1W/(m2·K) 。表2是该项目采用的复合真空玻璃和三层Low-E双中空充氩气的结构,其中玻璃的太阳能总透射比和光热比可以通过选择不同的Low-E玻璃来调节。

表2   “在水一方”项目产品参数表

注:1.表中真空+半钢化真空玻璃为北京新立基真空玻璃有限公司提供。

2.表中数据由Window7软件计算,按照JGJ151-2008标准选取边界条件。

3.字母代号意义:T-半钢化或钢化玻璃,TL-半钢化或钢化镀膜玻璃,N-普通白玻,L-普通镀膜玻璃,V-真空层。

3、真空玻璃在绿色建筑应用中的优势

从表2可见,真空玻璃已经表现出明显的综合性能优势,概述如下。

1)U值低,而且今后还可以更低。

“在水一方”项目采用的玻璃中,新立基公司的复合真空玻璃的U值最低。实际上真空玻璃的U值还可以更低,如采用发射率更低的Low-E玻璃,增加Low-E玻璃层数等。

如表3所示,以“在水一方”项目中的中空+半钢化真空玻璃为例,如果使用辐射率分别为0.06、0.03的单Low-E玻璃,U值可达到0.50、0.41 W/(m2·K);如果使用辐射率分别为0.06、0.03的双Low-E玻璃U值更低,可达到0.41、0.35 W/(m2·K)。表3中所列复合真空玻璃的U值均小于或等于0.5 W/(m2·K),低U值不仅可以降低建筑能耗,还可以有效防止室内结露,在绿色建筑应用中具有明显的优势。同时,选择U值低的真空玻璃可以在保证整窗U值不变的前提下,减小整窗的框窗比,增加整个建筑的透光性,使居住环境更加透亮。

从表3中可以看出,玻璃的太阳能总透射比和光热比可以通过选用不同Low-E玻璃调节,尤其是我国幅员辽阔,气候条件多样,真空玻璃的光学及热工性能,如可见光透过率、光热比、太阳能总透射比等可根据地区、朝向等的需要进行调整。

另外,相对于中空玻璃,真空玻璃还具有水平放置U值不变大的特点,当用于采光顶结构时可保证其保温性能。

表3  不同Low-E玻璃复合真空玻璃U值对比表

注:1. 表中数据由Window7软件计算,按照JGJ151-2008标准选取边界条件。

2. 字母代号意义:T-半钢化或钢化玻璃,TL-半钢化或钢化镀膜玻璃,V-真空层。

2)厚度薄,而且今后还可以更薄。

从表2“在水一方”项目产品参数表中可以看出,在U值基本接近的情况下,真空玻璃的厚度要远小于三玻两腔中空玻璃,这样一方面可以降低整窗的厚度,减少建筑负重;另一方面可以增加建筑的使用空间,如果建筑选用落地窗,则可以增加建筑使用面积。

真空玻璃在以前的应用中一般使用复合真空+中空玻璃的结构,这主要是从力学安全角度出发。如果在对安全性要求比较高的地方,使用真空+夹胶形式则可以减少复合真空玻璃的厚度。如表3中序号1-4的中空+Low-E半钢化真空玻璃相比表2中使用的中空+Low-E半钢化真空玻璃,在U值更低的条件下,厚度也减少了10mm,而如果采用表3中序号5的夹胶+单Low-E半钢化真空玻璃,厚度可以进一步降低到16mm。

“在水一方”项目中使用维卡82型材,整窗的厚度为82mm,比较厚重。如果使用低U值真空玻璃,同时开发匹配真空玻璃的高性能型材,则可以降低整窗的厚度和重量,这样不但可以降低窗框中合页的负担,降低成本,同时也便于用户使用。

3)长寿命,即使中空失效,U值变化不大

真空玻璃为无机材料密封,不含有机胶材料,且在采用合格工艺的条件下加工时经过严格的高温真空排气,在高温、低温、高湿、紫外线照射等恶劣环境下,不会产生性能衰减、老化失效等问题。并且,真空层内部放置有吸气材料,经过严格的气候模拟测试和理论计算,真空寿命在50年以上。实际上我们在北京地区室外自然条件下经过近3000天的跟踪测试,真空玻璃样品热导变化较小,在5%范围内波动,如图3所示。在真空+中空复合结构中,即使中空玻璃失效,也不会对U值产生大的影响。

另一方面,真空玻璃中的Low-E层位于真空层内部,鉴于真空玻璃内部的高真空度,可以起到保护Low-E膜的作用,也就可以更持久的保证真空玻璃的低U值,提高产品寿命。

图3  真空玻璃实测热导变化图

4)隔声效果好

从表2可以看出,复合真空玻璃的隔声量可达41dB,优于三玻两腔中空玻璃。真空玻璃可以有效阻隔处于中低频段的交通噪声,增强了其在阻隔生活噪声方面的实用性。

另外,真空玻璃通过复合中空和夹胶的形式提高隔声量,如表5中序号1和2结构的复合真空玻璃计权隔声量实测值为39、42dB。在实际应用中玻璃的隔声要辅以窗框的性能共同体现,新立基公司与隔声专业厂家合作进行不同型材的复合真空玻璃窗的隔声性能测试,如表4序号3-7,计权隔声量可达40-42dB。

表4 复合真空玻璃(窗)计权隔声量测试结果

5)应用地域广

真空玻璃具有高效阻隔热量传递的能力,可应用于建筑和冷链等各个行业。同时,由于内部为真空状态,可应用于平原以及高海拔地区,不存在中空玻璃运到高原低气压地区的胀裂问题。从理论上讲,越是在高原地区,真空玻璃受到的压差越小,玻璃所承受的应力也就越小,安全性更高。在应用于建筑物的立面,斜面以及平面采光顶和阳光房等部位时,不存在中空玻璃平放时气体对流传导大大增加的问题。真空玻璃的这些特点极大的扩展了真空玻璃的应用范围。

4、关于真空玻璃的几个问题

 真空玻璃在行业内还算是一个新生事物,在受到广泛关注的同时,大家也不免有些疑问,下面就普遍关注的几个问题进行介绍。

1)寿命问题

真空玻璃的寿命问题包括两方面,一方面是真空寿命,一方面是力学寿命。真空寿命需要工艺来保证,前面已经详细介绍。需要指出的是,正规厂家生产的真空玻璃在出厂之前每一片都需经过严格的检测,要防止一些不合格甚至假冒伪劣产品流入市场。对于一些粗制滥造的真空玻璃需要进行严格监管,如产品不用高温排气,不用吸气剂,甚至用假吸气剂的情况一定要杜绝,以保证真空玻璃在行业内的口碑。

力学寿命,一方面要有科学和严格的产品设计和生产工艺,制造半钢化真空玻璃和钢化真空玻璃以提高力学强度,另一方面可使用复合中空或夹胶的方式提高安全性。

2)成本问题

价格问题是大家比较关注的,复合真空玻璃和三玻两腔中空玻璃的价格差别不大,而真空玻璃的性价比更高。同时,通过自动化提高成品率、加大产能、使用新材料和新工艺等,真空玻璃未来还有很大的降价空间。

3)供应问题

随着真空玻璃产业化进展,产品的供应问题将会得以解决。新立基公司的自动化生产线已经进入最后的调试阶段,待调试完成,新线运转后,可以达到每年50万平方米的设计产能,公司厂房及生产线见图4和图5。在此基础上,下一代性价比更高,更适于推广的新型生产线已在设计和试验中。

图4   公司办公楼及车间

图5   生产线实物图

4)工程应用

工程应用是检验产品的最佳标准,新立基公司的真空玻璃已经应用于很多建筑,并创造了很多国际和国内第一,如世界第一个全真空玻璃大厦及大面积真空玻璃幕墙工程——天恒大厦,世界上真空玻璃应用面积最大,应用案例最多等。表5给出新立基公司真空玻璃应用工程项目,图6为几个最新的工程应用示例图。

表5 真空玻璃项目应用统计表

图6   新立基公司部分工程项目示例图

5、总结

真空玻璃与中空玻璃相比具有综合性能优势,适于在绿色建筑的高端门窗中推广应用。中国真空玻璃产业在专利技术、产业化水平、推广应用方面居世界前列,应该受到足够的重视,希望政府及有关部门加大对真空玻璃产业化的支持力度。一方面要不断提高建筑节能标准,让节能产品真正的得以应用,一方面要加大对真空玻璃产业化的支持力度,使在中国建材行业中少有的领先技术得到更快的发展。真空玻璃作为玻璃深加工的新宠,在新一代的绿色建筑中也一定会得到更好的应用。

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