1、真空玻璃幕墙建设部幕墙门窗标准化技术委员会专家组长 龙文志 【摘 要】本文从贯彻公共建筑节能标准入手，简要介绍了既能达标、又能通透的节能幕墙真空玻璃幕墙。【关键词】杜瓦瓶 真空玻璃一、引 言我国首部公共建筑的节能标准公共建筑节能标准的实施，引起了业内人士的普遍关注。建筑节能新标准（下称标准），对节能玻璃的应用提出了明确要求，同时对“超大采光” 、“外飘窗”等不节能设计也提出了限值。标准4.2.4 条强制性条文为：“ 建筑每个朝向的窗（包括透明幕墙）墙面积比均不应大于 0.70。当窗（包括透明幕墙）墙面积比小于 0.40 时，玻璃（或其他透明材料）的可见光透射比不应小于 0.4。当不能满足本条文
2、的规定时必须按本标准第 4.3节的规定进行权衡判断。”标准发布之后，根据这一规定 “叫停玻璃幕墙”的消息不胫而走。执行标准是否就不能发展通透幕墙？如何正确的理解和执行标准，是建筑幕墙行业急切的实际问题。建设部汪光焘部长在建设节约型社会必须抓好建筑“四节 一文中指出：“ 节能，不仅要重视建设时的节能，更重要的是长期使用时的总能耗下降。重点要研究建筑使用过程中的能源结构和供应方式，提高能源利用效率，研究建筑节能不能局限于建筑单体的墙体与门窗等围护结构的保温隔热问题。我们鼓励发展节能省地型住宅和公共建筑，必须继续深入研究与思考节能省地型住宅和公共建筑的内涵。”学习汪光焘部长以上论述，本文探讨看法如下
3、：窗墙面积比是指不同朝向外墙面上的窗及阳台门的透明部分的总面积与所在朝向建筑的外墙面的总面积(包括该朝向上的窗及阳台门的透明部分的总面积)之比。窗墙面积比的确定要综合考虑多方面的因素，其中最主要的是不同地区冬、夏日照情况（日照时间长短、太阳总辐射强度、阳光入射角大小），季风影响、室外空气温度、室内采光设计标准以及外窗开窗面积与建筑能耗等因素。一般普通窗和传统幕墙（包括阳台门的透明部分）的保温隔热性能比外墙差很多，窗墙面积比越大，采暖和空调能耗也越大。因此，从降低建筑能耗的角度出发，限制窗墙面积比是必要的。标准不应该是僵化的条文。节能是一个方向，应该就一个建筑、甚至一个区域来平衡。标准一定要具备
4、系统学的思想。我们对能源的评判是一个综合的系统思想，任何一个建筑，应该从系统学的角度去研究我们的文化、环境和气候。围护结构的节能是对于建筑周边的自然环境，如光线、温度、风压、气候状况等充分分析和了解的基础上，针对建筑本身的朝向、高度、室内功能等特点，通过有效地系统技术和产品对室内环境起到适应和调整的过程。这个过程需要综合多种因素考虑，需要处理多种关系，诸如隔热和得热、采光和遮阳、通风和热交换的关系，处理好气密性、水密性和传热、隔声的关系等等。这个过程不应仅仅依据于单一的状态指标，如 K 值就能够说明和解决的。也不是简单的将一些技术累加或附加就能够实现的，标准对幕墙的保温隔热性能的要求是按窗墙面
5、积比的增加而不断提高的，当窗墙面积比例较大时，对幕墙的保温隔热性能的要求比目前实际应用的一般普通窗和传统幕墙要高，这会造成门窗幕墙造价有所升高，但这是既要使建筑物通透、美观、豪华,又要保证节约采暖空调系统消耗的能源所必须付出的代价。 处理好二者关系的方法是，应根据幕墙大小的不同，对幕墙保温隔热性能的要求也不一样。例如,如果整个建筑外墙都采用透明幕墙的话，则要求高性能节能玻璃幕墙。这和标准4.2.4 条强制性条文说明内容是一致的： 近年来公共建筑的窗墙面积比有趟来越大的趋势，这是由于人们希望公共建筑更加通透明亮，建筑立面更加美观，建筑形态更为丰富。标准把窗墙面积比的上限定为 0.7 已经是充分考
6、虑了这种趋势。某个立面即使是采用全玻璃幕墙，扣除掉各层楼板以及楼板下面梁的面积（楼板和梁与幕墙之间的间隙必须放置保温隔热材料），窗墙比一般不会再超过 0.7。当建筑师追求通透、大面积使用透明幕墙时，要根据建筑所处的气候区和窗墙比选择玻璃（或其他透明材料），使幕墙的传热系数和玻璃（或其他透明材料）的遮阳系数符合标准第 4.2.2 条的规定。标准允许采用“ 面积加权”的原则，使某朝门整个玻璃（或其他透明材料）幕墙的热工性能达到第 4.2.2 条的几个表中的要求。例如某宾馆大厅的玻璃幕墙没有达到要求，可以通过提高该朝向墙面上玻璃（或其他透明材料）热工性能的方法，使该朝向整个墙面的玻璃（或其他透明材料
7、）幕墙达标。真空玻璃幕墙、双层真空玻璃幕墙就是既能达标、又能通透的高性能节能玻璃幕墙。二、何为真空玻璃真空玻璃是将两片平板玻璃四周密闭起来，将其间隙抽成真空并密封排气孔，两片玻璃之间的间隙为 0.10.2mm，真空玻璃的两片一般至少有一片是低辐射玻璃，这样就将通过真空玻璃的传导、对流和辐射方式散失的热降到最低，其工作原理与玻璃保温瓶的保温隔热原理相同。真空玻璃是玻璃工艺与材料科学、真空技术、物理测量技术、工业自动化及建筑科学等，多种学科、多种技术、多种工艺协作配合的硕果。1893 年，英国物理学家、化学家占姆士?杜瓦发明了保温瓶。人们为了纪念他，把保温瓶又称作“杜瓦瓶” 。从此后，长于幻想的科
8、学家就有一个梦想，什么时候能将保温瓶技术应用到建筑玻璃窗上？要实现从杜瓦瓶到真空平板玻璃的飞跃，三大难题摆在人们面前：一是与杜瓦瓶不同，真空平板玻璃是一个小容积、大表面积而又狭窄扁平的玻璃真空腔体，但又要快速抽真空以使残余气体降到可以对热传导忽略不计的程度，并长期保持其真空度。二是与杜瓦瓶圆柱体容易抗压不同，平板真空玻璃只有使用支撑物来承受 10000kg的压力，该支撑物使真空玻璃产品满足建筑玻璃设计标准所要求的强度和寿命，这就必须对支撑物的物理化学性能以及几何形状、几何分布做出精心设计。三是比杜瓦瓶更难的是，真空玻璃是门窗用透明材料，在抽气口、支撑物的设计和选料上，要不影响透明和美观。191
9、3 年世界第一个平板真空玻璃专利发布。科学家们相继进行了大量的探索，诞生了一批专利。20 世纪 80 年代起，世界对真空玻璃的研发逐渐活跃起来，其中有两个团体值得一提。一个是美国克罗拉多太阳能研究所由 D?K?Benson 教授领导的真空玻璃研究组，经过1985 1991 年的实验，创立了许多值得让后人借鉴的技术理论、思路和实验室数据。另一个是悉尼大学应用物理系 R?E?Collins 教授 19891994 年领导的研究组，进一步改进工艺，1989 年试制出样品，1993 年研制出第一块 1m1m 的实用真空玻璃，并申请了 4 项专利。北京大学物理系原教授唐健正也是参与者之一。人类在发明杜瓦
10、瓶之后整整 100 年，终于又发明了真空平板玻璃。英国、希腊和日本等国的科学家也做了大量的类似研究。 三、真空玻璃的特性热传递通常有三种方式：对流、传导和辐射。由于真空玻璃中间是真空层，基本上消除了对流传热和传导传热，同时组成真空玻璃的原片玻璃可以选择低辐射膜玻璃即 Low-E 玻璃，能够大幅度降低辐射传热。真空玻璃由于真空层的特殊结构，因而具有良好的隔声性能，隔声性能指标明显优于中空玻璃。真空玻璃与中空玻璃相比保温性能更好，热阻更高，因此具有更好的防结露性能和隔热节能。真空玻璃两片玻璃中间的真空层消除了传导与对流传热，使房间与外界的热交换降到极限。据国家建筑工程质量监督检测中心提供的数据显示
11、：真空玻璃的保温性能是中空玻璃的 2 倍，是单片玻璃的 4 倍。1防雾防露。由于普通单片玻璃遇冷发生结露时，玻璃窗湿淋淋容易弄脏墙壁与地面，损伤窗框，还为霉菌提供了生存空间，所以它已跟不上建筑市场的发展。中空玻璃虽比单片玻璃有所进步，但因经常产生雾气或结露，影响采光和视野的清晰又无法擦去而不能满足人们生活质量日益提高的要求。真空玻璃的出现则很好地解决了这个问题。真空玻璃具有较好的隔热性能，室内一侧玻璃表面温度不易下降，即使室外温度很低，也不易形成雾结露。此外，真空玻璃中间是真空层，绝不会发生中空玻璃由于间隔中含有湿气，在降温时出现的内结露现象。2隔声性能。由于真空玻璃特有的构造，对于声音的传播
12、可大幅度降低，在整个音域范围都可实现良好的隔音。在降低外界噪音传人同时，室内生活声音也不易外传，总的隔音效果要比中空玻璃好，容易给人们创造一个温馨恬适的港湾环境。 3抗风压性能。真空玻璃中的两片玻璃，通过支撑物牢固地压在一起，具有与同等厚度的单片玻璃相近的刚性，一般来说它的耐风压性能是中空玻璃的 1.5 倍。4超长的耐久性。真空玻璃是一种新产品，目前国内外尚无相应标准，更无相应的测试方法。真空玻璃又不同于中空玻璃。因此，不能完全按中空玻璃试验方法进行，而主要参照 GBll944-89 中空玻璃标准而拟定紫外线照射、气候循环、高温高湿度试验。试验表明即使是在苛刻的条件下真空玻璃同样具有长期稳定耐
13、久性能。真空玻璃具有优异的保温隔热性能，其性能指标明显优于中空玻璃，一般的单片玻璃传热系数是 6，中空玻璃是 3.4，真空玻璃的传热系数达到 1.2，一片只有 6mm 厚的真空玻璃，隔热性能相当于 370mm 的实心黏土砖墙，隔声性能达到五星级酒店的静音标准，相当于四砖墙的水平。由于隔热保温性能好，真空玻璃在建筑上的应用将达到节能和环保的双重效果。据统计，使用真空玻璃后空调节能就达 50%，与单层玻璃相比，每年每平方米幕墙、窗户可节约 700兆焦耳的能源，相当于一年节约 192 千瓦小时电，1000 吨标准煤。 是目前世界上节能效果最好的玻璃。真空玻璃空间残余气体有少许对流和传导传热；间隔支柱
14、的传导传热；边部的传导传热。真空玻璃传热主要是辐射传热和边部传导传热。用镀有透明低辐射膜玻璃做的真空玻璃，像杜瓦瓶镀银一样又大大降低了辐射传热。显而易见，真空玻璃幕墙门窗是第三代幕墙门窗玻璃。四、真空玻璃与中空玻璃比较真空玻璃就是这种与中空玻璃结构完全不同的新产品。中空玻璃大多用铝框四周封边、间隔 2块玻璃，内含空气或充氩气，总厚度最薄的 12mm。真空玻璃用适当分布的微粒支柱做间隔，间隙层只有 0.10.2mm，空腔内抽真空无气体，真空度达到 0.1Pa 以上，总厚度最薄只有6mm 左右。热量交流有三种形式，作为新一代节能玻璃，它具有比中空玻璃更好的隔热、保温性能，其保温性能是中空玻璃的 2
15、 倍，是单片普通玻璃的 4 倍；由于真空玻璃热阻高，具有更好的防结露结霜性能，在相同湿度条件下，真空玻璃结露温度更低，这对严寒地区的冬天采光极为有利，而且真空玻璃不会出现普通中空玻璃经常出现的“内结露” 现象；真空玻璃具有良好的隔声性能，在大多数声波频段，特别是中低频段，真空玻璃的防噪音性能优于中空玻璃；真空玻璃具有更好的抗风压性能，同样面积同样厚度条件下进行的抗风压试验中，真空玻璃抗风压性能等级明显高于中空玻璃；真空玻璃还具有持久、稳定、可靠的特性，在参照中空玻璃拟定的环境和寿命试验进行的紫外线照射试验、气候循环试验、高温高湿试验，经国家建筑工程质量监督检测中心检测，真空玻璃的热阻变化均在
16、2%以下，通过在日本的应用表明，真空玻璃内的支撑材料在涉及金属疲劳度方面的寿命可达 50 年以上，高于其使用的建筑寿命。真空玻璃最薄只有 6mm，现有住宅窗框原封不动即可安装，并可减少窗框材料，减轻窗户和建筑物的重量。真空玻璃属于玻璃深加工产品，其加工过程对水质和空气不产生任何污染，并且不产生噪声，因此对环境无有害影响。五、真空玻璃的支撑物由于保温瓶是圆形，其本身能承受大气压力的不平衡作用力，而平板玻璃在受到大气压力时会使两片平行的相邻的玻璃板向内靠拢，影响真空层。为了保证在外界大气压力下真空层的存在，在两片玻璃板之间要放置支撑物。支撑物的设计是制造真空玻璃的关键因素，它与玻璃板的接触面积过大
17、时会增加热导率，同时影响玻璃的透明度，因此要尽量减少支撑物总体数量及单个支撑物的体积。但是支撑物与玻璃板的接触过小时，由于大气压的作用集中在玻璃板与支撑物接触的部位会形成集中载荷重，造成支撑物上方玻璃板外表面的拉应力增大，容易造成玻璃板破损。关于支撑物形状，目前报道最多的是圆柱状，此外，还有方状、椭圆形、线状、格子状等。制造支撑物的材料可以是不锈钢、碳化钨钢、铬钢、铝合金、镍、钼、钽、陶瓷等。由于玻璃板有厚薄差、波筋等，整个玻璃板不一定是平坦的，而支撑物的厚度是相同的，这样平行玻璃的间隙就会有比支撑物厚度大的部位。由于相邻支撑物限制了玻璃板的间距，这个部位的支撑物得不到玻璃板的充分的夹持，会离
18、开规定位置，造成支撑物受力不均，降低真空玻璃寿命。解决上述问题的方法很多，其中最主要的方法是采用能够塑性变形的支撑物。这样玻璃板不仅在受到静态的外界压力时，通过部分支撑物的塑性变形，既能使所有的支撑物受到玻璃板充分的夹持，保持在规定位置上，又能使两片玻璃板保持规定的间隙。在受到动态冲击时，支撑物在保持玻璃板规定间距的同时随外力产生塑性变形，缓解玻璃板与支撑物接触点上发生的冲击力，降低了玻璃板破损的可能性。另外，可以在支撑物的至少一个端面涂有低熔点金属或焊接玻璃，通过加热处理使支撑物固定在玻璃板上，以确保其永久处于规定位置。也可以用细金属丝将支撑物相互连结，这洋没有受到夹持的支撑物受到被夹持支撑
19、物的约束，仍然可以确保处于规定位置。采用线状或格子状支撑物时，也可以得到同样效果。六、真空玻璃的制造工艺真空玻璃的制造工艺是将两片玻璃板（可以是浮法玻璃、夹丝玻璃、钢化玻璃、压延玻璃、喷砂玻璃、吸热玻璃、紫外线吸收玻璃、热反射玻璃等）洗净，在一片玻璃板上以 1025mm的间隔放置高度为 0.10.5mm，直径为 0.31.0mm 的圆柱状支撑物或宽度为 0.40.6mm的线状或格子状支撑物。然后再放上另一片玻璃板。 将两片玻璃板的四周涂上焊接玻璃（也可以是低熔点金属、可挠性金属、有机粘接剂），在 450中加热 1560 分钟，在去除玻璃故上附着的水分及有机物的同时由焊接玻璃将两片玻璃板的四周封
20、边，形成一个整体。在适当位置开孔，用真空泵抽真空，使两片玻璃板间膛的真空压力达到 0.001mm 汞柱，即形成真空玻璃。如此制成的真空玻璃，隔热效果是中空玻璃的一倍。该玻璃可用于公寓、饭店、医院及冰柜的观察窗等。 七、工程举例1北京天恒大厦坐落于北京市东城区东直门立交桥东北角，外立面使用真空玻璃幕墙，整体外观形象豪华的建筑风格。真空玻璃幕墙具有节能、防结露、减少室内温差、隔音性能好、抗风压强等优势。天恒大厦是世界首座整栋真空玻璃高节能甲级写字楼。总建筑面积 57238 万，地下 4 层，地上 22 层，大楼采用半隐框真空玻璃幕墙 7000，采用真空玻璃铝合金断热窗 2500 多。该楼真空玻璃全
21、部由北京新立基真空玻璃技术有限公司提供。该楼真空玻璃采用真空组合中空的结构，经国家建筑工程质量检验中心检测，其传热系数K=1.2W/K 。达到和超过国标保温窗最高级 10 级标准。而一般中空玻璃 K 值=3.4W/K 。该真空玻璃的计权隔声量 Rw=36dB 达到国标隔声 4 级的标准，而一般中空玻璃 Rw=30dB。大厦整体运用真空玻璃，单项成本仅提高 10%15%，由于真空玻璃在建筑节能上的优势，在投入使用后，预计年节电量 280 万度，节约中央空调电费 260 万元左右。由于节电，减少了发电燃煤而生产的污染，保护了环境。节约了后期成本，每年可节约 20%30% 的能耗。同时，真空玻璃这一
22、环保节能材料的应用，营造了更加舒适的办公环境。2清华大学超低能耗示范楼2005 年 3 月 22 日，我国第一座超低能耗示范楼在清华大学落成并对社会开放。该楼位于清华校园东区，总建筑面积为 3000。该项目是北京市科委的“奥运科技专项” 之一, 同时是科技部“十五”科技攻关项目“ 绿色建筑关键技术研究 ”的技术集成平台，也是清华大学绿色建筑的科研基地，开放式实验室及高新技术产品的示范展台。在此基础上，将开展各项与绿色建筑相关的科学研究，示范世界上各种先进的绿色建筑技术，展示各种绿色建筑的相关产品并进行有关绿色建筑技术的培训和宣传工作。在这些广泛应用高新技术的绿色节能产品中，真空玻璃尤为引人关注
23、。南立面幕墙：采用两种幕墙结构，西侧为廊道式热通道玻璃幕墙，外层为点式单片玻璃幕墙，下部有进风口，上部有出风口，进、出风口都可开启和关闭；内层为中空玻璃开启窗，内、外层之间由可调节角度的遮阳卷帘。东侧为双层窗百叶外遮阳。在示范楼三楼的南立墙双层皮幕墙的内层是高性能中空玻璃幕墙，中间一片采用真空玻璃，真空玻璃之间的间隙只有 0.10.2mm，中尚支撑物来承受大气的压力，清华大学超低能耗示范楼南立面高性能真空玻璃冬季晚上的耗热比单片白玻璃减少了 83%，比普通中空玻璃减少了 70%，比离线低辐射膜中空玻璃减少了 37%。而西立面高性能真空玻璃节能窗更明显，耗热比单片玻璃减少了 85%，比普通中空玻
24、璃减少了 74%，比离线低辐射膜充氩气中空玻璃减少了 43%。该窗的 K 值1.2W/m2?K，由此可见高性能真空玻璃热工性能之优异，节能效果之明显。能够达到标准的要求。真空玻璃与普通玻璃和中空玻璃相比有着种种优势，但因技术性等问题，如今世界上仅日本拥有生产线。据悉北京新立基真空玻璃技术有限公司正在筹备在北京建立真空玻璃生产线。该生产线将采用半自动化技术，部分关键工艺采用自动化技术，最大尺寸为 2ml.2m，预计年生产量逐步达到 10 万。这条即将成为世界上第 3 条真空玻璃生产线的建立，将使我国成为世界上第二个拥有真空玻璃生产产业化技术的国家。真空玻璃有利于节能和环保，有利于深加工玻璃产业的
25、产业结构调整和升级；具有高科技含量、高附加值，真空玻璃目前销售价格约为300240 元/m2。有很好的市场发展潜力。国产真空玻璃产品最大尺寸是 20001200mm，最小尺寸 600400mm，均落后于日本。这是目前真空玻璃工业化的发展瓶颈之一，尚待各方面的协同攻关、突破。历史证明，新型玻璃材料的运用往往从宾馆、体育馆、展览馆、机场等公用建筑的大型玻璃开始，给民居建筑示范、引领时尚。中空玻璃等节能玻璃材料，近年来刚开始与量大面广的商品房民居建筑窗户“联姻” 。真空玻璃的生产工艺要求很严，必须以优质浮法玻璃及优质加工玻璃为原料进行二次、甚至多次加工；其操作工艺同电子工业相似，员工要戴白手套，车间须除尘净化（如玻璃镀有低辐射膜层，不容污染）。真空玻璃的工业化、产业化对玻璃工业调整产品结构，提升生产设备技术水平，增加玻璃行业产品的科技含量，具有重大促进作用。真空玻璃与目前已有的各种节能玻璃，组成的“超级节能玻璃”， 既能满足建筑师追求通透、大面积使用透明幕墙的艺术创意，又能使幕墙的传热系数符合标准的规定。“超级节能真空玻璃幕墙 ”将成为贯彻标准的一种新产品，目前世界上大多数国家真空玻璃还处于空白状态，抓住贯彻标准的良好机遇，把我国真空玻璃事业发展成具有世界水平的民族产业，抢占国际玻璃科技的新高地，为我国民族玻璃工业精心打造能够自立于世界玻璃工业之林的脊梁。
