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【绿建讲堂】绿色建筑 点睛之材——真空玻璃(2015年1月20日绿建之窗微信群第二十二期讲座)

时间:2015-01-28 14:49:52   作者:绿建之窗   来源:绿建之窗   阅读:1190  
内容摘要:【绿建大讲堂】——微信频道系列讲座是绿建之窗(www.gbwindows.cn)独家主办的核心栏目,绿建之窗编辑部每周二、四晚20:00,,在绿建之窗微信群中在线进行主题讲座,微信频道系列讲座将会邀请涉及绿色建筑全生命周期链条中的众多专家进行不同领域的知识点解读。如需加入或者.请...
【绿建大讲堂】——微信频道系列讲座是绿建之窗(www.gbwindows.cn)独家主办的核心栏目,绿建之窗编辑部每周二、四晚20:00,,在绿建之窗微信群中在线进行主题讲座,微信频道系列讲座将会邀请涉及绿色建筑全生命周期链条中的众多专家进行不同领域的知识点解读。如需加入或者申请讲座,请联系绿建之窗微信群管理员:微信号wangchunshan777。

【主讲人】:郭佳鑫
【特邀嘉宾】:中国建筑结构协会塑料门窗委员会  易主任

【讲座导读】:本期【绿建大讲堂】由郭佳鑫女士与大家分享绿色建筑点睛之材——真空玻璃。内容从真空玻璃的发展历史、优势分析、应用等方面,深入分析和阐述了真空玻璃作为新型的绿色建材的广阔应用前景。

【微信讲堂——实录】

第一部分:真空玻璃介绍
 

    一、真空玻璃的起源、概念


    100多年前,首次出现真空玻璃这一概念。直至上世纪九十年代,第一块真空玻璃由北京新立基真空玻璃技术有限公司、现任董事兼技术总监唐健正教授在悉尼大学研发、最终诞生。而九十年代中期日本板硝子公司收购此项专利,真空玻璃才正式走向工业化。1998年唐健正教授回国,建立北京新立基的前身——值盒铝⒒,从而开创了中国真空玻璃产业化的道路。因此可见,中国真空玻璃技术是领先于欧美、领先于世界的。
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图1真空玻璃结构
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图2 复合真空玻璃
    图1是真空玻璃结构示意图。真空玻璃由两块平板玻璃构成,玻璃板之间用高度为0.1-0.2毫米的支撑物隔开,其中一片玻璃留有抽气孔,然后四周使用玻璃焊料将两片玻璃封接起来,真空玻璃排气后用金属片将抽气孔封住后形成真空腔体t图2是复合真空玻璃示意图。真空玻璃也可以与中空或者夹胶玻璃复合,成为复合真空玻璃。

    二、真空玻璃的6大性能优势

    1.保温隔热。

    真空玻璃能更好的隔热、保温。源于热量的传播主要有三种形式:辐射、传导和对流,真空玻璃可以把热传导几乎给隔绝,杜绝真空腔体的内部对流,热辐射可以通过LOW-E给解决。真空玻璃与中空玻璃的传热机理不同,真空玻璃中心部位传热由辐射传热、支撑物传热及残余气体传热三部分组成,而中空玻璃则由气体传热(包括传导和对流)和辐射传热组成。真空玻璃由于内部残余气体极少,有效降低了中空玻璃传热中的气体传热;辐射传热通过选用优质的LOW-E玻璃来降低;与此同时,采用具有专利技术的支撑物来保证极低的支撑物传热,从而使真空玻璃具有极低的传热系数(U值)。


    真空玻璃和中空玻璃都要减少辐射传热,可以选择并采用镀有低辐射膜的玻璃,真空玻璃的真空层可达到10-2 pa,有效阻止了热传导。
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图3真空玻璃与中空玻璃的保温隔热
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图4 真空和中空下传热系数
    图4是真空和中空下传热系数(K值、U值)的对比,单真空便能做到0.5,单LOW-E中空是1.8。传热系数(K值):当室内外温差为1K(开尔文,相当于1度)时,单位时间通过1m2面积玻璃从室内空气到p外空气传递的热量。我国法定计量单位为W/(㎡.k) 。中国和欧洲称为K值,美国称为u值。一般指在没有太阳辐射条件下的冬季传热系数。

    2.隔声降噪。
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图5真空、中空玻璃计权隔声量
    图5是真空、中空玻璃计权隔声量对比。真空玻璃的真空层可有效阻隔声音的传递,单真空玻璃的计权隔声量达到37分贝,最高可达42分贝,远优于中空玻璃27分贝的指标。比如北京三、四环等主干道的噪音大概在75dB左右,而计权隔声量相当于可以隔绝的噪音的平均值。由于人耳朵的敏感程度,噪音每差5分贝,感觉好像要相差3~4倍,使用真空玻璃后室内噪音是在20-40 分贝,相当于安静图书馆。

关于室内的噪音真实情况是这样的:
0 -20 分贝,相当于很静、几乎感觉不到的程度(现实生活中并不存在);
20-40 分贝,相当于安静、犹如轻声絮语的图书馆;
40-60分贝,属于一般的室内环境;
60-70 分贝,是吵闹、有损神经的环境。
由于人耳朵的敏感程度,噪音每差5分贝,感觉好像要相差3~4倍的样子。真空玻璃却能为您提供犹如图书馆一样的安静的环境。

    3.防结露。
    图6是真空、中空及普通玻璃结露情况对比。在相对湿度为65%、室内温度为20℃时,室外温度/到-35℃以下时,真空玻璃才会结露,而LOW-E中空玻璃在室外-5℃左右便会结露。应用真空玻璃后,冬天即使在寒冷的东北、西北也不会有结露(即上霜、有哈气)的现象。
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图6真空、中空及普通玻璃结露情况

    4.结构轻薄。

    图7是展示出真空玻璃具有轻而薄的特点,目前真空玻璃可以说是最轻薄的一种玻璃。真空玻璃只需要2片玻璃就可以达到较低的U值,如U值=0.6 W/(m2.k),而中空玻璃需要采用三玻两腔,2-3片Low-E玻璃,并且充填惰性气体才可达到0.8 W/(m2.k) 。(还有厚重的结构胶)。任何东西横向比较一定是在同等性能下进行比较,在u值差不多情况下进行比较重量,单片真空玻璃优质能k到0.6左右每平米的重量只有25克。而中空玻璃U值要做到0.8,重量已经达到40kg了,比真空玻璃的重量高出很多。

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图7

    5.真空玻璃使用寿命长。全玻璃密封,不含有机胶材料,而且加工过程中经过严格的高温真空排气n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。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。由于真空层的作用,LOW-E玻璃的膜层不易被空气氧化,能更好的保护。

    6.真空玻璃应用范围广

    (1)适用于高原地区,尤其是环境比较恶劣的地方。

    图8是真空玻璃在高原地区的应用。高原地区的气压通常低于0.85个气压,而在平原地区生产的中空玻璃极易产生胀裂导致失效,然而真空玻璃内部气压低于零,由于压差小可以降低真空玻璃表面的压力,提高安全性。真空玻 应用于建筑物的各个位置都能保持其优异的性能(U值)不变,包括立面、斜面及屋顶。


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图8真空玻璃在高原的应用

    (2)各角度U值不变,适用于采光顶。中空玻璃平放时因气体对流加大将导致性能(U值)增大,而真空玻璃应用于建筑物的各个位置都能保持其优异的性能(U值)不变,包括立面、斜面及屋顶。详见图9表中数据。真空玻璃用在采光顶上U值不会改变,而中空玻璃用到采光顶则会因玻璃的自重而使U值增大约50%,因此,我们真空玻璃也非常适用于高原及平原地区的采光顶使用。

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图9

    三、真空玻璃的节能效果

    1.公建节能减排比较

    案例1:北京地区天恒大厦项目---使用真空玻璃

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图10 天恒大厦项目数据
项目基本情况:
总占地面积3693㎡,总建筑面积56000㎡;
真空玻璃门窗和幕墙面积合计7980㎡;
真空玻璃传U值为0.6W/(㎡K),
Low-E中空玻璃U值为1.8W/(㎡K),
普通平板玻璃U值为5.7W/(㎡K)
使用真空玻璃后的天恒大厦模拟计算结果:每年节约了59.6万度电,60万人民币。详见图10表中数据。

    案例2 北京某住宅小区-----使用真空玻璃后
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图11 住宅小区数据
项目基本情况:
2单元4户结构,
总建筑空调面积3678m2,地上10层,
玻璃窗总面积1183m2,
真空玻璃U值为0.6W/(m2稫),
Low-E中空玻璃U值为1.8W/(m2稫),
普通平板玻璃U值为5.7W/(㎡K)。
这么一栋小小的建筑楼,每年就可节约约26万千万时的能源(转化电能约是9万度电)。

     全北京节能减排效果预计(数据详见图12表中数据)
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图12
    北京市民用建筑总面积约7亿平方米,对应玻璃窗(玻璃幕墙)总面积约2亿平方米m2。(注释:节能计算采用由新立基公司研究开发的“冬夏季累计评价法”,即根据门f热工环境特点和规律,在分析国外评价方法原理的基础上,把冬季和夏季门窗的逐时得热进行累计,得到长期的热工性能评价公式。)

    四.真空玻璃的关键技术

    1.真空玻璃的质量控制

    真空玻璃质量控制主要包括力学寿p和真空寿命两个方面,力学寿命---主要由极高的玻璃平整度,专业的支撑物设计以及精选的封边材料和特殊的制作工艺来保证。
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图13
    2.真空玻璃寿命控制

    真空玻璃理论设计寿命为50年,通过以下手段来实现:
    2.1关键材料密封材料、支撑物均为无机材料。
    2.1工艺过程经过高温烘烤排气,排气充分。
    2.3内部有有效的、足量的吸气材料,确保高温和紫外线照射下释放的微量气体被吸收。
    2.4Low-e膜在真空层内,得到很好的保护,不宜氧化和失效。
    2.5片片严格检验,行业标准指定检验仪器(新立基公司专利),保证s量。

    真空玻璃为无机材料密封,不含有机物材料,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s衰减、老化失效等问题。内部有有效的、足量的吸气材料,确保高温和紫外线照射下释放的微量气体被吸收。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。另外,在真空 中空s合结构中,即使中空玻璃失效,也不会对U值产生大的影响。


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图14
    图14为真空玻璃在北京地区经过室外自然条件下近3000天真空寿命实际跟踪检测结果数据。跟踪测试表明,真空玻璃样品热导;化较小,在5%范围内波动。

    3.第三方测试(数据如图15表所示)

    新立基真空玻璃经意大利著名吸气剂生产商赛斯集团实验室测试,测试结果表明,内部真空度可达到10-2Pa以下,气体导热可以忽略不计。

    经过国家建筑材料检验认证中心检测,通过了紫外线辐照、高温高湿、气候循环等耐久性测试。

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图15
    4.力学寿命及安全性
    力学方面,真空玻璃强度超越了日本,可以批量生产半钢化真空玻璃,钢化已研制成功,并开始投入使用。
    关键材料支撑物确保力学寿命。支撑物材料、形状和间距设计是经过严格的理论计算和大量测试及实际应用检验,。
    独有的专利封口技术,平封口技术,不但安全系数高而且更加美观。

    5.质量保证
    真空玻璃的寿命主要包括在真空玻璃的真空寿命和力学寿命。
    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,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<排气在使用过程中不能保证真空度,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<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。

第二部分:真空玻璃的应用

    一.真空玻璃的应用概要

    1.应用领域

    图16是真空玻璃应用领域。真空玻璃应用在生产生活的各个领域,其中包括建筑业,交通运输业,轻工业,新能源行业,绿色农业以及新能源业等方面。

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图16 真空玻璃应用领域
    2.绿色建筑领域应用

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图17 真空玻璃绿色建筑领域应用

    图17是真空玻璃在绿色建筑领域应用。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芾用太阳能、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。

    3.真空玻璃在被动房中的应用


    被动房是指在保证舒适的室内"境,如室内温度全年处于20-26℃、室内CO2含量不大于1000ppm等的前提下,通过构造最佳的建筑维护结构,提高建筑物的保温隔热性能和气密性,在合理利用太阳辐射得热、室内非供暖热泵得热、在有高效热(冷)回收装置的新风系统、遮阳设施等的条件下,使建筑物对采暖和制冷的能源需求降到最低,最大限度的降低建筑物对主动式机械采暖和制冷设施的依赖或完全取消这类设施。


    被动房外窗要求床AУ奶阳能总透射比g≥0.35、玻璃选择性系数S(即光热比)≥1.25、传热系数U≤0.8 W/(m2K)。我国幅员辽阔,覆盖多个气候区,不同地区的被动房应根据具体的气候条件,对各个参数进行调整。

    被动房玻璃的两种选择:能满足被动房要求的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,技术上也相对比较成熟,通过选用优质Low-E玻璃并使用2-3层Low-E玻璃,加厚中空层厚度和充氩气等方式降低U值,而真空玻璃则通过使用1片Low-E玻璃的基本的配置就能达到更低的U值。
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图18门窗玻璃选择对比
三玻两腔中空玻璃:
虽然三玻两腔中空玻璃在U值上也可以满足被动房要求,但是它有三个难以克服的弱点。
一是三玻两腔中空玻璃采用2-3片Low-E玻璃,使可见光透过率大大降低,严重影响室内的采光。一方面使人感觉压抑,另一方面也增加照明能耗。
二是采用12-16mm的中空层并且填充氩气,三玻两腔i空玻璃厚度约为43mm,远大于真空玻璃的10mm,从实际的工程项目中也可以看到,三玻两腔中空玻璃的窗户和门都比较厚重,开关都不方便。
三虽然已是顶级配置,但U值仍很难高于真空玻璃。

    真空玻璃U值最低:真空玻璃只使用一片Low-E玻璃即可以做到相比三玻两腔中空玻璃更低的U值,而且,可见光透过率和遮阳系数可以通过选用不同的Low-E玻璃进行调节。如果选用两片Low-Ed璃制作真空玻璃则U值更低。
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图19 真空玻璃的U值最低

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图20 三玻两腔中空玻璃和真空玻璃U值随Low-E玻璃辐射率的变化

    Low-E玻璃辐射率的降低对中空玻璃U值的影响不明显,但可以极大程度的改善真空玻m的U值。如上图中所示,随着Low-E玻璃辐射率由0.17降低到0.02,单Low-E三玻两腔充氩气中空玻璃的U值从1.15W/(m2稫)降低到0.97W/(m2稫),降低了16%;单Low-E真空玻璃U值从0.90W/(m2稫)降低到0.39W/(m2稫),降低了57%。

    Low-E玻璃辐射率的降低,基本上对应着Low-E玻璃从在线到离线,再从离线的单银、双银到三银的演变。我们可以预想,随着Low-E玻璃性能的不断提高,真空玻璃的U值可以进一步的降低。

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图21 中空和真空U值曲线变化图

二、真空玻璃应用案例

    1.秦皇岛“在水一方”项目。


    图22是秦皇岛“在 一方”项目。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,可能会成为中国建筑节能领域的新一代标准。“在水一方”被动房项目各项节能指标均高于目前国内的节能标准,要求门窗传热系数K值小于1W/(㎡稫) 。该项目采用的玻璃的产品是复合真空玻璃,所用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。

    该项目由住建着力推广,国内首个获得德国能源署认证的被动房,其中有一栋楼使用新立基的真空玻璃。现在国家住建部在着力推广被动房,窗户部分很重要,因为冬季要通过阳光来取暖,夏季又要遮阳。目前来说,满足被动房整窗要求的低U值:解决方案之一是选用国外进口的、比较重并且价格昂贵的窗户,方案二要么选用比较昂贵的铝包木窗。无论选择那个方案同等条件比较下,真空玻璃可以说是最经济的达到被动房要求的窗用玻璃。


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图22 秦皇岛“在水一方”项目

    2.Sobek主动房项目——世界首个应用真空玻璃的主动房

    目前,国内国际一些设计师已经开始把真空玻璃设计在主动房建筑当中。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W Sobek博士在主动房项目中采用真空玻璃。该项目建设地坐落在斯图加 市20世纪20年代完成的WeissenhofSiedlung建筑群中心,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。


    图23是SOBEK主动房建筑。项目于2014年建成,该项目100%可循环利用的节能房通过光伏板发电,不仅可以满足项目自身用电,还可&周边社区的供电。采用大尺寸复合真空玻璃,传热系数为0.46W/(㎡ K),是世界首个真空玻璃主动房。其中窗体部分全部采用新立基公司的真空玻璃。SOBEK在德国非常有名,德国总理也参与该项目的开幕式。欧洲很多著名的设&师都参与该地区房产的建筑设计,他们喜欢使用新建筑材料、新建筑方法为现代城市居民设计生活设施。
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图23 SOBEK主动房建筑

    3.北京清华大学超低能耗示范楼——中国首个应用真空玻璃的低能耗示范楼


    图24是北京清华大学超低能耗示范楼。该项目2004年建成,南立面冬季晚上耗热比单片玻璃减少83%,比普通中空玻璃减少70%。西立面节能效果更明显,耗热比单片玻璃减少85%,比普通中空玻璃减少74%。
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图24 北京清华大学超低能耗示范楼

     4.海淀展览馆——世界首个半钢化真空玻璃项目
    图25是海淀图书馆。项目于2011年建成,由展示中心和会议中心组成,为节能环保低能耗示范建筑。外围护结构及采光顶均采用半钢化真空玻璃,共使用真空玻璃超过6000㎡。


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图25海淀图书馆
    5.郑州图书馆
    图26是郑州图书馆。该项目于2011年建成,被列为全国建筑节能图书馆示范单位,采用10,000㎡真空玻璃幕墙和采光顶。经计算,比使用中空玻璃每年可节电43万度,节约资金近30万元。真空玻璃的计权隔声量达40分贝,为读者营造安静舒适的阅读环境。

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图26 郑州图书馆

    6.长沙滨江文化园——世界首=真空玻璃建筑群
    图27是长沙滨江文化园。2011年建成,世界第一个真空玻璃建筑群,由图书馆、博物馆和音乐厅三个不同功能的建筑组成,使用真空玻璃超过12,000㎡,最大尺寸超过3.5x1.5m。
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图27 长沙滨江文化园

    7.青岛大荣世纪综合楼——按照被动式要求建造的公建项目
    项目于2013 建成,应用真空玻璃约6000㎡,成为世界上应用半钢化真空玻璃最多的项目。整个建筑没有传统的集中供暖系统,依靠自身运转实现供热、制冷和恒氧循环功能,室内温度要求控制在20~26℃,声音控制在35~45db。玻璃传热系数≤0.8W/(㎡ K),计权隔声量≥40db。
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图28 青岛大荣世纪综合楼

第三部分:绿色建筑门窗的建议

一.建议玻璃门窗及门窗尺寸标准化.建议玻璃及门窗尺

1.从真空玻璃生产工艺角度出发,玻璃尺寸标准化可以保证炉温稳定,进一步提升产品质量,同时便于批量化生产,提高生产效率,降低生产成本。

2.从门窗业来说,门窗尺寸标准化可以有效的降低制造安装的人力和物力投入,可以实现及时供货,缩短建筑建设周期。
 
二.建议增大洞口尺寸

1.以前由于门窗是建筑保温的薄弱环节,一般建筑洞口的尺寸受到一定的限制,低U值真空玻璃窗的出现,在保温和采光舒适性上给建筑师提供了新的解决方案。

2.在整个建筑中,如果使用低U值真空玻璃,增大窗户洞口的尺寸可以降低整窗U值、保证室内采光,提升居住环境舒适度、节约照明能耗等,但在有些地区也会带来夜间失热多奈侍猓所以被动房门窗洞口尺寸要结合当地的气候条件综合考虑。

三.建议不同朝向采用不同玻璃选型


    由于建筑不同朝向对玻璃透光性和遮阳的要求不同,可以考虑不同朝向选择不同的玻璃,如北向不需要遮阳,东向、西向和南向是否需要遮阳等,具体应根据当地的气候和居住要求确定。

Q:真空玻璃能够钢化吗?
A:可以钢化,真空玻璃目前是可以钢化的。

Q:真空玻璃是否适合在夏热冬冷地区推广?
A:真空玻璃适合在夏热冬冷地区推广,真空玻璃完全可以把热隔离。

Q:真空玻璃能增加遮阳百叶吗?
A:如果要加百叶的话,可以把真空和中空轻质复合把百叶放在真空玻璃里。

Q:综合考虑框料的安装成本等因素成本是怎么样的呢?
A:关于窗框材料的问题,其实真空玻璃变薄其配型相对来说比较少,同时重量比较低,对五金件的要求不高,所以成本也会相对来说比较低。

Q:支撑物的材质是金属的吗?
A:支撑物的材质复合金属材料的。

Q:支撑物是否会影响真空玻璃的u值?
A:支撑物材本身的传热系数基本会占到真空玻璃u值的二分之一,设计主要是减小支撑物与真空玻璃的接触面积然后尽量放大支撑物之间的距离来减少这部分热导。

Q:请问最大能做的尺寸是多少呢?
A:玻璃的最大尺寸是2.8mx1.8m。


【新立基】

北京新立基真空玻璃技术有限公司(简称新立基)2001年成立,是中国真空玻璃产业的奠基者。

世界真空玻璃发明人唐健正教授于1998年回国成立的青岛新立基技术f用有限公司,并建成中国第一条真空玻璃中试线,最终于2001年迁入北京,并于2004年建成中国第一条真空玻璃工业化生产线,2009年研制成功世界第一块半钢化真空玻璃和钢化真空玻璃,2010年在北京技术经济开发区投资建设真空玻璃产业示范基地和技术中心,其中包括当今世界技术水f最高,产业规模最大的年产50万平米真空玻璃自动化生产线。

完成的重要研究课题:
国家十二五科技支撑计划“真空玻璃规模化生产关键
技术研究”;
年产50万㎡真空玻璃自动化生产线开发;
钢化、半钢化真空玻璃开发;
建设部科技计划项目“真空玻璃生产技术与关键设备开发
及其应用”。
主导和参与编制的主要标准:
国家行业标准《真空玻璃》(JC/T1079-2008);
国家行业标准《建筑玻璃应用技术规程》(JGJ113-2009);
天津地方标准《建筑幕墙工程应用技术规范》
(DB29-221-2013);
协会标准《被动式低能耗建筑透明部分用玻璃》;
企业标准《半钢化真空玻璃》等。

【注】讲座实录整理为绿建之窗出品,如需转载,请注明出处。

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