建筑玻璃幕墻的應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益分析

洪榮南

廈門(mén)源昌城建集團(tuán)有限公司（361100）

建筑玻璃幕墻的應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益分析

洪榮南

廈門(mén)源昌城建集團(tuán)有限公司（361100）

玻璃幕墻作為一種新型外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以其優(yōu)越的功能和現(xiàn)代時(shí)尚的外觀在我國(guó)城市建設(shè)中得以廣泛應(yīng)用，因而改善玻璃幕墻的熱工性能，提高玻璃幕墻的保溫隔熱效率，就成為促進(jìn)建筑節(jié)能、順應(yīng)國(guó)家可持續(xù)性發(fā)展的戰(zhàn)略。

玻璃幕墻；材料技術(shù)；經(jīng)濟(jì)效益

1 建筑玻璃幕墻的應(yīng)用前景

隨著2011年南非德班世界氣候大會(huì)的召開(kāi)，低碳成了一個(gè)流行詞。以節(jié)能、環(huán)保、綠色、低排放等為特點(diǎn)的低碳建筑，也以一種全新的姿態(tài)高調(diào)登場(chǎng)。低碳建筑是指在建筑材料和設(shè)備制造、施工建筑和建筑物使用的整個(gè)生命周期內(nèi)，減少石化能源的使用，提高能效，降低二氧化碳排放量。目前，低碳建筑已逐漸成為國(guó)際建筑界的主流趨勢(shì)。我國(guó)在低碳建筑領(lǐng)域尚處于起步階段，提高和挖掘的空間很大。一個(gè)容易被忽略的事實(shí)是，建筑物二氧化碳排放量幾乎占建筑物排放總量的50%，這一比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于運(yùn)輸和工業(yè)領(lǐng)域。因此，在發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的道路上，建筑的節(jié)能和低碳注定成為繞不開(kāi)的話題，推廣節(jié)能、低碳建筑勢(shì)在必行。

我國(guó)的公共建筑數(shù)量多，建筑規(guī)模大，耗能十分巨大，浪費(fèi)也很?chē)?yán)重。因此推廣建筑節(jié)能是解決我國(guó)能源緊缺的有效途徑。據(jù)專家分析，大型公共建筑的節(jié)能潛力在30%以上。

與傳統(tǒng)混凝土外墻相比，玻璃幕墻可以減少大量的鋼筋、混凝土使用量，對(duì)節(jié)約能源、資源有很大的幫助，而且玻璃幕墻較易于回收利用，有利于環(huán)保。

新建的大型公共建筑多以高層建筑為主，其屋面所占比例很小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)主要著眼于墻體和門(mén)窗。隨著玻璃幕墻的廣泛應(yīng)用，墻體與門(mén)窗也逐漸融為一體，成為建筑物熱交換、熱傳導(dǎo)最活躍、最敏感的部位，幕墻的能耗約占整個(gè)建筑能耗的40%左右，因此玻璃幕墻的熱工性能也就成為建筑節(jié)能極其重要的組成部分。

我國(guó)的氣候較世界其他同緯度地區(qū)差，夏季比同緯度其他地區(qū)熱,冬季比同緯度其他地區(qū)冷，夏熱冬冷地區(qū)的氣候更是極端。由于經(jīng)濟(jì)條件和國(guó)家能源政策的限制，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)大部分地區(qū)的建筑設(shè)計(jì)無(wú)法適應(yīng)地域氣候特點(diǎn),身陷兩難的局面，夏季無(wú)法充分防熱，冬季無(wú)法充分御冷。當(dāng)前，建筑設(shè)計(jì)向可持續(xù)性發(fā)展的一個(gè)明顯趨勢(shì)是，從以前的密集型技術(shù)裝置到高效圍護(hù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。適應(yīng)氣候變化的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于有限能源的高效利用和促進(jìn)可持續(xù)性發(fā)展具有更加重要的意義。

2 室內(nèi)熱環(huán)境影響的因素

一定的地區(qū)性氣候影響下的局部氣候作用于建筑群體，形成建筑外部的微氣候。微氣候是影響建筑室內(nèi)環(huán)境的直接外部因素，并通過(guò)建筑單體最終影響室內(nèi)熱環(huán)境。我國(guó)大部分地區(qū)建筑室內(nèi)熱環(huán)境受到微氣候熱環(huán)境、濕環(huán)境、風(fēng)環(huán)境和大氣環(huán)境等多個(gè)影響因素的共同作用，這些因素對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生直接或間接的作用。

影響建筑室內(nèi)人的熱舒適感的最終環(huán)境因素是室內(nèi)熱環(huán)境。熱舒適指標(biāo)作為建筑室內(nèi)熱環(huán)境的評(píng)價(jià)因子，取決于空氣溫度、輻射、濕度、氣流等環(huán)境因素和人體活動(dòng)強(qiáng)度、衣著等人為因素的綜合作用。同時(shí)，建筑熱環(huán)境不是一個(gè)孤立的系統(tǒng)，還受到其他建筑物理環(huán)境需求和建筑功能、美觀需求的影響和制約。因此，應(yīng)當(dāng)運(yùn)用系統(tǒng)整合的觀念進(jìn)行分析研究,從定性定量?jī)蓚€(gè)方面處理問(wèn)題和解決問(wèn)題。

3 材料技術(shù)

材料是建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的物資組成部分。在各種外圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料中能在遮蔽的同時(shí)又是透光的，在阻擋寒風(fēng)的同時(shí)又可讓陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)的，恐怕只有玻璃。玻璃可以對(duì)雙層通風(fēng)玻璃幕墻建筑的室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響。

3.1 普通玻璃與溫室效應(yīng)

玻璃的優(yōu)點(diǎn)在于其具有對(duì)光波輻射的可選擇透射性能。大部分波長(zhǎng)在0.4～2.5 μm的輻射可以透過(guò)玻璃，波長(zhǎng)10 μm左右的輻射則是完全不能通過(guò)的。

因此，玻璃是有選擇性的透過(guò)輻射，一方面它允許太陽(yáng)輻射透射至室內(nèi)，另一方面，建筑內(nèi)部波長(zhǎng)較長(zhǎng)的輻射不能通過(guò)玻璃射向室外，即形成溫室效應(yīng)。玻璃的溫室效應(yīng)為冬季完全以被動(dòng)方式利用太陽(yáng)能、改善室內(nèi)環(huán)境帶來(lái)了福音。但是大面積玻璃幕墻的運(yùn)用也會(huì)因?yàn)椴ＡУ臏厥倚?yīng)和高傳熱性帶來(lái)熱工上的副作用。在我國(guó)大部分地區(qū)，玻璃的溫室效應(yīng)有其冬季好的一面，但玻璃的強(qiáng)導(dǎo)熱性無(wú)論冬夏都有其不利的一面。對(duì)于玻璃幕墻的內(nèi)外層玻璃應(yīng)通過(guò)新型構(gòu)造和復(fù)合鍍膜降低其整體傳導(dǎo)系數(shù)，同時(shí)與通風(fēng)百葉、遮陽(yáng)設(shè)施等調(diào)節(jié)構(gòu)件相結(jié)合,適時(shí)調(diào)整導(dǎo)熱性能和溫室效應(yīng)。

3.2 玻璃技術(shù)與選擇透過(guò)性

普通的玻璃只能在有限的范圍內(nèi)做出簡(jiǎn)單的氣候調(diào)節(jié)。目前最新的復(fù)合材料玻璃通過(guò)本體著色、多層裝配、表層鍍膜等手段，變被動(dòng)設(shè)防為主動(dòng)利用能源，以滿足不同的性能需要（如表1）。

表1 玻璃的性能要求

3.2.1 本體著色

玻璃顯色是因?yàn)椴Ａ章屎屯干渎实牟灰恢滤拢章屎屯干渎适怯刹Ａ劢鈺r(shí)化學(xué)材料所賦予的。氧化鐵等化學(xué)成分含量的多少?zèng)Q定了玻璃在可見(jiàn)光范圍內(nèi)對(duì)不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光有選擇性地吸收和反射。

吸熱玻璃是在玻璃本體內(nèi)摻入金屬離子，使其對(duì)太陽(yáng)能有選擇地吸收，同時(shí)呈現(xiàn)不同的顏色。吸熱玻璃的節(jié)能是通過(guò)太陽(yáng)光透過(guò)玻璃時(shí)將光能轉(zhuǎn)化為熱能而被玻璃吸收，熱能以對(duì)流和輻射的形式散發(fā)出去從而減少太陽(yáng)能進(jìn)入室內(nèi)。

然而，吸熱玻璃雖具有一定的遮陽(yáng)效果，但其吸收的太陽(yáng)輻射能有相當(dāng)一部分會(huì)以對(duì)流與熱輻射的形式散發(fā)到室內(nèi)，對(duì)太陽(yáng)輻射熱的控制有限，尤其在單片使用時(shí)綜合隔熱效果并不理想。

3.2.2 多層裝配

玻璃幕墻由兩至三片玻璃與間層組成，間層內(nèi)充入干燥空氣、惰性氣體，或真空或填入氣凝膠，具有較低的K值以及良好的隔熱功能。最常見(jiàn)為中空隔熱玻璃。

1）中空玻璃

中空玻璃是將兩片玻璃通過(guò)有效的密封材料密封和間隔材料分隔開(kāi)，并在兩片玻璃之間裝有吸收水氣的干燥劑，從而保證中空玻璃內(nèi)部長(zhǎng)時(shí)間為干燥空氣層，無(wú)水氣、灰塵存在。同時(shí)，中空玻璃易進(jìn)行大批量工業(yè)化生產(chǎn)，中空玻璃是目前建筑行業(yè)中推薦采用的產(chǎn)品。

中空玻璃由于在兩片玻璃之間形成了一定的厚度并被限制了流動(dòng)的空氣或其他氣體層，從而減少了玻璃的對(duì)流和傳導(dǎo)傳熱、因此它具有較好的隔熱能力。例如，由兩片5mm普通玻璃和中間層厚度為10mm的空氣層組成的中空玻璃，在熱流垂直于玻璃進(jìn)行熱傳遞時(shí)對(duì)流傳熱、傳導(dǎo)傳熱、輻射傳熱各占總傳熱的2%、38%、60%左右。中空玻璃的單片還可以采用鍍膜玻璃和其他節(jié)能玻璃。中空玻璃可以集中空和鍍膜玻璃的優(yōu)點(diǎn)于一身，從而發(fā)揮更好的節(jié)能作用。如用一層5mm厚、表面輻射率0.2的低輻射玻璃和一層厚度為5mm的普通玻璃組成空氣層為9mm的中空玻璃，其K值約為2.1 W/m2K。如果使用輻射率為0.08的低輻射玻璃,并且將空氣層中的空氣用氬氣置換,空氣層的厚度選擇12mm，其K值可以達(dá)到1.4 W/m2K。如果中空玻璃的外片選擇熱反射玻璃，中空玻璃還具有控制太陽(yáng)能的作用。

2）真空玻璃

真空玻璃是將兩片平板玻璃四周密閉起來(lái)，將其間隙抽成真空并密封排氣孔，兩片玻璃之間的間隙為0.1～0.2mm。真空玻璃的兩片一般至少有一片是低輻射玻璃,這樣就將通過(guò)真空玻璃的熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳導(dǎo)幾乎為零，其工作原理與玻璃保溫瓶的保溫隔熱原理相同。

由于真空玻璃中間是真空層，基本上消除了對(duì)流傳熱和傳導(dǎo)傳熱，組成真空玻璃的原片玻璃可以選擇低輻射鍍膜玻璃即Low-E玻璃，能夠大幅度降低輻射傳熱。

真空玻璃具有優(yōu)異的保溫隔熱性能。一般的單片玻璃傳熱系數(shù)是6 W/m2K，中空玻璃是3.4 W/m2K，真空玻璃的傳熱系數(shù)達(dá)到1.2 W/m2K。一片只有6mm厚的真空玻璃，隔熱性能相當(dāng)于370mm的實(shí)心黏土磚墻。由于隔熱保溫性能好，真空玻璃在建筑上的應(yīng)用將達(dá)到節(jié)能和環(huán)保雙重效果。

3）氣凝膠隔熱玻璃

氣凝膠是一種多孔性的硅酸鹽凝膠，95%（體積比）為空氣。由于它內(nèi)部的氣泡十分細(xì)小（小于20mm），所以具有良好的隔熱性能，同時(shí)又不會(huì)阻擋、折射光線（顆粒遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)），具有均勻透光的外觀。把這種氣凝膠注入中空玻璃的空腔，可以得到傳熱系數(shù)小于0.7 W/m2K的隔熱玻璃組件。

3.2.3 表層鍍膜

即在玻璃表面附加一層膜，通過(guò)改變玻璃的光學(xué)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)輻射的選擇性屏蔽或利用來(lái)達(dá)到環(huán)保節(jié)能效果，主要有：

1）熱反射玻璃

熱反射玻璃是在玻璃表面鍍上金屬、非金屬及其氧化物薄膜，使其具有一定的反射效果，將太陽(yáng)能反射回大氣中從而達(dá)到阻擋太陽(yáng)能進(jìn)入室內(nèi)、使太陽(yáng)能不在室內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能的目的。

熱反射鍍膜玻璃的主要特性是：只能透過(guò)可見(jiàn)光和部分0.8～2.5 μm的近紅外光，對(duì)0.3 μm以下的紫外線和3 μm以上的中、遠(yuǎn)紅外光不能透過(guò)，即可以將大部分的太陽(yáng)能吸收和反射掉，降低室內(nèi)的空調(diào)費(fèi)用，取得節(jié)能效果。熱反射鍍膜玻璃可以獲得多種反射色，能將四周建筑及自然景物映射在彩色的玻璃幕墻上,使整個(gè)建筑物顯得異常絢麗壯觀。同時(shí)，熱反射鍍膜玻璃可以減輕眩光作用，使工作及居住環(huán)境更加舒適。

2）低輻射玻璃（Low-e玻璃）

普通平板玻璃的輻射率較高，通常為0.84。低輻射玻璃是通過(guò)在玻璃表面涂低輻射涂層，使表面的輻射率低于普通玻璃,從而減少熱量的損失，達(dá)到降低采暖費(fèi)用、實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。衡量低輻射玻璃節(jié)能效果的重要指標(biāo)是輻射率。輻射率越低通過(guò)玻璃表面發(fā)生的輻射損失越少,玻璃的節(jié)能效果越好。

3）光譜選擇透過(guò)性玻璃

光譜選擇透過(guò)性玻璃是熱反射玻璃和低輻射玻璃技術(shù)的延伸。這種玻璃可以使得太陽(yáng)輻射中的可見(jiàn)光成分最大量地通過(guò)并阻擋具有較高熱量的紫外線或者紅外線，從而最大限度地利用自然光照亮室內(nèi)，又把輻射的熱能阻擋在室外（或者室內(nèi)），于是從采光和制冷（或者采暖）兩方面同時(shí)起到了節(jié)能效果。也可以使用它相反的特性，阻擋可見(jiàn)光，透過(guò)熱量，從而適用于高緯度地區(qū)建筑物，消除進(jìn)入室內(nèi)的眩光，充分利用太陽(yáng)輻射熱來(lái)增加溫室內(nèi)溫度。

4 建筑玻璃幕墻的應(yīng)用實(shí)例

4.1 Low-e中空玻璃幕墻特點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)例

玻璃幕墻作為建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其熱工性能直接影響建筑能耗。現(xiàn)在廣泛使用的Low-e中空玻璃幕墻，逐漸采用熱反射鍍膜玻璃、Low-e中空玻璃、斷熱型材等節(jié)能材料，在熱工性能方面比過(guò)去的門(mén)窗有所改善。我司施工的由廈門(mén)源昌集團(tuán)開(kāi)發(fā)的廈門(mén)源昌凱賓斯基大酒店玻璃幕墻就屬于Low-e中空玻璃幕墻，該項(xiàng)目建筑占地面積4870.78m2，總建筑面積為80 462.96m2，建筑總高度為198m，位于廈門(mén)市的主要交通要道湖濱南路及湖中路交叉口東北側(cè),緊臨廈門(mén)主要景點(diǎn)白鷺洲公園及筼筜湖。按白金五星級(jí)酒店標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，塔樓建筑的立面主要為單元式隱框幕墻系統(tǒng)。單元式幕墻系統(tǒng)共21 672.7m2（玻璃單元式幕墻20 782.7m2,石材及百葉單元式幕墻890m2）。

該項(xiàng)目塔樓玻璃幕墻玻璃采用Low-e鍍膜中空玻璃，遮陽(yáng)系數(shù)SC為0.332，傳熱系數(shù)為2.65。玻璃自身可見(jiàn)光透射比不小于0.40。四周的采光窗戶≥30%的開(kāi)窗面積,玻璃幕墻有可開(kāi)啟部分。透明幕墻氣密性為4級(jí)，具有良好的保溫、隔熱、隔聲的效果。

由于玻璃幕墻的節(jié)能率很高。經(jīng)過(guò)計(jì)算，這種幕墻設(shè)計(jì)壽命為20年，工程造價(jià)約1 200元／m2，僅相當(dāng)于普通混凝土墻體(含鋁合金窗)的價(jià)格（造價(jià)約900～1 300元／m2）。若從長(zhǎng)遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)效益考慮，中空玻璃幕墻更合算。我們還有一些消費(fèi)數(shù)據(jù)可以說(shuō)明這一點(diǎn)。

例如,鎖定普通中空玻璃幕墻夏季空調(diào)費(fèi)按一個(gè)月30 d,每天按8 h計(jì)算：

①普通中空玻璃幕墻0.11元／hm2；②普通混凝土墻及單層玻璃0.14元／hm2。

一個(gè)制冷面積10 000m2的建筑物，在采用不同墻體體系時(shí)，它的節(jié)能的經(jīng)濟(jì)值顯然有較大的差異(按每年夏天制冷5個(gè)月)：

①采用Low-e中空玻璃幕墻制冷約需電費(fèi)共計(jì)132萬(wàn)元；②采用普通混凝土墻及普通單層玻璃制冷約需電費(fèi)共計(jì)168萬(wàn)元。

由此可見(jiàn)，采用Low-e中空玻璃幕墻比采用普通混凝土墻及普通單層玻璃要節(jié)能27%左右。

5 總結(jié)

具有氣候適應(yīng)性的Low-e中空玻璃幕墻在一定程度上取得了功能要求和生態(tài)目標(biāo)的統(tǒng)一。玻璃幕墻實(shí)際上是在建筑與周?chē)h(huán)境之間建立一個(gè)緩沖區(qū)域，減輕各種極端氣候條件變化對(duì)建筑室內(nèi)的影響。

綜上所述,隨著人類科技水平的飛速發(fā)展，節(jié)能環(huán)保意識(shí)和審美品味的不斷提高，建筑幕墻技術(shù)必將與時(shí)俱進(jìn)。“開(kāi)放與交流、舒適與自然、環(huán)保與節(jié)能”的建筑原則會(huì)促使Low-e中空玻璃幕墻技術(shù)進(jìn)一步完善與推廣,越來(lái)越多地采用Low-e中空玻璃幕墻和其他生態(tài)節(jié)能技術(shù)的綠色生態(tài)建筑勢(shì)必會(huì)從根本上改善我們的生存環(huán)境。

[1]蔣鳳昌,閉思廉.玻璃幕墻明框節(jié)能隔熱鋁型材的開(kāi)發(fā)[J].新型建筑材料,2001,(8):41～42.

[2]蔣鳳昌.64系列隔熱鋁合金型材節(jié)能窗的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)[J].新型建筑材料,2001,(3):46～47.