玻璃幕墻材料對(duì)保溫節(jié)能的影響

李 瑜

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102488)

近年來，由于我國(guó)經(jīng)歷不斷地高速發(fā)展，城市中的建筑越來越多，且規(guī)模越來越龐大。與此同時(shí)出現(xiàn)的一個(gè)問題是，在整個(gè)社會(huì)產(chǎn)生的總能耗中，這些建筑物產(chǎn)生的能耗占比在逐年增加。且隨著人們對(duì)美觀的追求，現(xiàn)在的建筑物也變得越來越有藝術(shù)感，其中的典型代表之一就是玻璃幕墻。現(xiàn)在大多數(shù)的現(xiàn)代化都市在建筑的外部裝修過程中都會(huì)使用到玻璃幕墻，這成為了現(xiàn)代化城市建筑的一個(gè)非常典型的特征，也是一個(gè)非常重要的標(biāo)志。玻璃幕墻的存在既突破了傳統(tǒng)裝修中門窗和墻體的限制，又非常巧妙地將建筑的使用功能與藝術(shù)和美感融為一體，但玻璃幕墻的存在也導(dǎo)致了一些新的問題出現(xiàn)。因玻璃幕墻無法很好地對(duì)熱量進(jìn)行保持或傳遞，就導(dǎo)致了其在隔熱以及保溫方面表現(xiàn)不佳，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到傳統(tǒng)墻體的效果。與傳統(tǒng)墻體相比，玻璃幕墻在熱量損失方面可以比其高5倍左右，建筑物的總能耗中很大一部分就是由玻璃幕墻產(chǎn)生的，約占總體的40%[1]。這與現(xiàn)在環(huán)保生活的理念并不相符，所以為了解決這種問題，可以從玻璃幕墻的選材上進(jìn)行考慮。

1 玻璃幕墻的分類

要是想要對(duì)玻璃幕墻的選材進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求，首先要對(duì)玻璃幕墻的種類有所了解，這樣才可以更好地進(jìn)行材料的選擇。

1.1 明框玻璃幕墻

這種玻璃幕墻形如其名，主要是使用金屬材料作為框架，將玻璃材料作為內(nèi)嵌物鑲嵌在金屬框架中，這種玻璃幕墻出現(xiàn)時(shí)間較早，目前應(yīng)用也較為廣泛[2]。這種玻璃幕墻不僅可以起到墻壁等功能作用，同時(shí)其裸露在外的金屬邊框也可以起到很好的裝飾效果。

1.2 隱框玻璃幕墻

這種幕墻也常被稱為結(jié)構(gòu)膠接玻璃幕墻，按照其外觀可將其分為兩種，即半隱框和全隱框。半隱框玻璃幕墻就是通過將幕墻的部分框架直接融合到建筑物的外觀中，使建筑物更加美觀，更加立體[3]。與之相反，全隱框玻璃幕墻就是通過將所有框架隱藏，從外觀上無法找到明顯框架，從而達(dá)到一種比較干凈的效果。

1.3 點(diǎn)支式玻璃幕墻

點(diǎn)支式玻璃幕墻是近年來新興起的一種玻璃幕墻，其科技含量相對(duì)較高，而且其結(jié)構(gòu)和功能都十分明顯，目前在很多城市都有所應(yīng)用。由于其外觀極具時(shí)代感和科技屬性，對(duì)于現(xiàn)代建筑美學(xué)方面的提高是十分有幫助的。

2 常見玻璃幕墻材料保溫節(jié)能性能對(duì)比

玻璃幕墻最致命的缺點(diǎn)就是其對(duì)熱量的傳遞較差，具體體現(xiàn)在其保溫能力以及隔熱能力方面。同時(shí)安裝了玻璃幕墻的建筑往往通風(fēng)能力不好，這會(huì)對(duì)建筑物的能源消耗產(chǎn)生極大的影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)建筑物中消防設(shè)施等物品的配置產(chǎn)生很大的影響。對(duì)于玻璃幕墻的保溫能力是有具體的衡量標(biāo)準(zhǔn)的，就是在建筑物玻璃幕墻的兩側(cè)空氣溫度不同時(shí)，玻璃幕墻阻擋熱量由高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞的能力（從空隙中滲透的空氣所帶來的熱量傳遞不算在其中）。對(duì)于幕墻的保溫能力，我們通常用傳熱系數(shù)k來表示[4]。其物理意義為，在穩(wěn)定傳熱的情況下，幕墻左右兩邊的氣溫差是1K時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)從單位面積內(nèi)通過的熱量，單位為W/m2·K。目前，在建筑領(lǐng)域中，對(duì)于幕墻的保溫能力可分為四級(jí)[5]，具體分級(jí)情況見表1。

表1 建筑幕墻保溫性能分級(jí)情況Table 1 Classification of insulation performance of building curtain wall

對(duì)于玻璃幕墻保溫隔熱能力影響最大的方面就是幕墻本身材料的選擇。而且為了保證幕墻的功能性以及美觀性不被破壞，同時(shí)還要對(duì)幕墻實(shí)際安裝過程進(jìn)行考慮，再加上對(duì)目前行業(yè)內(nèi)的一些實(shí)際情況及相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。本文綜合總結(jié)了目前常用的幕墻材料，從節(jié)能、保溫等方面入手進(jìn)行了綜合分析。

2.1 鋁型材對(duì)玻璃幕墻保溫隔熱能力的影響

鋁型材在玻璃幕墻中使用較多的就是在較為傳統(tǒng)的明框幕墻中，其中的玻璃都是分板塊、分格的鑲嵌在鋁型材所制造的框架中。這種情況下玻璃的間隔對(duì)幕墻整體的保溫能力也會(huì)產(chǎn)生極大的影響。因鋁合金自身具有很好的傳熱能力，在明框幕墻中，作為外框架的鋁合金也會(huì)參與建筑內(nèi)外熱量的交換。這就會(huì)導(dǎo)致冷橋現(xiàn)象的出現(xiàn)[6]，這會(huì)對(duì)幕墻的保溫能力產(chǎn)生極其惡劣的影響。為了對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行解決，現(xiàn)在有研究人員做出了隔熱斷橋鋁型材。這種鋁型材與傳統(tǒng)的鋁型材相比較，多使用了一部分塑料型材。通過這部分塑料型材對(duì)鋁合金進(jìn)行包裹，既可以將鋁合金與外部環(huán)境分割開來，以消除鋁合金快速散熱的缺點(diǎn)。同時(shí)還不會(huì)對(duì)框架的完整性及美觀性有所影響。這種新型結(jié)構(gòu)不僅具有良好的隔熱性，更同時(shí)具有優(yōu)良的保溫性、防火性以及氣密性等。經(jīng)過隔絕的鋁合金框架傳熱效率僅為1.8～3.5m2·K，這與正常的鋁合金相比傳熱能力下降了幾十倍[7]，可以有效地阻止冷橋現(xiàn)象的發(fā)生。通過這種手段對(duì)明框玻璃幕墻的保溫節(jié)能性能可以有效地提升，這也是現(xiàn)在及未來明框幕墻保溫性能提升的主要手段。

而對(duì)于隱框式玻璃幕墻來說，其鋁合金型材是包覆在建筑外觀框架中的，不會(huì)直接對(duì)傳熱過程產(chǎn)生影響。因此對(duì)于使用在隱框式玻璃幕墻中的鋁型材不需要進(jìn)行特殊處理，僅使用普通材料就可以。點(diǎn)支式玻璃幕墻的熱量傳遞中，除了玻璃板材自身的傳熱外，還包含一部分墻爪件鋁合金的傳熱，因此在建筑過程中也有必要使用隔熱套件。

2.2 玻璃對(duì)玻璃幕墻保溫隔熱能力的影響

前文對(duì)鋁型材進(jìn)行了探討，但在玻璃幕墻中占據(jù)主體地位的還是玻璃材料，其可以占據(jù)幕墻整體面積的86%以上[8]。這是幕墻內(nèi)外熱量交換的主要方式，玻璃的選用決定了幕墻的保溫能力以及整體能耗，因此幕墻玻璃材料的選擇是重中之重。表2為幾種常見玻璃材料的傳熱能力參數(shù)[9]。

表2 不同特性玻璃傳熱特性參數(shù)Table 2 Heat transfer characteristic parameters of glass with diff erent characteristics

由2表可以看出，玻璃的種類對(duì)其透光率、傳熱以及遮陽(yáng)等性能有極大的影響。透明單片玻璃具有極高的傳熱系數(shù)，對(duì)常見的熱輻射（如太陽(yáng)輻射、紅外輻射等）幾乎沒有限制，這就導(dǎo)致在夏天會(huì)有大量的熱量傳導(dǎo)進(jìn)室內(nèi)，使室內(nèi)溫度大大升高。同時(shí)在冬季室內(nèi)的熱量會(huì)大量的散到室外，使冬季室內(nèi)溫度下降。我們?cè)谑褂貌Ａ粔r(shí)，不僅要提升其保溫隔熱能力，同時(shí)對(duì)其最基本的采光能力也不能忽視，所以在對(duì)玻璃材料進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)盡量考慮中空玻璃，可以對(duì)其保溫能力進(jìn)行提升。而對(duì)于在提升保溫隔熱能力的同時(shí)還想要考慮其遮陽(yáng)能力的話，就應(yīng)該使用熱反射鍍膜玻璃或者solar-玻璃等[10]。

隨著城市建筑的不斷發(fā)展，玻璃幕墻的應(yīng)用場(chǎng)所也越來越多，甚至有時(shí)玻璃幕墻可能要同時(shí)應(yīng)用于多種嚴(yán)苛環(huán)境中，再加上幕墻的朝向不同，單一品種的玻璃材料無法滿足所有的要求。如有些建筑物需要對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行攔截，這就需要對(duì)玻璃材料進(jìn)行一定的處理。可以使用鍍膜手段將玻璃改造成熱輻射玻璃，也可以向玻璃中添加其他元素進(jìn)行改性處理[11]。但必須要考慮的是，透光性能與吸熱性能是互相矛盾的，所以在使用吸熱玻璃的時(shí)候往往熱量也較慢從室內(nèi)散出，且吸熱玻璃并不代表可以將熱量完全阻隔在外。而對(duì)于熱反射玻璃來說，除了將紅外線反射之外，也會(huì)對(duì)可見光進(jìn)行一定的反射、削弱，這會(huì)使室內(nèi)采光效果削弱，同時(shí)也容易導(dǎo)致光污染出現(xiàn)。但正是因?yàn)闊岱瓷洳Ａ?duì)太陽(yáng)能的反射能力，使其非常適用于炎熱的南方地區(qū)，而在較為寒冷的北方地區(qū)則不太合適。

對(duì)于寒冷的北方地區(qū)，最為合適的還是Low-e玻璃，這也是近年來使用非常廣泛的一種玻璃材料。使用Low-e玻璃，可以在很好地處理太陽(yáng)能輻射的同時(shí)很好的保證室內(nèi)的溫度。太陽(yáng)能輻射的主要波長(zhǎng)為0.3～0.5μm，這種波長(zhǎng)對(duì)于Low-e玻璃來說，60%以上都可以通過[12]。這就保證了在白天外部的熱量可以很好地進(jìn)入到室內(nèi)，而在晚上或者陰天時(shí)，室內(nèi)的熱量卻大部分無法從室內(nèi)擴(kuò)散出來，這可以有效地保證室內(nèi)的溫度。但值得注意的是，必須要使用雙層中空的Low-e玻璃，才會(huì)具有良好的阻隔熱輻射的能力，僅使用單層玻璃是無法取得上述效果的。

最后總結(jié)一下低輻射鍍膜玻璃的相關(guān)性能。其輻射率通常在0.1上下[13-14]，基本上為普通玻璃的十分之一，可以很好地保溫節(jié)能。現(xiàn)在常見的Low-e玻璃則是使用特殊的熱噴射鍍膜技術(shù)制備的，這種工藝使其在具有低輻射能力的同時(shí)也能具有很好的控光能力。上述的這幾種玻璃材料，在單層使用時(shí)，雖然可以起到一定的保溫節(jié)能作用，但其效果并不能讓人滿意。在大面積使用玻璃材料的建筑物中這種單層玻璃的效果更是差強(qiáng)人意。為了獲得更好的效果，現(xiàn)在常使用內(nèi)外不同的雙層中空玻璃。如外層為了吸收熱輻射可以使用吸熱Low-e玻璃等，內(nèi)部則可以使用普通的透明玻璃。而中空的空氣層可以有效的阻止熱輻射在室內(nèi)的二次傳遞，達(dá)到保溫節(jié)能的作用。

3 總結(jié)

玻璃幕墻的保溫節(jié)能能力主要取決于幕墻的種類、材料的選擇以及密封方式。為了解決現(xiàn)在部分玻璃幕墻保溫節(jié)能效果差的問題，應(yīng)主要從熱量傳導(dǎo)以及阻熱能力這兩方面進(jìn)行考慮。應(yīng)在實(shí)際使用過程中選擇地使用雙層中空玻璃及密封手段。