超高層建筑玻璃幕墻能耗及節能分析

0 引言

玻璃幕墻作為超高層建筑常用的圍護結構，不僅以其通透性和現代感賦予建筑美學價值，還極大地促進了室內自然光線的利用，改善了建筑的室內環境質量[1-2]。然而，隨著全球能源危機和氣候變化日益嚴峻，超高層建筑的能耗問題開始受到前所未有的關注。由于玻璃材料的熱傳導性能相對較差，傳統的玻璃幕墻在夏季容易導致室內溫度迅速上升，增加了空調系統的能耗。而在冬季，則可能因保溫性能不足，導致室內熱量大量散失，需要額外供暖來維持舒適的室內環境[3]。這些問題不僅增加了建筑的運營成本，還加劇了能源消耗和環境污染。

本文以某超高層建筑為例，通過對比不同類型玻璃的各項性能以及相應的建筑能耗，確定能耗最低的玻璃幕墻類型。這不僅有助于推動超高層建筑向更加綠色、低碳的方向發展，還為實現建筑行業的可持續發展提供了理論支持和實踐指導。

2LoW-E玻璃概述

2.1Low-E玻璃定義與功能

Low-E玻璃是一種鍍膜玻璃，通過在玻璃表面鍍上一層或多層金屬（如銀、銅、錫等）或其他化合物組成的膜層，降低玻璃表面的輻射率，從而實現節能效果。這種玻璃的主要功能是通過特殊的鍍膜層，對可見光保持高透過率，同時對中遠紅外線具有高反射率。其核心功能層通常是銀層，銀是自然界中輻射率最低的物質之一，能夠有效降低玻璃的輻射率[4]。Low-E玻璃可以將太陽光過濾成冷光源，既滿足自然采光需求，又能有效控制室內溫度。

2.2LoW-E玻璃的特點

2.2.1 高透光性與低反射率

Low-E玻璃對可見光具有較高的透過率，通常可達到 80% 以上，使室內空間明亮通透，減少對人工照明的依賴。與普通鍍膜玻璃相比，Low-E玻璃的反射率較低，從室外觀看，外觀更加透明清晰，不會產生強烈的反射光，避免了光污染問題。

1工程概況

西安文旅中心項目二標段位于陜西省西安市曲江新區南三環路與雁翔路交匯處。項目A棟建筑共計33層，幕墻總高度 175m ，地上建筑面積 60896.55m² ，幕墻面積28500m² ；標準層高 4.2m ，避難層層高 5.5m 。建筑幕墻設計工作年限為25年，建筑耐火等級為一級，基本風壓為 0.35kN/m² 。幕墻形式主要包括單元式玻璃幕墻、首層大堂玻璃肋幕墻、不銹鋼雨篷等。A座5層及以上為單元式幕墻，擬采用環形軌道與吊裝炮車配合安裝。單元板塊總數量4620塊，幕墻玻璃均為三銀Low-E玻璃。

2.2.2優異的隔熱性能

在冬季，Low-E玻璃能將室內的熱輻射反射回室內，減少室內熱量通過玻璃向室外散失，從而保持室內溫暖，降低采暖能耗。在夏季，可以反射室外的熱輻射，阻止熱量進入室內，減少空調的使用，起到良好的隔熱效果[5]。

2.2.3 良好的隔音性能

Low-E玻璃的多層結構和特殊的鍍膜層可以有效吸收和阻擋聲音的傳播，降低環境噪音對室內的影響，創造一個安靜舒適的居住和工作環境。

2.2.4 可防紫外線

Low-E玻璃能夠阻擋大部分的紫外線輻射，減少紫外線對室內物品的損害，如家具、地毯、窗簾、藝術品等，避免因長期紫外線照射而出現褪色、老化、變形等問題，保護室內物品的顏色和質地，延長其使用壽命。

2.2.5 可防結露

在冬季，室內外溫差較大時，普通玻璃表面容易結露，形成水滴，影響視線和室內環境。Low-E玻璃的低輻射率和良好的保溫性能可以降低玻璃表面的溫度差異，降低結露的可能性，保持玻璃的清晰和干燥。

2.3LoW-E玻璃分類

Low-E玻璃按鍍膜層數分為3類，分別為單銀、雙銀以及三銀玻璃。其中，單銀Low-E玻璃只含有一層銀功能層，膜層總數通常為5層。雙銀Low-E玻璃含有兩層銀功能層，膜層總數達到9層以上。三銀Low-E玻璃含有三層銀功能層，膜層總數達到13層以上。Low-E玻璃銀層分布示意圖如圖1所示。

圖1LoW-E玻璃銀層分布示意

3LoW-E玻璃性能參數分析

3.1 傳熱系數

一般情況下，用 K 值表示Low-E玻璃的導熱性， K 值越小，玻璃保溫性能越好。通過使用玻璃傳熱系數測量儀，分別測量普通玻璃、單銀、雙銀以及三銀Low-E玻璃的傳熱系數。不同類型玻璃幕墻 K 值如圖2所示。從圖2可知，普通玻璃傳熱系數 K 值為2.6W/ (m²?K^-1) ，而鍍銀后的 Low-E 玻璃 K 值顯著降低。其中，三銀為1.61W/ (m²?K^-1) 、雙銀為 1.65W/(m²?K^-1) 、單銀為1.77W/(m²?K^-1) ，這表明銀層能有效抑制玻璃的熱傳導能力。但當逐漸增加銀層數量時，玻璃 K 值下降速率逐漸減緩。單銀到雙銀 K 值下降 21% ，而雙銀到三銀僅下降 5.5% 0這表明在一定范圍內，銀層數量對隔熱效果的增強作用有限。從整體來看， K 值最低的為三銀Low-E玻璃，傳熱性也最弱；雙銀次之，傳熱性適中。除此之外，三銀玻璃不僅隔熱性能最優，其紅外熱能透射比同時可低至0.06以下，能有效阻隔太陽輻射熱。

通過使用透光計，分別測量普通玻璃、單銀、雙銀以及三銀Low-E玻璃的透光率。不同類型玻璃幕墻透光率如圖3所示。

圖2不同類型玻璃幕墻K值

3.2透光率

從圖3可知，Low-E玻璃透光率隨著銀層數量增加而均勻下降，透光率最高的為普通玻璃，高達 85% ，最低的為三銀Low-E玻璃，透光率為 51% 。三銀Low-E玻璃在陽光強烈地區能有效阻隔太陽輻射熱，降低空調能耗。而對于日照較少或采光要求較高的地區，透光率相對較高的單銀Low-E玻璃經濟性更優。

3.3太陽能總透射比和遮陽系數

通過測試儀測得普通玻璃、單銀、雙銀以及三銀Low-E玻璃的太陽能總透射比和遮陽系數，不同類型玻璃幕墻太陽能總透射比和遮陽系數如圖4所示。

從圖4可知，Low-E玻璃的太陽能總透射比和遮陽系數SC均隨著銀層數量的增加逐漸減小。具體表現為：普通玻璃的太陽能總透射比為 73% ，三銀為 30% 、雙銀為37% 和單銀為 47% ；普通玻璃遮陽系數SC為 87% ，三銀為 33% 、雙銀為 41% 和單銀為 55% 。這表明銀層通過反射和吸收太陽光有效降低了熱能透射。

研究發現，Low-E玻璃的銀層對可見光具有高透過，對中遠紅外線具有高反射性。增加銀層數量，則可減少太陽光直接穿透并吸收熱能，從而降低遮陽系數和太陽能總透射比。遮陽系數和太陽能總透射比呈線性正相關關系，即遮陽系數增加時，玻璃的太陽能總透射比會相應增加。

圖3不同類型玻璃幕墻透光率

圖4不同類型玻璃幕墻太陽能總透射比和遮陽系數

從整體來看，單銀Low-E的太陽能透射比相對較高，但仍遠遠低于普通玻璃；雙銀Low-E的透射比和隔熱性能優于單銀；三銀Low-E的透射比最低（ 30% ），隔熱性能最優，遮陽效果好，更適合北方地區使用。

4不同LoW-E玻璃的建筑能耗分析

建筑能耗管理是實現綠色建筑、提高生活質量、降低成本、保護環境的重要手段，其不僅關系到單個建筑物的運營效率，也對社會整體的可持續發展目標有著深遠的影響。

4.1 能耗計算方式

單位面積玻璃透過熱能的功率 Q 計算公式為：

Q=I₀SHGC+K(T_??h-T_?N)

式中： Q 表示單位面積玻璃透過熱能的功率，單位W/m² ；SHGC表示為太陽能總透射比； I₀ 表示太陽輻射強度，單位為 W/m² . T_☉ 、 T_☉ 分別表示室內、外溫度，單位為 °C . K 表示玻璃傳熱系數，單位為W/ (m²?K^-1) 。

建筑能耗 E 的計算公式為：

E=TMQn

式中： E 表示理論能耗，單位為 kN?h ； T 表示用電時間，單位為 h . M 表示玻璃面積，單位為 m² ， η 表示空調電熱轉換效率。

4.2計算結果分析

根據工程所在地情況，此處太陽輻射強度取值391.7W/ in² ，空調電熱轉換效率取值 300% 。不同類型玻璃的相關計算參數如表1所示。

表1不同類型玻璃的相關計算參數

根據不同類型玻璃計算參數、建筑幕墻面積、室內外溫差，結合式(1)和式(2)，可計算得出采取不同類型玻璃時的建筑能耗。不同類型玻璃的建筑能耗如表2所示。

從表2可知，普通玻璃、單銀Low-E玻璃、雙銀Low-E玻璃及三銀Low-E玻璃理論能耗分別為 70315.2kW?h 33766.8kW?h. 、 28340.4kW?h 和 22047.6kW?h 。隨著鍍銀層數的增加，建筑理論能耗顯著降低。由此看出，使用三層鍍銀Low-E玻璃可以顯著減少建筑物的能耗，特別是在寒冷或炎熱的氣候條件下，能夠有效保持室內溫度，降低空調和供暖系統的能耗。雖然其初始成本可能較高，但從長期來看，通過減少能耗可節省大量能源費用，具有較高的經濟效益。

表2不同類型玻璃的建筑能耗

5 結束語

本文以某超高層建筑為例，通過分析不同類型玻璃幕墻的傳熱系數、透光率、太陽能總透射比和遮陽系數，并對不同玻璃類型下的建筑能耗進行計算，得出以下結論：

1）增加銀層數量對隔熱效果的增強作用有限。隨著銀層數量的增加，玻璃 K 值下降速率逐漸減緩，單銀到雙銀下降 21% ，雙銀到三銀僅下降 5.5% 。但從整體來看，三銀Low-E玻璃的 K 值最低，傳熱性也最弱，隔熱效果最優。

2）Low-E玻璃透光率隨著銀層數量的增加呈均勻下降趨勢。其中，普通玻璃的透光率最高，達 85% ；三銀Low-E玻璃的透光率最低，為 51% 。同時，三銀Low-E透射比最低（ 30% ），熱輻射小，遮陽效果好。

3）隨著鍍銀層數的增加，建筑理論能耗顯著降低。因此使用三層鍍銀的Low-E玻璃可以顯著減少建筑物的能耗，減少空調和供暖系統的能耗。

4）三銀Low-E玻璃在超高層建筑幕墻中的應用，具有優異的節能性能與經濟性，有助于建筑的綠色可持續發展。

參考文獻

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