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建筑玻璃幕墙与建筑节能

一、传统玻璃幕墙的弊端

随着玻璃幕墙大量的应用和时间的推移,许多在“玻璃大厦”里办公和居住的人们发现,尽管玻璃使建筑物看上去轻盈亮丽、简洁明快,但是玻璃幕墙的许多缺点也日益凸现。
(一)耗能问题
自上世纪70年代能源危机后,世界各国越来越重视节能工作。同样,能源问题目前也正困扰着中国的经济建设和发展,建设节约型社会已经成为全社会关注的焦点。据统计,目前北京、上海等大城市的建筑能耗已占全市总能耗的1/4,居于能耗的首位,其中公共建筑能耗又占建筑总能耗的大部分,玻璃幕墙夏季的吸热和冬季的散热,在给建筑物带来美观亮丽的同时也大量的消耗着能源。
(二)光污染
   光污染危害来源的主要对象仍是城市高层建筑的玻璃幕墙,一幢幢矗立在马路两侧的玻璃幕墙,就像一面面巨大的镜子,其产生的光反射,极易诱发意外交通事故。而如果人们长期受到玻璃幕墙的“白光污染”,人会深感精神压抑,心情烦躁,除视力因长时间遭反射光刺激而下降外,还会诱发某些疾病。在国内和国外,随着玻璃幕墙在各大城市建设中大行其道,各地近年来接到市民对光污染的投诉也直线上升。
   (三)安全隐患
   据有关专家介绍,目前市面上很多用于黏结玻璃幕墙结构胶水会随着时间推移老化,甚至失效。一般而言,厂家对硅胶、结构胶承诺的保质期为10年。即便按照现行技术规范,玻璃幕墙的设计年限也不超过25年。玻璃幕墙如果年久失修,会产生许多安全隐患,成为“空中定时炸弹”。
   随着2005年7月1日《公共建筑节能设计标准》的实施,玻璃幕墙的耗能、安全隐患等问题使其处于一种尴尬的境界,玻璃幕墙将被叫停甚至遭封杀的消息不绝于耳。

二、新型玻璃幕墙的诞生与发展

那么玻璃幕墙的美观与节能是不是“鱼和熊掌不可兼得”呢?事实上,随着科学技术进步,一些隔热性能好、反光系数低的玻璃都相继问世,采用由这些玻璃组成的中空玻璃则比较好地解决了保温隔热的问题,使解决玻璃幕墙耗能的问题成为可能。
   中空玻璃的隔热性能好,是因为其内部的空气层处于一个封闭的空间,气体不产生对流,且空气的导热系数仅是玻璃的1/27。在北方,中空玻璃一般是尽量减少对太阳短波辐射的阻挡,使得更多的太阳辐射进入室内。而在南方,中空玻璃首先是吸收或反射太阳短波辐射,再利用中空玻璃的空气层有效隔绝温差传热和长波辐射,从而使大量的太阳辐射不能进入室内。所以,中空玻璃和有保温隔热功能的单片玻璃配合组成的中空玻璃等,都是有较好节能效果的。
   随着第四代节能新型玻璃幕墙的面世,幕墙的隔热性能、生态环保功能和节省能源消耗等方面都有很大的突破。这个时代的幕墙特点是采用了高新技术,提高了幕墙的使用功能和舒适度,向绿色环保化、智能生态化方向发展。
   (一)光电幕墙
   光电幕墙是一种集发电、隔音、隔热、安全、装饰功能于一体的太阳能光电玻璃幕墙,它充分体现了建筑的智能化与人性化特点。进入90年代后,随着常规发电成本的上升和人们对环境保护的日益重视,一些国家纷纷实施、推广太阳能屋顶计划,并提出了“建筑物产生能源”的新概念,由此推动了光电技术的大规模开发与应用。美国、日本、德国、意大利、印度等许多国家都已建有太阳能屋顶或外墙的建筑。
   光电模板简称为PV,是多个太阳能光电池经加固处理,镶嵌在特殊的透明度极高的低铁玻璃中,彼此之间经过其背面的导线相连,从而构成了一个整体的光电模板。这是一种完善的技术,它的优点是可在气候恶劣的情况下照常工作,具备抵御外界环境侵扰的能力,或在臭氧,或在酸雨,或在零下50摄氏度至90摄氏度的环境中,光电模板仍可使用几十年,而且是极为美观的造型材料。
   光电幕墙体现了智能化特点,太阳能电池发电不会排放二氧化碳或产生对温室效应有害的气体,也无噪音污染,并可用来发电,由此可见,光电幕墙是一种净能源,与环境有很好的相容性。同时太阳能光电技术集成到幕墙中不仅不占有建筑面积,而且太阳能光电板晶莹优美的外观,具有特殊的装饰效果,更赋予建筑物鲜明的现代科技色彩。

(二)生态幕墙
   生态幕墙是随着建筑生态化的发展而发展的,根据使用功能或使用要求,能够改变生态和色彩的建筑幕墙称之为生态幕墙,生态幕墙是生态建筑的一种,是生态外围护结构的建筑。它是以“可持续发展”为战略,以使用的高新技术为先导,以生物气候缓冲层为重点,节约资源,减少污染,是健康舒适的生态建筑外围护结构。
   生态建筑与生态幕墙在三维空间中,引入了时间概念,在功能及美学上具有独特的意义,可以称其为“四维建筑”,即静与动,封闭与开放,收敛与张开,空间与时间,使建筑和幕墙更具有鲜明的音乐韵律。改变了传统建筑和幕墙终身不变的形态和色彩,拓宽了建筑和幕墙的新视野和新技术,对现代建筑和幕墙的实践和理论是一种补充和拓展,有着独立的价值和意义。
   由此可见,玻璃幕墙的发展是随着科学的进步,综合技术的开发利用,特别是新技术、新工艺、新材料的发展而 精华的,所以光电幕墙和生态幕墙都是科学技术的综合体现。

三、玻璃幕墙的节能原理分析

外窗(含透明幕墙、采光顶)的保温隔热性能主要取决于所采用的玻璃的保温隔热性能,中空玻璃的间隔层层数、距离、间隔层内的气体,间隔条如暖边技术,LOW-E中空玻璃膜层的辐射率都对玻璃的保温性能有影响,可根据标准对不同类型的外窗(含透明幕墙、采光顶)部分的传热系数限值来确定玻璃。
   不同材料的窗框对外窗(含透明幕墙、采光顶)的传热系数影响较大,不容忽视,塑料窗框、木窗框等因材料本身的传热系数较小,对外窗的传热系数影响不大,铝合金窗框,钢窗框等材料本身的导热系数很大,形成的热桥对外窗的传热系数影响较大,必须采用断桥处理。铝合金断桥处理做法有很多种,材料也不同,如聚酰胺(PA)断热条,聚胺脂(PU)等,对保温性能要求高的外窗(含透明幕墙、采光顶)应选择断桥效果好的铝型材。
   窗框面积占外窗的比例根据窗框材料和窗型系列的不同大约为20~40%,不同的窗框面积对窗的传热系数影响也不同。
   透明幕墙的构造做法对传热系数也有不同的影响,明框玻璃幕墙、半隐框玻璃幕墙的影响要大于点支式幕墙和隐框幕墙。
   外窗(含透明幕墙,采光顶)的遮阳系数可根据不同的玻璃本身的遮阳系数及外遮阳来选择,以达到限值的要求。
   不同颜色系列的着色玻璃,热反射玻璃及LOW-E中空玻璃膜层的位置都有不同的遮阳系数和光学性能。
   现阶段提高透明幕墙节能保温性能的主要措施是采用镀膜玻璃、LOW-E玻璃、热反射玻璃、中空玻璃及隔热断桥铝型材来降低结构传热系数,消除结构体系“热桥”,降低空气渗透热损失,减少开启窗扇面积,提高密封性等。
   隔热断桥铝型材的隔热原理是基于产生一个连续的隔热区域,运用隔热条将铝合金型材分隔成2个部分。隔热条“冷桥”选用材料为聚酰胺尼龙66,其导热系数为0.3W/(m.K),远小于铝合金的导热系数,而力学性能指标与铝合金相当。

四、玻璃幕墙的节能设计

1、选择新型节能玻璃材料
   1)热反射镀膜玻璃
   热反射镀膜玻璃又称阳光控制镀膜玻璃,是指具有反射太阳能作用的镀膜玻璃。其最大特点是利用镀膜能透过可见光,而把起加热作用的远红外光反射到室外,同时玻璃材料吸收的太阳热能被镀膜所隔离,使热主要散发到室外一侧,尽可能地减少太阳的热作用。
   2)低辐射玻璃和多功能镀膜玻璃
   低辐射玻璃、多功能镀膜玻璃又称保温镀膜玻璃,这类材料的特性是对可见光高通透,对红外线辐射高反射,特别是对远红外辐射有极高的反射率,可让80%的可见光进入室内,同时又能将90%以上的室内物体所辐射的长波保留在室内,透明性很好,广泛用于美术馆以及科学实验楼等。
   3)薄膜型热反射材料贴膜玻璃
   薄膜型热反射材料是一种新型功能复合材料,它不仅能反射较宽频带的红外线,还具有较高的可见光透射率。由于在透明的PET、PC薄膜上形成晶态组分和界面组分的金属膜,因而薄膜型热反射材料贴膜玻璃具有高反射率、高透射率和选择性透光特性。该玻璃在建筑上有极为广泛的应用前景,是一种良好的节能材料。
   4)中空玻璃
   现今中空玻璃的大幅度发展的主要原因是聚硫胶的出现和在中空玻璃中的广泛应用。中空玻璃是通过在两层平板玻璃中间利用间隔框架隔开,周边密封,充入干燥空气并填入少量干燥剂保持空气干燥而制得的。
   2、玻璃幕墙的遮阳设计
   现阶段提高玻璃幕墙隔热保温性能的主要措施有:采用Low—E玻璃、热反射玻璃、中空玻璃等玻璃处理技术以减少太阳透过玻璃的直接辐射;采用铝塑复合材料、断热铝型材等高热阻材料。设计时要特别注意以下几点:
   1)遮阳板面的组合与构造在满足阻挡直射阳光的前提下,可以有不同板面组合的形式,应该选择对通风、采光、视野、构造和立面处理等要求更为有利的形式。为了便于热空气的散逸,并减少对通风、采光的影响,常将板面做成百页的或部分做成百页的,或中间层做成百页的。遮阳板可用铝板,轻金属或混凝土制作。
   2)遮阳板的安装位置遮阳板安装的位置对防热和通风的影响很大。例如将板面紧靠墙面布置时,受热表面加热而上升的热空气将受室外风压作用导入室内。这种情况对综合式遮阳更为严重,为了克服这个缺点,板面应该离开玻璃墙面一定的距离安装,以使大部分热空气沿着墙面排走,且应使遮阳板尽可能减少挡风,最好还能兼起导风入室作用。
   3)材料与颜色为了减轻自重,遮阳构件以采用轻质为宜。遮阳构件经常暴露在室外,受日晒雨淋,容易损坏,因此要材料坚固耐久。
   设计时可根据上述的要求并结合实际情况来选择适宜的遮阳材料。遮阳构件的颜色对隔热效果也有影响。为了加强表面的反射,减少吸收,遮阳帘朝向阳光的一面,应为浅色发亮的颜色,而在背阳光的一面,应为较暗的无光泽颜色,以免引起眩光。
   3、热通道式玻璃幕墙节能分析
   热通道玻璃幕墙是一种新型的节能幕墙,是幕墙技术的新发展。它不同于传统的单层幕墙,它由内外两层玻璃幕墙组成,或称为双层幕墙、可呼吸式幕墙、通风幕墙。内幕墙一般采用明框幕墙或活动窗,或开有检修门以便维护、清洁;外幕墙可采用有框幕墙或点支玻璃幕墙。
  3.1热通道玻璃幕墙的类型
  热通道玻璃幕墙可将其分为“封闭式内循环体系”和可自然通风的“敞开式外循环体系”两种类型。热通道幕墙的特点在于双层玻璃结构,它与传统的玻璃幕墙相比,对提高幕墙的保温、隔热、隔声功能起到很大的作用。
  3.2封闭式内循环热通道幕墙节能原理
  封闭式内循环热通道幕墙是指空气从内层幕墙的下通道进入热通道空间,然后上升到上部排风口,最后从吊顶内的排风管排出,而外层幕墙原则上是完全封闭的。内层一般采用单层玻璃幕墙或可开启的单层玻璃窗,以便对幕墙进行维护与保洁,外层幕墙一般由绝热杆件和中空玻璃幕墙组成。室内空气通过内层幕墙的下通道进入两层幕墙之间的热通道空间,使内层幕墙的外表面温度接近或者达到室内温度,形成优越的温度条件,起到节约能量的效果。
   3.3开敞式外循环体系热通道幕墙节能分析开敞式外循环体系热通道幕墙是指空气从外层幕墙的下通道进入热通道空间,然后从外层幕墙的上部排风口排出,而内层幕墙则完全封闭。其外层是由单片玻璃及非绝热杆件组成的敞开结构,内层由绝热杆件和中空玻璃组成的推拉门(或推拉窗)幕墙体系。
   夏天:内外两层幕墙中间热通道的温度很高,这时可打开热通道上下两端的排气口装置,在热通道内由于热烟囱效应产生自下而上的气流运动,带走了通道内的热量,这样可以降低内侧幕墙的外表面温度,减少了空调制冷的负荷,节约了能源,降低了能耗。通过对通道上下两端排气、进气装置的调控,在通道内形成负压,利用内侧幕墙两边的压差和开启扇,可以随时向室内输入新鲜空气。
   冬天:通道上下两端的排气口装置关闭,内外两层玻璃幕墙间的热通道由于阳光的照射,温度升高,像一个温室,这样等于提高了内侧幕墙外表面的温度,减少了建筑物采暖的运行费用。春、秋两季温度适中之时,不存在采暖和制冷,可以打开推拉门和室外自然气温交流而达到平衡。
   1)内层幕墙可采用隔热(或断热)明框幕墙或者隔热(或断热)单元幕墙,外层幕墙可采用点支式玻璃幕墙等;2)内层幕墙通常采用中空玻璃,外层幕墙通常采用单片玻璃;并且多采用点驳接式玻璃幕墙;3)内层幕墙完全封闭,空气的流动在室外与热通道之间进行;4)
   内外两层幕墙之间热通道的距离可设计较宽,一般为500~600mm;5)外层顶部百叶通风口。通风口内侧安装不锈钢防虫网,防止鸟类昆虫等进入箱体。热空气的交换不需要借助于专门的设备来完成,可以完全依靠空气自然通风来进行,运行成本较低;6)内层幕墙设有开启门,通道上设有走人钢架,以便进入通道进行维护、清洗;7)可根据需要在热通道内设置可调控的铝合金百叶窗帘或者电动卷帘,有效地调节阳光的照射;8)在必要的位置设置竖向隔断。隔断材料可采用钢板、铝板或玻璃等。

五、结束语

降低建筑能耗,需要我们全社会的共同参与,无论是政府部门,还是平民百姓,尤其是玻璃幕墙设计人员,在设计玻璃幕墙时只有合理进行设计,选用合适的玻璃,采用合理的构造,才能达到节能标准的要求。


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