玻璃与建筑节能

■ 谢 浩 Xie Hao

玻璃是当今装饰材料中最常见的材料之一,也是最早被作为透光材料的材料之一。随着建筑技术的发展，玻璃在建筑中的用途越来越多，玻璃、建筑、环保之间的关系也越来越密切。

1 节能玻璃的种类及特点

节能玻璃是指某些特定的产品，如中空玻璃、热反射玻璃、Low-E玻璃等,它可以根据具体建筑物的设计要求而定，如按导热系数来确定。按照节能途径和性能参数，节能玻璃可分为以下几类。通过对这些性能参数进行调整、搭配，节能玻璃就可以应用于不同地区的建筑物上，产生最佳的节能效果。

1.1 吸热玻璃

吸热玻璃是一种能够吸收太阳能的平板玻璃，它是利用玻璃中的金属离子对太阳能进行选择性的吸收，同时呈现出不同的颜色。有些夹层玻璃胶片中也掺有特殊的金属离子，用这种胶片可以生产出吸热的夹层玻璃。吸热玻璃一般可减少进入室内的太阳热能的20%～30%，降低了空调负荷。吸热玻璃的特点是遮蔽系数比较低，太阳能总透射比、太阳光直接透射比和太阳光直接反射比都较低，可见光透射比、玻璃的颜色可以根据玻璃中的金属离子的成分和浓度变化。可见光反射比、传热系数、辐射率则与普通玻璃差别不大[1]。

1.2 热反射玻璃

热反射玻璃是对太阳光有反射作用的镀膜玻璃，其反射率可达20%～40%，甚至更高。它的表面镀有金属、非金属及其氧化物等各种薄膜，这些膜层可以对太阳光产生一定的反射效果，从而达到阻挡太阳光进入室内的目的。在低纬度的炎热地区，夏季具有较好的遮光性能，使室内光线柔和舒适，从而可节省室内空调的能源消耗。另外，这种反射层的镜面效果和色调对建筑物的外观装饰效果都较好。而且其遮蔽系数、太阳光总透射比、太阳光直接透射比和可见光透射比都较低。太阳光直接反射比、可见光反射比较高，而传热系数、辐射率则与普通玻璃差别不大。

1.3 低辐射玻璃

低辐射玻璃又称为Low-E玻璃，是一种对波长在4.5～25 um范围的远红外线有较高反射比的镀膜玻璃，它具有较低的辐射率。在冬季，它可以反射室内暖气辐射的红外热能, 辐射率一般小于0.25,将热能保护在室内。在夏季，马路、水泥地面和建筑物的墙面在太阳的暴晒下,吸收了大量的热量并以远红外线的形式向四周辐射。低辐射玻璃的遮蔽系数、太阳能总透射比、太阳光直接透射比、太阳光直接反射比、可见光透射比和可见光反射比等都与普通玻璃差别不大，其辐射率、传热系数比较低。

1.4 中空玻璃

中空玻璃是将两片或多片玻璃以有效支撑均匀隔开并对周边粘接密封，使玻璃层之间形成有干燥气体的空腔，其内部形成了一定厚度的被限制了流动的气体层。由于这些气体的导热系数大大小于玻璃材料的导热系数,因此具有较好的隔热能力。中空玻璃的特点是传热系数较低,与普通玻璃相比,其传热系数至少可降低40% ,是目前最实用的隔热玻璃。我们可以将多种节能玻璃组合在一起，产生良好的节能效果。

1.5 真空玻璃

真空玻璃的结构类似于中空玻璃，所不同的是真空玻璃空腔内的气体非常稀薄，近乎真空。其隔热原理就是利用真空构造隔绝了热传导，传热系数很低。根据有关资料数据，同种材料真空玻璃的传热系数至少比中空玻璃低15%。

1.6 普通玻璃

普通玻璃可以通过贴膜产生吸热、热反射或低辐射等效果。由于节能的原理相似,贴膜玻璃的节能效果与同功能的镀膜玻璃类似。随着玻璃深加工技术的不断创新,特别是薄膜技术的飞速发展，一些新型的镀膜玻璃产品已不是单一功能的节能玻璃,它可以是一种复合了多种功能的节能玻璃，如阳光控制型低辐射玻璃结合了热反射、低辐射和吸热等多种特性[1]。

2 合理选择节能玻璃

据统计，我国的建筑能耗占社会总能耗的30%，随着社会经济的发展，这个比例还会不断增长。因此，提高玻璃的节能性能已经成为实现建筑节能的关键。外窗是外围护结构的主要组成部分，不但要满足采光、通风、散热和观赏等基本功能，还应具备良好的保温、隔热和隔声等性能。但是，外窗的能耗比较大，据研究，其耗热量约占建筑总耗热量的40% 。又由于玻璃占整个窗户面积很大，成为建筑物外围护结构中隔热、保温最薄弱的环节。随着玻璃品种越来越多，玻璃的节能已成为降低建筑外窗能耗损失的首要目标，从而满足整个建筑物节能的需求。具体来说，要考虑玻璃的遮阳系数Sc、传热系数U(分冬季、夏季值)。U值越低，玻璃阻隔热传导的性能就越好。因此，尽量选择U值低的玻璃产品，最好选择Low-E中空玻璃。当对玻璃的隔热性能有更高要求时，可选择充有氩气的Low-E中空玻璃。不同地区应该选择不同Sc值的玻璃或中空组装方式。

在寒冷地区，太阳辐射对保持室内温度是有利的。因此，不宜采用折射率低、遮阳系数小且不能有效利用太阳能采暖的玻璃，如单片热反射玻璃、Low-E玻璃或Solar-E玻璃等，可以使用保温性能好的透明中空玻璃。在夏热冬暖地区，建筑耗能主要为室内外温差传热耗能和太阳辐射耗能，特别是太阳辐射耗能占建筑耗能的比例很大，是夏季得热的最主要因素，直接影响到室内的热环境。因此，该地区应最大限度地控制进入室内的太阳光，选择窗玻璃时主要考虑玻璃的反射系数，尽量选择Sc较小的玻璃。在夏热冬冷地区，夏季炎热，冬季寒冷潮湿，选择窗玻璃时应充分考虑冬、夏两季的需求，但应以夏季遮阳为主。该地区玻璃的选择与夏热冬暖地区类似，选择单片热反射玻璃、Low-E玻璃或Solar-E玻璃，中空玻璃外片选择吸热玻璃、热反射玻璃、吸热的Low-E玻璃或Solar-E玻璃，内片选用透明玻璃或Low-E 玻璃[2]。

3 节能玻璃在采暖中的运用

被动式采暖太阳房通过对建筑朝向和周围环境的合理布置，对建筑内外空间的巧妙处理以及建筑材料和结构、构造的恰当选择，使房屋做到冬季采暖保温，夏季遮阳散热。被动式太阳能采暖按照系统供暖方式，可分为直接受益式、集热蓄热墙式、附加阳光间式和组合式等几种。

3.1 直接受益式

它利用南窗直接接受太阳能辐射供热，是被动式太阳能采暖方式中最简单的一种(图1)。其特点是让阳光直接加热采暖房间，把房间本身当成一个包括有太阳能集热器、蓄热器和分配器的集合体，供热效率较高，但是它在晚上降温较快、室内温度波动较大，比较适用于仅需要在白天供热的办公楼、学校等。

3.2 集热蓄热墙式

在南向玻璃窗里面的蓄热墙外表涂上黑色涂料，上下开设风口。白天阳光入射到特朗勃墙上被墙面吸收转变为热能，加热墙与玻璃之间的空气，热空气上升，由上部风口进入室内，室内冷空气由下部风口流入墙与玻璃之间的空气通道，形成自然的热循环。晚上热量通过墙体辐射传导进入室内，宜关闭上下风口，以防逆循环。

图1 直接受益的阳光房

3.3 附加阳光间式

阳光间附加在房间南侧，中间用一堵墙把房间与阳光间隔开；阳光间的南墙或屋面为玻璃或其他透光材料；在房间之间的公共墙上开设门、窗等孔洞。阳光间得到太阳的照射被加热，其温度始终高于室外的环境温度。这样既可在白天通过对流经门、窗给房间供热，又可在夜间作为缓冲区，减少房间热损失。

3.4 组合式

组合式太阳房是由上述两种或两种以上基本类型组合而成的被动式太阳房。不同的采暖方式结合使用，可以形成互为补充的、更为有效的被动式太阳能采暖系统。实际建成的太阳房大多为组合式。

4 玻璃在建筑采光中的运用

20世纪中后期，随着经济不断发展，人们对生产及生活环境的要求越来越多样化，尤其需要天然采光。于是，建筑师就力图采用丰富多彩的建筑造型，如外形有带坡的、圆形的或锥形的，以符合建筑造型的需要，同时提高天然采光效率。玻璃采光顶按照组合方式可分为：单体（即单个玻璃采光顶）、群体（由若干单体玻璃采光顶在钢结构或钢筋混凝土结构支撑体系上组合成一个玻璃采光顶群）、联体（由几种玻璃采光顶和玻璃幕墙以共用杆件连成一个整体的玻璃顶和墙面系统）。玻璃采光顶按照其支架杆件用料可分为：钢玻璃采光顶、铝合金玻璃采光顶、玻璃框架玻璃采光顶。玻璃采光顶按其设置方式分有敞开式和封闭式：敞开式是指通廊或雨蓬上的采光顶；封闭式是位于封闭空间的顶盖或屋盖上的采光顶。玻璃采光顶按功能也可分为密闭型和非密闭型两种：密闭型是用于封闭空间的玻璃采光顶，非密闭型是用于敞开空间的玻璃采光顶[3]。

玻璃采光顶最大的问题是保温隔热性能较差，如果室内外温差较大，容易产生冷凝水。解决冷凝水问题有三种办法：①可以考虑采用双层玻璃，改善其保温隔热性能；②将玻璃顶设计成一定的坡度和弧度，并组织好完善的排水系统。一般的说，玻璃采光顶坡面与水平的夹角以18～45°为宜；③在玻璃顶下面的墙体上留出通风的缝或孔，让外面的冷空气渗入室内，使玻璃顶的内外侧温差减小，玻璃顶下面难以形成凝结水了，而且还可以改善室内的空气质量，但会导致有一些能源损失。

5 玻璃在其他方面设计中的运用

5.1 景观窗台

玻璃窗台主要分为平面式、凹陷式和外凸式，其中外凸式窗台对于窗台景观的可视角度最大化，并且最有利。玻璃窗户增进了室内外的交流，扩大了室内的空间感，能营造出室内外空间的过渡及联系。不同颜色、不同反射率和折射率的玻璃组合在一起，结合室内的壁画和玻璃图案，烘托出舒适的室内空间(图2)。应该注意，玻璃的隔热保温效果毕竟不如砌体墙，再加上太阳光线通常会透过玻璃照射到室内，增加室内温度，这对于炎热地区夏季防热是非常不利的。采用较大反射比的玻璃时，要求做到非常谨慎，反射的光线应避免产生眩光。根据相应的地方设置相应的规定，限制玻璃的最大面积和最小面积的范围。另外，玻璃是最常用的透光材料，常被作为装饰材料。在家具透光的应用方面，要强调的是玻璃的质感和色感，要营造出和谐的室内气氛。

5.2 玻璃幕墙

平板玻璃的玻璃幕墙是普遍的应用方式，它使建筑看起来更简洁，也更现代，室内有充足的采光(图3)。在建筑照明中，配合内部各种灯光，建筑就显得更加晶莹亮丽。为了解决隔热问题，使室内空调能耗减少，可采用Low-E玻璃或者双层中空隔热玻璃，但是相应地其成本也会增加[4]。

图2 景观窗台

图3 幕墙玻璃

5.3 玻璃砖

玻璃砖是用透明或颜色玻璃制成的块状、空心的玻璃制品或块状表面施釉的制品(图4)。其品种主要有玻璃空心砖、玻璃饰面砖及玻璃锦砖（马赛克）等。玻璃砖是一种非承重砖，但是具有砖的使用特点，同时又有幕墙的透光特点，砌筑时可以根据龙骨的框架或辅助框架来达到形成任意造型的表面。配合不同品种的玻璃，如磨砂玻璃、压花玻璃和彩色玻璃，可以使室内空间更加丰富多彩。

图4 玻璃砖

5.4 U型玻璃

U型玻璃（又称槽形玻璃）是一种新型建筑节能墙体型材玻璃，它由碎玻璃和石英砂等原料制成，造型为条幅型，具有挺拔、清秀和线条流畅的时代气息，收到独特的装饰效果。而且安装方便，综合造价比较低，与普通钢平板玻璃结构相比，可降低成本20%～40%，减少作业量30%～50%，并节省玻璃与金属耗用量(图5)。

6 结语

合理、科学地运用玻璃为建筑设计服务，有利于营造健康、环保的建筑环境。当然，在建筑表皮透光的应用方面还有许多种形式，需要我们不断探讨和创新。建筑师必须结合合理运用科学的建筑技术手段，实现真正的人性化建筑空间和节能空间，满足建筑节能的需求，使玻璃材料在建筑中持续健康地发展。

[1]符芳，钱士英，王永逵等.建筑装饰材料[M].南京：东南大学出版社，2004：147-156.

[2]方瑞. 真空玻璃的性能与节能效果[J].门窗，2009(3)：34-38.

[3]马立群，郎小霞.考虑建筑节能：玻璃的性能和应用[J].房材与应用，2005(2)：26-27.

[4]谢浩. 对玻璃幕墙节能设计的研究[J].节能，2005(12)：46-48.