建筑玻璃幕墙的应用及经济效益分析

洪荣南

厦门源昌城建集团有限公司（361100）

建筑玻璃幕墙的应用及经济效益分析

洪荣南

厦门源昌城建集团有限公司（361100）

玻璃幕墙作为一种新型外围护结构，以其优越的功能和现代时尚的外观在我国城市建设中得以广泛应用，因而改善玻璃幕墙的热工性能，提高玻璃幕墙的保温隔热效率，就成为促进建筑节能、顺应国家可持续性发展的战略。

玻璃幕墙；材料技术；经济效益

1 建筑玻璃幕墙的应用前景

随着2011年南非德班世界气候大会的召开，低碳成了一个流行词。以节能、环保、绿色、低排放等为特点的低碳建筑，也以一种全新的姿态高调登场。低碳建筑是指在建筑材料和设备制造、施工建筑和建筑物使用的整个生命周期内，减少石化能源的使用，提高能效，降低二氧化碳排放量。目前，低碳建筑已逐渐成为国际建筑界的主流趋势。我国在低碳建筑领域尚处于起步阶段，提高和挖掘的空间很大。一个容易被忽略的事实是，建筑物二氧化碳排放量几乎占建筑物排放总量的50%，这一比例远远高于运输和工业领域。因此，在发展低碳经济的道路上，建筑的节能和低碳注定成为绕不开的话题，推广节能、低碳建筑势在必行。

我国的公共建筑数量多，建筑规模大，耗能十分巨大，浪费也很严重。因此推广建筑节能是解决我国能源紧缺的有效途径。据专家分析，大型公共建筑的节能潜力在30%以上。

与传统混凝土外墙相比，玻璃幕墙可以减少大量的钢筋、混凝土使用量，对节约能源、资源有很大的帮助，而且玻璃幕墙较易于回收利用，有利于环保。

新建的大型公共建筑多以高层建筑为主，其屋面所占比例很小，围护结构应主要着眼于墙体和门窗。随着玻璃幕墙的广泛应用，墙体与门窗也逐渐融为一体，成为建筑物热交换、热传导最活跃、最敏感的部位，幕墙的能耗约占整个建筑能耗的40%左右，因此玻璃幕墙的热工性能也就成为建筑节能极其重要的组成部分。

我国的气候较世界其他同纬度地区差，夏季比同纬度其他地区热,冬季比同纬度其他地区冷，夏热冬冷地区的气候更是极端。由于经济条件和国家能源政策的限制，长期以来，我国大部分地区的建筑设计无法适应地域气候特点,身陷两难的局面，夏季无法充分防热，冬季无法充分御冷。当前，建筑设计向可持续性发展的一个明显趋势是，从以前的密集型技术装置到高效围护结构的转变。适应气候变化的建筑围护结构对于有限能源的高效利用和促进可持续性发展具有更加重要的意义。

2 室内热环境影响的因素

一定的地区性气候影响下的局部气候作用于建筑群体，形成建筑外部的微气候。微气候是影响建筑室内环境的直接外部因素，并通过建筑单体最终影响室内热环境。我国大部分地区建筑室内热环境受到微气候热环境、湿环境、风环境和大气环境等多个影响因素的共同作用，这些因素对建筑室内热环境产生直接或间接的作用。

影响建筑室内人的热舒适感的最终环境因素是室内热环境。热舒适指标作为建筑室内热环境的评价因子，取决于空气温度、辐射、湿度、气流等环境因素和人体活动强度、衣着等人为因素的综合作用。同时，建筑热环境不是一个孤立的系统，还受到其他建筑物理环境需求和建筑功能、美观需求的影响和制约。因此，应当运用系统整合的观念进行分析研究,从定性定量两个方面处理问题和解决问题。

3 材料技术

材料是建筑外围护结构的物资组成部分。在各种外围护结构材料中能在遮蔽的同时又是透光的，在阻挡寒风的同时又可让阳光进入室内的，恐怕只有玻璃。玻璃可以对双层通风玻璃幕墙建筑的室内环境产生巨大的影响。

3.1 普通玻璃与温室效应

玻璃的优点在于其具有对光波辐射的可选择透射性能。大部分波长在0.4～2.5 μm的辐射可以透过玻璃，波长10 μm左右的辐射则是完全不能通过的。

因此，玻璃是有选择性的透过辐射，一方面它允许太阳辐射透射至室内，另一方面，建筑内部波长较长的辐射不能通过玻璃射向室外，即形成温室效应。玻璃的温室效应为冬季完全以被动方式利用太阳能、改善室内环境带来了福音。但是大面积玻璃幕墙的运用也会因为玻璃的温室效应和高传热性带来热工上的副作用。在我国大部分地区，玻璃的温室效应有其冬季好的一面，但玻璃的强导热性无论冬夏都有其不利的一面。对于玻璃幕墙的内外层玻璃应通过新型构造和复合镀膜降低其整体传导系数，同时与通风百叶、遮阳设施等调节构件相结合,适时调整导热性能和温室效应。

3.2 玻璃技术与选择透过性

普通的玻璃只能在有限的范围内做出简单的气候调节。目前最新的复合材料玻璃通过本体着色、多层装配、表层镀膜等手段，变被动设防为主动利用能源，以满足不同的性能需要（如表1）。

表1 玻璃的性能要求

3.2.1 本体着色

玻璃显色是因为玻璃吸收率和透射率的不一致所致，而吸收率和透射率是由玻璃熔解时化学材料所赋予的。氧化铁等化学成分含量的多少决定了玻璃在可见光范围内对不同波长的可见光有选择性地吸收和反射。

吸热玻璃是在玻璃本体内掺入金属离子，使其对太阳能有选择地吸收，同时呈现不同的颜色。吸热玻璃的节能是通过太阳光透过玻璃时将光能转化为热能而被玻璃吸收，热能以对流和辐射的形式散发出去从而减少太阳能进入室内。

然而，吸热玻璃虽具有一定的遮阳效果，但其吸收的太阳辐射能有相当一部分会以对流与热辐射的形式散发到室内，对太阳辐射热的控制有限，尤其在单片使用时综合隔热效果并不理想。

3.2.2 多层装配

玻璃幕墙由两至三片玻璃与间层组成，间层内充入干燥空气、惰性气体，或真空或填入气凝胶，具有较低的K值以及良好的隔热功能。最常见为中空隔热玻璃。

1）中空玻璃

中空玻璃是将两片玻璃通过有效的密封材料密封和间隔材料分隔开，并在两片玻璃之间装有吸收水气的干燥剂，从而保证中空玻璃内部长时间为干燥空气层，无水气、灰尘存在。同时，中空玻璃易进行大批量工业化生产，中空玻璃是目前建筑行业中推荐采用的产品。

中空玻璃由于在两片玻璃之间形成了一定的厚度并被限制了流动的空气或其他气体层，从而减少了玻璃的对流和传导传热、因此它具有较好的隔热能力。例如，由两片5mm普通玻璃和中间层厚度为10mm的空气层组成的中空玻璃，在热流垂直于玻璃进行热传递时对流传热、传导传热、辐射传热各占总传热的2%、38%、60%左右。中空玻璃的单片还可以采用镀膜玻璃和其他节能玻璃。中空玻璃可以集中空和镀膜玻璃的优点于一身，从而发挥更好的节能作用。如用一层5mm厚、表面辐射率0.2的低辐射玻璃和一层厚度为5mm的普通玻璃组成空气层为9mm的中空玻璃，其K值约为2.1 W/m2K。如果使用辐射率为0.08的低辐射玻璃,并且将空气层中的空气用氩气置换,空气层的厚度选择12mm，其K值可以达到1.4 W/m2K。如果中空玻璃的外片选择热反射玻璃，中空玻璃还具有控制太阳能的作用。

2）真空玻璃

真空玻璃是将两片平板玻璃四周密闭起来，将其间隙抽成真空并密封排气孔，两片玻璃之间的间隙为0.1～0.2mm。真空玻璃的两片一般至少有一片是低辐射玻璃,这样就将通过真空玻璃的热传导、对流传导几乎为零，其工作原理与玻璃保温瓶的保温隔热原理相同。

由于真空玻璃中间是真空层，基本上消除了对流传热和传导传热，组成真空玻璃的原片玻璃可以选择低辐射镀膜玻璃即Low-E玻璃，能够大幅度降低辐射传热。

真空玻璃具有优异的保温隔热性能。一般的单片玻璃传热系数是6 W/m2K，中空玻璃是3.4 W/m2K，真空玻璃的传热系数达到1.2 W/m2K。一片只有6mm厚的真空玻璃，隔热性能相当于370mm的实心黏土砖墙。由于隔热保温性能好，真空玻璃在建筑上的应用将达到节能和环保双重效果。

3）气凝胶隔热玻璃

气凝胶是一种多孔性的硅酸盐凝胶，95%（体积比）为空气。由于它内部的气泡十分细小（小于20mm），所以具有良好的隔热性能，同时又不会阻挡、折射光线（颗粒远小于可见光波长），具有均匀透光的外观。把这种气凝胶注入中空玻璃的空腔，可以得到传热系数小于0.7 W/m2K的隔热玻璃组件。

3.2.3 表层镀膜

即在玻璃表面附加一层膜，通过改变玻璃的光学特性来实现对太阳辐射的选择性屏蔽或利用来达到环保节能效果，主要有：

1）热反射玻璃

热反射玻璃是在玻璃表面镀上金属、非金属及其氧化物薄膜，使其具有一定的反射效果，将太阳能反射回大气中从而达到阻挡太阳能进入室内、使太阳能不在室内转化为热能的目的。

热反射镀膜玻璃的主要特性是：只能透过可见光和部分0.8～2.5 μm的近红外光，对0.3 μm以下的紫外线和3 μm以上的中、远红外光不能透过，即可以将大部分的太阳能吸收和反射掉，降低室内的空调费用，取得节能效果。热反射镀膜玻璃可以获得多种反射色，能将四周建筑及自然景物映射在彩色的玻璃幕墙上,使整个建筑物显得异常绚丽壮观。同时，热反射镀膜玻璃可以减轻眩光作用，使工作及居住环境更加舒适。

2）低辐射玻璃（Low-e玻璃）

普通平板玻璃的辐射率较高，通常为0.84。低辐射玻璃是通过在玻璃表面涂低辐射涂层，使表面的辐射率低于普通玻璃,从而减少热量的损失，达到降低采暖费用、实现节能的目的。衡量低辐射玻璃节能效果的重要指标是辐射率。辐射率越低通过玻璃表面发生的辐射损失越少,玻璃的节能效果越好。

3）光谱选择透过性玻璃

光谱选择透过性玻璃是热反射玻璃和低辐射玻璃技术的延伸。这种玻璃可以使得太阳辐射中的可见光成分最大量地通过并阻挡具有较高热量的紫外线或者红外线，从而最大限度地利用自然光照亮室内，又把辐射的热能阻挡在室外（或者室内），于是从采光和制冷（或者采暖）两方面同时起到了节能效果。也可以使用它相反的特性，阻挡可见光，透过热量，从而适用于高纬度地区建筑物，消除进入室内的眩光，充分利用太阳辐射热来增加温室内温度。

4 建筑玻璃幕墙的应用实例

4.1 Low-e中空玻璃幕墙特点及应用实例

玻璃幕墙作为建筑的外围护结构，其热工性能直接影响建筑能耗。现在广泛使用的Low-e中空玻璃幕墙，逐渐采用热反射镀膜玻璃、Low-e中空玻璃、断热型材等节能材料，在热工性能方面比过去的门窗有所改善。我司施工的由厦门源昌集团开发的厦门源昌凯宾斯基大酒店玻璃幕墙就属于Low-e中空玻璃幕墙，该项目建筑占地面积4870.78m2，总建筑面积为80 462.96m2，建筑总高度为198m，位于厦门市的主要交通要道湖滨南路及湖中路交叉口东北侧,紧临厦门主要景点白鹭洲公园及筼筜湖。按白金五星级酒店标准设计，塔楼建筑的立面主要为单元式隐框幕墙系统。单元式幕墙系统共21 672.7m2（玻璃单元式幕墙20 782.7m2,石材及百叶单元式幕墙890m2）。

该项目塔楼玻璃幕墙玻璃采用Low-e镀膜中空玻璃，遮阳系数SC为0.332，传热系数为2.65。玻璃自身可见光透射比不小于0.40。四周的采光窗户≥30%的开窗面积,玻璃幕墙有可开启部分。透明幕墙气密性为4级，具有良好的保温、隔热、隔声的效果。

由于玻璃幕墙的节能率很高。经过计算，这种幕墙设计寿命为20年，工程造价约1 200元／m2，仅相当于普通混凝土墙体(含铝合金窗)的价格（造价约900～1 300元／m2）。若从长远经济效益考虑，中空玻璃幕墙更合算。我们还有一些消费数据可以说明这一点。

例如,锁定普通中空玻璃幕墙夏季空调费按一个月30 d,每天按8 h计算：

①普通中空玻璃幕墙0.11元／hm2；②普通混凝土墙及单层玻璃0.14元／hm2。

一个制冷面积10 000m2的建筑物，在采用不同墙体体系时，它的节能的经济值显然有较大的差异(按每年夏天制冷5个月)：

①采用Low-e中空玻璃幕墙制冷约需电费共计132万元；②采用普通混凝土墙及普通单层玻璃制冷约需电费共计168万元。

由此可见，采用Low-e中空玻璃幕墙比采用普通混凝土墙及普通单层玻璃要节能27%左右。

5 总结

具有气候适应性的Low-e中空玻璃幕墙在一定程度上取得了功能要求和生态目标的统一。玻璃幕墙实际上是在建筑与周围环境之间建立一个缓冲区域，减轻各种极端气候条件变化对建筑室内的影响。

综上所述,随着人类科技水平的飞速发展，节能环保意识和审美品味的不断提高，建筑幕墙技术必将与时俱进。“开放与交流、舒适与自然、环保与节能”的建筑原则会促使Low-e中空玻璃幕墙技术进一步完善与推广,越来越多地采用Low-e中空玻璃幕墙和其他生态节能技术的绿色生态建筑势必会从根本上改善我们的生存环境。

[1]蒋凤昌,闭思廉.玻璃幕墙明框节能隔热铝型材的开发[J].新型建筑材料,2001,(8):41～42.

[2]蒋凤昌.64系列隔热铝合金型材节能窗的开发设计[J].新型建筑材料,2001,(3):46～47.