建筑玻璃幕墻的應用及經濟效益分析

洪榮南

廈門源昌城建集團有限公司（361100）

建筑玻璃幕墻的應用及經濟效益分析

洪榮南

廈門源昌城建集團有限公司（361100）

玻璃幕墻作為一種新型外圍護結構，以其優越的功能和現代時尚的外觀在我國城市建設中得以廣泛應用，因而改善玻璃幕墻的熱工性能，提高玻璃幕墻的保溫隔熱效率，就成為促進建筑節能、順應國家可持續性發展的戰略。

玻璃幕墻；材料技術；經濟效益

1 建筑玻璃幕墻的應用前景

隨著2011年南非德班世界氣候大會的召開，低碳成了一個流行詞。以節能、環保、綠色、低排放等為特點的低碳建筑，也以一種全新的姿態高調登場。低碳建筑是指在建筑材料和設備制造、施工建筑和建筑物使用的整個生命周期內，減少石化能源的使用，提高能效，降低二氧化碳排放量。目前，低碳建筑已逐漸成為國際建筑界的主流趨勢。我國在低碳建筑領域尚處于起步階段，提高和挖掘的空間很大。一個容易被忽略的事實是，建筑物二氧化碳排放量幾乎占建筑物排放總量的50%，這一比例遠遠高于運輸和工業領域。因此，在發展低碳經濟的道路上，建筑的節能和低碳注定成為繞不開的話題，推廣節能、低碳建筑勢在必行。

我國的公共建筑數量多，建筑規模大，耗能十分巨大，浪費也很嚴重。因此推廣建筑節能是解決我國能源緊缺的有效途徑。據專家分析，大型公共建筑的節能潛力在30%以上。

與傳統混凝土外墻相比，玻璃幕墻可以減少大量的鋼筋、混凝土使用量，對節約能源、資源有很大的幫助，而且玻璃幕墻較易于回收利用，有利于環保。

新建的大型公共建筑多以高層建筑為主，其屋面所占比例很小，圍護結構應主要著眼于墻體和門窗。隨著玻璃幕墻的廣泛應用，墻體與門窗也逐漸融為一體，成為建筑物熱交換、熱傳導最活躍、最敏感的部位，幕墻的能耗約占整個建筑能耗的40%左右，因此玻璃幕墻的熱工性能也就成為建筑節能極其重要的組成部分。

我國的氣候較世界其他同緯度地區差，夏季比同緯度其他地區熱,冬季比同緯度其他地區冷，夏熱冬冷地區的氣候更是極端。由于經濟條件和國家能源政策的限制，長期以來，我國大部分地區的建筑設計無法適應地域氣候特點,身陷兩難的局面，夏季無法充分防熱，冬季無法充分御冷。當前，建筑設計向可持續性發展的一個明顯趨勢是，從以前的密集型技術裝置到高效圍護結構的轉變。適應氣候變化的建筑圍護結構對于有限能源的高效利用和促進可持續性發展具有更加重要的意義。

2 室內熱環境影響的因素

一定的地區性氣候影響下的局部氣候作用于建筑群體，形成建筑外部的微氣候。微氣候是影響建筑室內環境的直接外部因素，并通過建筑單體最終影響室內熱環境。我國大部分地區建筑室內熱環境受到微氣候熱環境、濕環境、風環境和大氣環境等多個影響因素的共同作用，這些因素對建筑室內熱環境產生直接或間接的作用。

影響建筑室內人的熱舒適感的最終環境因素是室內熱環境。熱舒適指標作為建筑室內熱環境的評價因子，取決于空氣溫度、輻射、濕度、氣流等環境因素和人體活動強度、衣著等人為因素的綜合作用。同時，建筑熱環境不是一個孤立的系統，還受到其他建筑物理環境需求和建筑功能、美觀需求的影響和制約。因此，應當運用系統整合的觀念進行分析研究,從定性定量兩個方面處理問題和解決問題。

3 材料技術

材料是建筑外圍護結構的物資組成部分。在各種外圍護結構材料中能在遮蔽的同時又是透光的，在阻擋寒風的同時又可讓陽光進入室內的，恐怕只有玻璃。玻璃可以對雙層通風玻璃幕墻建筑的室內環境產生巨大的影響。

3.1 普通玻璃與溫室效應

玻璃的優點在于其具有對光波輻射的可選擇透射性能。大部分波長在0.4～2.5 μm的輻射可以透過玻璃，波長10 μm左右的輻射則是完全不能通過的。

因此，玻璃是有選擇性的透過輻射，一方面它允許太陽輻射透射至室內，另一方面，建筑內部波長較長的輻射不能通過玻璃射向室外，即形成溫室效應。玻璃的溫室效應為冬季完全以被動方式利用太陽能、改善室內環境帶來了福音。但是大面積玻璃幕墻的運用也會因為玻璃的溫室效應和高傳熱性帶來熱工上的副作用。在我國大部分地區，玻璃的溫室效應有其冬季好的一面，但玻璃的強導熱性無論冬夏都有其不利的一面。對于玻璃幕墻的內外層玻璃應通過新型構造和復合鍍膜降低其整體傳導系數，同時與通風百葉、遮陽設施等調節構件相結合,適時調整導熱性能和溫室效應。

3.2 玻璃技術與選擇透過性

普通的玻璃只能在有限的范圍內做出簡單的氣候調節。目前最新的復合材料玻璃通過本體著色、多層裝配、表層鍍膜等手段，變被動設防為主動利用能源，以滿足不同的性能需要（如表1）。

表1 玻璃的性能要求

3.2.1 本體著色

玻璃顯色是因為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時化學材料所賦予的。氧化鐵等化學成分含量的多少決定了玻璃在可見光范圍內對不同波長的可見光有選擇性地吸收和反射。

吸熱玻璃是在玻璃本體內摻入金屬離子，使其對太陽能有選擇地吸收，同時呈現不同的顏色。吸熱玻璃的節能是通過太陽光透過玻璃時將光能轉化為熱能而被玻璃吸收，熱能以對流和輻射的形式散發出去從而減少太陽能進入室內。

然而，吸熱玻璃雖具有一定的遮陽效果，但其吸收的太陽輻射能有相當一部分會以對流與熱輻射的形式散發到室內，對太陽輻射熱的控制有限，尤其在單片使用時綜合隔熱效果并不理想。

3.2.2 多層裝配

玻璃幕墻由兩至三片玻璃與間層組成，間層內充入干燥空氣、惰性氣體，或真空或填入氣凝膠，具有較低的K值以及良好的隔熱功能。最常見為中空隔熱玻璃。

1）中空玻璃

中空玻璃是將兩片玻璃通過有效的密封材料密封和間隔材料分隔開，并在兩片玻璃之間裝有吸收水氣的干燥劑，從而保證中空玻璃內部長時間為干燥空氣層，無水氣、灰塵存在。同時，中空玻璃易進行大批量工業化生產，中空玻璃是目前建筑行業中推薦采用的產品。

中空玻璃由于在兩片玻璃之間形成了一定的厚度并被限制了流動的空氣或其他氣體層，從而減少了玻璃的對流和傳導傳熱、因此它具有較好的隔熱能力。例如，由兩片5mm普通玻璃和中間層厚度為10mm的空氣層組成的中空玻璃，在熱流垂直于玻璃進行熱傳遞時對流傳熱、傳導傳熱、輻射傳熱各占總傳熱的2%、38%、60%左右。中空玻璃的單片還可以采用鍍膜玻璃和其他節能玻璃。中空玻璃可以集中空和鍍膜玻璃的優點于一身，從而發揮更好的節能作用。如用一層5mm厚、表面輻射率0.2的低輻射玻璃和一層厚度為5mm的普通玻璃組成空氣層為9mm的中空玻璃，其K值約為2.1 W/m2K。如果使用輻射率為0.08的低輻射玻璃,并且將空氣層中的空氣用氬氣置換,空氣層的厚度選擇12mm，其K值可以達到1.4 W/m2K。如果中空玻璃的外片選擇熱反射玻璃，中空玻璃還具有控制太陽能的作用。

2）真空玻璃

真空玻璃是將兩片平板玻璃四周密閉起來，將其間隙抽成真空并密封排氣孔，兩片玻璃之間的間隙為0.1～0.2mm。真空玻璃的兩片一般至少有一片是低輻射玻璃,這樣就將通過真空玻璃的熱傳導、對流傳導幾乎為零，其工作原理與玻璃保溫瓶的保溫隔熱原理相同。

由于真空玻璃中間是真空層，基本上消除了對流傳熱和傳導傳熱，組成真空玻璃的原片玻璃可以選擇低輻射鍍膜玻璃即Low-E玻璃，能夠大幅度降低輻射傳熱。

真空玻璃具有優異的保溫隔熱性能。一般的單片玻璃傳熱系數是6 W/m2K，中空玻璃是3.4 W/m2K，真空玻璃的傳熱系數達到1.2 W/m2K。一片只有6mm厚的真空玻璃，隔熱性能相當于370mm的實心黏土磚墻。由于隔熱保溫性能好，真空玻璃在建筑上的應用將達到節能和環保雙重效果。

3）氣凝膠隔熱玻璃

氣凝膠是一種多孔性的硅酸鹽凝膠，95%（體積比）為空氣。由于它內部的氣泡十分細小（小于20mm），所以具有良好的隔熱性能，同時又不會阻擋、折射光線（顆粒遠小于可見光波長），具有均勻透光的外觀。把這種氣凝膠注入中空玻璃的空腔，可以得到傳熱系數小于0.7 W/m2K的隔熱玻璃組件。

3.2.3 表層鍍膜

即在玻璃表面附加一層膜，通過改變玻璃的光學特性來實現對太陽輻射的選擇性屏蔽或利用來達到環保節能效果，主要有：

1）熱反射玻璃

熱反射玻璃是在玻璃表面鍍上金屬、非金屬及其氧化物薄膜，使其具有一定的反射效果，將太陽能反射回大氣中從而達到阻擋太陽能進入室內、使太陽能不在室內轉化為熱能的目的。

熱反射鍍膜玻璃的主要特性是：只能透過可見光和部分0.8～2.5 μm的近紅外光，對0.3 μm以下的紫外線和3 μm以上的中、遠紅外光不能透過，即可以將大部分的太陽能吸收和反射掉，降低室內的空調費用，取得節能效果。熱反射鍍膜玻璃可以獲得多種反射色，能將四周建筑及自然景物映射在彩色的玻璃幕墻上,使整個建筑物顯得異常絢麗壯觀。同時，熱反射鍍膜玻璃可以減輕眩光作用，使工作及居住環境更加舒適。

2）低輻射玻璃（Low-e玻璃）

普通平板玻璃的輻射率較高，通常為0.84。低輻射玻璃是通過在玻璃表面涂低輻射涂層，使表面的輻射率低于普通玻璃,從而減少熱量的損失，達到降低采暖費用、實現節能的目的。衡量低輻射玻璃節能效果的重要指標是輻射率。輻射率越低通過玻璃表面發生的輻射損失越少,玻璃的節能效果越好。

3）光譜選擇透過性玻璃

光譜選擇透過性玻璃是熱反射玻璃和低輻射玻璃技術的延伸。這種玻璃可以使得太陽輻射中的可見光成分最大量地通過并阻擋具有較高熱量的紫外線或者紅外線，從而最大限度地利用自然光照亮室內，又把輻射的熱能阻擋在室外（或者室內），于是從采光和制冷（或者采暖）兩方面同時起到了節能效果。也可以使用它相反的特性，阻擋可見光，透過熱量，從而適用于高緯度地區建筑物，消除進入室內的眩光，充分利用太陽輻射熱來增加溫室內溫度。

4 建筑玻璃幕墻的應用實例

4.1 Low-e中空玻璃幕墻特點及應用實例

玻璃幕墻作為建筑的外圍護結構，其熱工性能直接影響建筑能耗。現在廣泛使用的Low-e中空玻璃幕墻，逐漸采用熱反射鍍膜玻璃、Low-e中空玻璃、斷熱型材等節能材料，在熱工性能方面比過去的門窗有所改善。我司施工的由廈門源昌集團開發的廈門源昌凱賓斯基大酒店玻璃幕墻就屬于Low-e中空玻璃幕墻，該項目建筑占地面積4870.78m2，總建筑面積為80 462.96m2，建筑總高度為198m，位于廈門市的主要交通要道湖濱南路及湖中路交叉口東北側,緊臨廈門主要景點白鷺洲公園及筼筜湖。按白金五星級酒店標準設計，塔樓建筑的立面主要為單元式隱框幕墻系統。單元式幕墻系統共21 672.7m2（玻璃單元式幕墻20 782.7m2,石材及百葉單元式幕墻890m2）。

該項目塔樓玻璃幕墻玻璃采用Low-e鍍膜中空玻璃，遮陽系數SC為0.332，傳熱系數為2.65。玻璃自身可見光透射比不小于0.40。四周的采光窗戶≥30%的開窗面積,玻璃幕墻有可開啟部分。透明幕墻氣密性為4級，具有良好的保溫、隔熱、隔聲的效果。

由于玻璃幕墻的節能率很高。經過計算，這種幕墻設計壽命為20年，工程造價約1 200元／m2，僅相當于普通混凝土墻體(含鋁合金窗)的價格（造價約900～1 300元／m2）。若從長遠經濟效益考慮，中空玻璃幕墻更合算。我們還有一些消費數據可以說明這一點。

例如,鎖定普通中空玻璃幕墻夏季空調費按一個月30 d,每天按8 h計算：

①普通中空玻璃幕墻0.11元／hm2；②普通混凝土墻及單層玻璃0.14元／hm2。

一個制冷面積10 000m2的建筑物，在采用不同墻體體系時，它的節能的經濟值顯然有較大的差異(按每年夏天制冷5個月)：

①采用Low-e中空玻璃幕墻制冷約需電費共計132萬元；②采用普通混凝土墻及普通單層玻璃制冷約需電費共計168萬元。

由此可見，采用Low-e中空玻璃幕墻比采用普通混凝土墻及普通單層玻璃要節能27%左右。

5 總結

具有氣候適應性的Low-e中空玻璃幕墻在一定程度上取得了功能要求和生態目標的統一。玻璃幕墻實際上是在建筑與周圍環境之間建立一個緩沖區域，減輕各種極端氣候條件變化對建筑室內的影響。

綜上所述,隨著人類科技水平的飛速發展，節能環保意識和審美品味的不斷提高，建筑幕墻技術必將與時俱進。“開放與交流、舒適與自然、環保與節能”的建筑原則會促使Low-e中空玻璃幕墻技術進一步完善與推廣,越來越多地采用Low-e中空玻璃幕墻和其他生態節能技術的綠色生態建筑勢必會從根本上改善我們的生存環境。

[1]蔣鳳昌,閉思廉.玻璃幕墻明框節能隔熱鋁型材的開發[J].新型建筑材料,2001,(8):41～42.

[2]蔣鳳昌.64系列隔熱鋁合金型材節能窗的開發設計[J].新型建筑材料,2001,(3):46～47.