高层玻璃幕墙的节能与环保以及对建筑风格的影响

1 应用现状 玻璃幕墙作为世界上最丰富、最具发展潜力的能源资源——太阳能的被动利用技术之一, 因其具有降低建筑采暖通风与空调能耗、改善室内空气品质及能源资源可再生等优点而广泛应用于生态建筑设计中,是生态与节能建筑研究中的一个热点。玻璃幕墙被介绍到我国只有短短三十年时间,却得到了极快的发展,现如今,我国幕墙的发展是世界之最,产量是世界之最,幕墙种类之多也为世界之最,每年以500 万m2 的速度生产各种幕墙。建筑玻璃幕墙在现代建筑中的应用也越来越广泛,随着现代玻璃制造工艺的不断进步和建筑科学技术的发展,使得建筑在安全性、透明度、反射性、隔热性和色彩多 样性等方面都有了巨大的改善。玻璃幕墙作为一项新兴的技术,拥有广阔的发展前景。2 玻璃幕墙简介及其原理 2.1 简介 玻璃幕墙是将玻璃装饰于高层建筑外表的一种外墙构造形式。从某种角度上理解,它是建筑物外窗的无限延伸。传统玻璃幕墙为单层玻璃,近年来,双层玻璃幕墙应用越来 越广泛,它由内外两层玻璃幕墙组成,与传统 幕墙相比,它的最大特点是两层幕墙之间有一 个通风换气层, 所以又称为通风式幕墙、可 呼吸式幕墙、热通道幕墙等。双层幕墙在太 阳热辐射、阳光照射和热对流及冬季保温作 用等方面都优于传统的单层玻璃幕墙,因而是 新型的幕墙结构, 代表幕墙技术的新发展。 本文主要讨论双层玻璃幕墙。 2.2 原理 双层幕墙根据通风层结构的不同可分为 “封闭式内循环体系”和“敞开式外循环体系” 两种。 图1 示出了双层幕墙(敞开式)的工作原 理,图1 中(a)、(b)分别给出了冬季与夏季运 行工况。如图所示, 冬季可以通过打开内层 幕墙上、下两个通风口形成循环对流来对室 内空气加热,当需要新鲜空气或室外气温比较 适合时,也可打开外层幕墙下面的进风口、关 闭内层幕墙下面的风口来对室外空气先加热 后再流入室内。夏季,则只打开外层幕墙上风 口与内层幕墙下风口,利用夹层空气的热压流 动来预防室内过热, 同时带走室内的部分余 热。 3 深化双层玻璃幕墙节能的探讨 3.1 遮阳设施 在夏季,阳光透过玻璃射入室内,是造成 室内过热的主要原因,设置遮阳后,会有如下 作用及效果: (1)遮阳对太阳辐射的作用 影响外围护结构的保温隔热性能最大的 指标就是遮阳系数。遮阳系数愈小,透过外围 护结构的太阳辐射热量愈小,防热效果愈好。 在广州地区进行实测得到的各主要朝向窗口 设置遮阳措施后的遮阳系数分别为: 西向 17%,南向45%,北向60%。由此可见,遮阳对 遮挡太阳辐射热的作用是相当大的。 (2)遮阳对室内温度作用 遮阳防止室内温度上升有明显作用,在广 州某西向房间试验观测表明, 在闭窗的情况 下,有无遮阳,室温最大差值达2℃,平均差值 1.4℃。而且有遮阳时,房间温度波幅值较小, 室温出现最大值的时间延迟, 室内温度场均 匀。因此, 遮阳对空调房间可减少冷负荷。 (3)遮阳对房间通风的影响 遮阳设施对房间通风有一定的阻挡作用, 在开启窗通风的情况下, 室内的风速会减弱 2 2 % ～4 7 % , 具体视遮阳设施的构造情况而 定。而对玻璃表面上升的热空气有阻挡作 用,不利散热,因此对这一不利因素应加予注 意。[2] 3.2 幕墙玻璃种类 目前采用较多的是单层反射玻璃和双层 玻璃。单层反射玻璃反射30% 的太阳辐射热。 IN TERPANE 提供的镀膜热反射玻璃IA108 可达到37%。双层玻璃则更胜一筹。两者的优 劣比较见表1。目前幕墙设计中,对玻璃幕墙 的初投资较为重视,而对其它项考虑不足。如 果能综合考虑上述各项,权衡利弊,就可以作 出明智的选择。 双层中空反射玻璃幕墙(窗)热反射能力 强,保温隔热性能好,能减少供暖负荷和冷气 负荷, 节约能源, 防结露结霜性能好, 但价格 高,较适应于北方地区夏热冬冷的中高档建筑 物;单层反射玻璃幕墙(窗)热反射能力强,冷房 效果好, 能减少冷气负荷, 节约能源, 价格次 之,较适应于南方地区夏热冬暖的中高档建筑 物。我国地域辽阔,气候条件差异大,对不同 区域、不同类型和使用功能的建筑物应用反 射玻璃幕墙(窗)时,要从节能、结露、噪声影 响、装饰效果和价格等方面进行全面分析,详 细比较, 以求合理的应用它,使之取得较满意 的效果。 3.3 玻璃幕墙面积、幕墙朝向 (1)一般情况下,玻璃的边长比宜为(1.2～ 1.5)∶1,不宜大量划分正方形和1∶2 以上的 狭长矩形,通常玻璃原板的尺寸为212～214m 宽,313～316m 长,划分玻璃时要尽量利用玻 璃原板,减少边角余料,一般要求材料的利用 率在80% 以上为好。 (2)在满足要求的前提下,应尽量减小幕墙 的面积。朝向不同,会引起太阳辐射得热量的 不同。一般来说,幕墙朝南较其它方向为优, 建议尽量避免幕墙朝西,幕墙朝东的情形与幕 墙朝西的相同。幕墙朝北则因采光欠佳,而且 冬季太阳辐射得热量较小,所以应该慎用。 3.4 热通道宽度 如何寻找最佳空气层厚度,使热通道在冬 季隔热性能好,夏季通风量大,是设计热通道 的关键问题。运用计算机完成对墙体和窗户 的传热模拟,并分析了不同窗型和双层玻璃间 空气层厚度对传热的影响,认为在中国东部最 佳节能型窗的空气层厚度为40mm 的单框双 层窗。文献[6]从空气层传热机理出发,求得 了空气层热阻的理论解,在理论上证明了空气 层存在最大热阻的特性,如严寒地区内外温差 2 4 ℃时, 4 6 m m空气层厚度存在最大热阻。 热通道中有缓慢流动气流,其最大热阻的空气 层厚度与通道结构,气流流速,气候环境等有 关,要通过具体计算才能得到,其解应与封闭 空气层有所不同。文献[7]研究表明,热通道 内的气流量随增加宽度而增加, 单宽度超过 100mm 以后,气流量增加量不大,此时主要受 风口尺寸约束。 3.5 空气间层热量的充分利用 双层玻璃幕墙的空气夹层还可以加设集 热装置、光电池板等, 充分吸收废气中多余 的热量,或者利用玻璃表皮的透光特性,收集 太阳能,这些措施都可以进一步降低双层玻璃 幕墙的能耗, 增加它的绿色、生态价值。 4 玻璃幕墙使用中一些存在问题 4.1 安全隐患 玻璃幕墙发展至今,还没有形成一个统一 的规范, 设计、制造只要一个构件或环节出 问题, 就会发生跌落、自爆等安全事故。随 着玻璃幕墙技术和质量的提高, 有关标准、 技术规范和控制机构的完善, 可采取有效措 施, 克服以上问题。 4.2 环境污染 玻璃幕墙的反射率较高, 会造成刺眼、 炫目的光污染,影响人们居住、生活,易引发 交通事故,因此必须控制反射率,如韩国、新 加坡将反射率规定为≤0.16,马来西亚和泰国 分别规定为≤ 0.20 和0.26。此外,合理配置 不同层玻璃的折射率,最外层玻璃不使用光密 材料,并且在材料选定后作全反射实验,防止 出现全反射现象 5 结语 双层幕墙主要解决了普通玻璃幕墙能耗 高、室内空气质量差等问题, 由于换气层的 作用,它比单层幕墙节能约50%,对于高层建 筑来说,直接开窗通风容易造成紊流,不易控 制,而且是一个安全隐患,双层幕墙结构则很 好的解决了这一问题。目前双层玻璃幕墙建 筑的设计和建造仍带有很强烈的实验色彩,研 究和发展还处在尚未完全成熟的阶段,如何利 用高度发达的技术手段营造符合时代要求的 含生态技术(eco-Tech)的建筑就成为这个特 定阶段对建筑设计提出的最大挑战。未来十 年将是我国建筑业大发展的十年,作为当今生 态建筑中所广泛采用的一项先进技术,双层玻 璃幕墙的发展前景将更加美好。 参考文献 [1] 暖通空调[J].1998(1). [2] 颜宏亮.论玻璃幕墙遮阳设计的作用及效 果[J].上海:同济大学建筑与城市规划学 院,2000. [3] 杨慧媛.玻璃幕墙建筑室内热环境及能耗 综合研究:[硕士学位论文].哈尔滨:哈尔滨 工业大学,2004. [4] 赵西安.双层通风幕墙.门窗幕墙信息,2002． [5] 何嘉鹏,延风,姜正良.中国东部双层窗节 能的计算机模拟研究[J].节能,1997. [6] 孟庆林,蔡宁,陈启高.封闭空气层热阻的 理论解[J].华南理工大学学报,1997. [7] GuohuiGan．A pflrfme~e study of Trombe walls for passive cooling of buadmg[J]．Energy and Buadhg,1998. $ 光污染的危害及对策 $"&光污染的危害性 玻璃幕墙在城市不分场合的滥用，对人员、环境及天文观 察造成一定的危害，成为建筑光学急需研究解决的问题，幕墙 的危害主要表现在： 首先，光的辐射及反射污染是交通肇事的元凶。街上和交 通路口一幢幢大厦幕墙，就象一面面巨大的镜子在阳光下熠 熠闪光，对车辆和红绿灯进行反射，光进入快速行驶的车内， 造成人突发性暂时失明和视力错觉，瞬间遮挡司机视野，感到 头晕目弦危害行人和司机的视觉功能而造成交通事故，威胁 人们的生命安全造成财产损失。 其次，光污染给周围居民生活也带来不少麻烦，尤其是建 在居住小区的玻璃幕墙，会对周围建筑产生反光。据介绍，幕 墙的玻璃反射光比太阳光更强烈，刺目的强烈光线破坏了室 内原有的气氛，使室温增高，影响到正常的生活。在长时间白 色光亮污染环境下生活和工作，容易使人产生头昏目弦、失 眠、心悸、食欲下降、心绪低落、神经衰弱及视力下降等病症， 造成人的正常生理及心理发生变化，长期照射会诱使某些疾 病加重。 再次，玻璃幕墙光洁的丽质容易污染，尤其大气含尘量 多、空气污染严重、干燥少雨的北方广大地区玻璃蒙尘纳垢难 看，有碍市容景观。另外由于一些玻璃幕墙材质低劣、施工质