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