玻璃與建筑節(jié)能

■ 謝 浩 Xie Hao

玻璃是當(dāng)今裝飾材料中最常見的材料之一,也是最早被作為透光材料的材料之一。隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，玻璃在建筑中的用途越來越多，玻璃、建筑、環(huán)保之間的關(guān)系也越來越密切。

1 節(jié)能玻璃的種類及特點(diǎn)

節(jié)能玻璃是指某些特定的產(chǎn)品，如中空玻璃、熱反射玻璃、Low-E玻璃等,它可以根據(jù)具體建筑物的設(shè)計(jì)要求而定，如按導(dǎo)熱系數(shù)來確定。按照節(jié)能途徑和性能參數(shù)，節(jié)能玻璃可分為以下幾類。通過對(duì)這些性能參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、搭配，節(jié)能玻璃就可以應(yīng)用于不同地區(qū)的建筑物上，產(chǎn)生最佳的節(jié)能效果。

1.1 吸熱玻璃

吸熱玻璃是一種能夠吸收太陽(yáng)能的平板玻璃，它是利用玻璃中的金屬離子對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行選擇性的吸收，同時(shí)呈現(xiàn)出不同的顏色。有些夾層玻璃膠片中也摻有特殊的金屬離子，用這種膠片可以生產(chǎn)出吸熱的夾層玻璃。吸熱玻璃一般可減少進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)熱能的20%～30%，降低了空調(diào)負(fù)荷。吸熱玻璃的特點(diǎn)是遮蔽系數(shù)比較低，太陽(yáng)能總透射比、太陽(yáng)光直接透射比和太陽(yáng)光直接反射比都較低，可見光透射比、玻璃的顏色可以根據(jù)玻璃中的金屬離子的成分和濃度變化。可見光反射比、傳熱系數(shù)、輻射率則與普通玻璃差別不大[1]。

1.2 熱反射玻璃

熱反射玻璃是對(duì)太陽(yáng)光有反射作用的鍍膜玻璃，其反射率可達(dá)20%～40%，甚至更高。它的表面鍍有金屬、非金屬及其氧化物等各種薄膜，這些膜層可以對(duì)太陽(yáng)光產(chǎn)生一定的反射效果，從而達(dá)到阻擋太陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)的目的。在低緯度的炎熱地區(qū)，夏季具有較好的遮光性能，使室內(nèi)光線柔和舒適，從而可節(jié)省室內(nèi)空調(diào)的能源消耗。另外，這種反射層的鏡面效果和色調(diào)對(duì)建筑物的外觀裝飾效果都較好。而且其遮蔽系數(shù)、太陽(yáng)光總透射比、太陽(yáng)光直接透射比和可見光透射比都較低。太陽(yáng)光直接反射比、可見光反射比較高，而傳熱系數(shù)、輻射率則與普通玻璃差別不大。

1.3 低輻射玻璃

低輻射玻璃又稱為L(zhǎng)ow-E玻璃，是一種對(duì)波長(zhǎng)在4.5～25 um范圍的遠(yuǎn)紅外線有較高反射比的鍍膜玻璃，它具有較低的輻射率。在冬季，它可以反射室內(nèi)暖氣輻射的紅外熱能, 輻射率一般小于0.25,將熱能保護(hù)在室內(nèi)。在夏季，馬路、水泥地面和建筑物的墻面在太陽(yáng)的暴曬下,吸收了大量的熱量并以遠(yuǎn)紅外線的形式向四周輻射。低輻射玻璃的遮蔽系數(shù)、太陽(yáng)能總透射比、太陽(yáng)光直接透射比、太陽(yáng)光直接反射比、可見光透射比和可見光反射比等都與普通玻璃差別不大，其輻射率、傳熱系數(shù)比較低。

1.4 中空玻璃

中空玻璃是將兩片或多片玻璃以有效支撐均勻隔開并對(duì)周邊粘接密封，使玻璃層之間形成有干燥氣體的空腔，其內(nèi)部形成了一定厚度的被限制了流動(dòng)的氣體層。由于這些氣體的導(dǎo)熱系數(shù)大大小于玻璃材料的導(dǎo)熱系數(shù),因此具有較好的隔熱能力。中空玻璃的特點(diǎn)是傳熱系數(shù)較低,與普通玻璃相比,其傳熱系數(shù)至少可降低40% ,是目前最實(shí)用的隔熱玻璃。我們可以將多種節(jié)能玻璃組合在一起，產(chǎn)生良好的節(jié)能效果。

1.5 真空玻璃

真空玻璃的結(jié)構(gòu)類似于中空玻璃，所不同的是真空玻璃空腔內(nèi)的氣體非常稀薄，近乎真空。其隔熱原理就是利用真空構(gòu)造隔絕了熱傳導(dǎo)，傳熱系數(shù)很低。根據(jù)有關(guān)資料數(shù)據(jù)，同種材料真空玻璃的傳熱系數(shù)至少比中空玻璃低15%。

1.6 普通玻璃

普通玻璃可以通過貼膜產(chǎn)生吸熱、熱反射或低輻射等效果。由于節(jié)能的原理相似,貼膜玻璃的節(jié)能效果與同功能的鍍膜玻璃類似。隨著玻璃深加工技術(shù)的不斷創(chuàng)新,特別是薄膜技術(shù)的飛速發(fā)展，一些新型的鍍膜玻璃產(chǎn)品已不是單一功能的節(jié)能玻璃,它可以是一種復(fù)合了多種功能的節(jié)能玻璃，如陽(yáng)光控制型低輻射玻璃結(jié)合了熱反射、低輻射和吸熱等多種特性[1]。

2 合理選擇節(jié)能玻璃

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的建筑能耗占社會(huì)總能耗的30%，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這個(gè)比例還會(huì)不斷增長(zhǎng)。因此，提高玻璃的節(jié)能性能已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的關(guān)鍵。外窗是外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要組成部分，不但要滿足采光、通風(fēng)、散熱和觀賞等基本功能，還應(yīng)具備良好的保溫、隔熱和隔聲等性能。但是，外窗的能耗比較大，據(jù)研究，其耗熱量約占建筑總耗熱量的40% 。又由于玻璃占整個(gè)窗戶面積很大，成為建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中隔熱、保溫最薄弱的環(huán)節(jié)。隨著玻璃品種越來越多，玻璃的節(jié)能已成為降低建筑外窗能耗損失的首要目標(biāo)，從而滿足整個(gè)建筑物節(jié)能的需求。具體來說，要考慮玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)Sc、傳熱系數(shù)U(分冬季、夏季值)。U值越低，玻璃阻隔熱傳導(dǎo)的性能就越好。因此，盡量選擇U值低的玻璃產(chǎn)品，最好選擇Low-E中空玻璃。當(dāng)對(duì)玻璃的隔熱性能有更高要求時(shí)，可選擇充有氬氣的Low-E中空玻璃。不同地區(qū)應(yīng)該選擇不同Sc值的玻璃或中空組裝方式。

在寒冷地區(qū)，太陽(yáng)輻射對(duì)保持室內(nèi)溫度是有利的。因此，不宜采用折射率低、遮陽(yáng)系數(shù)小且不能有效利用太陽(yáng)能采暖的玻璃，如單片熱反射玻璃、Low-E玻璃或Solar-E玻璃等，可以使用保溫性能好的透明中空玻璃。在夏熱冬暖地區(qū)，建筑耗能主要為室內(nèi)外溫差傳熱耗能和太陽(yáng)輻射耗能，特別是太陽(yáng)輻射耗能占建筑耗能的比例很大，是夏季得熱的最主要因素，直接影響到室內(nèi)的熱環(huán)境。因此，該地區(qū)應(yīng)最大限度地控制進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)光，選擇窗玻璃時(shí)主要考慮玻璃的反射系數(shù)，盡量選擇Sc較小的玻璃。在夏熱冬冷地區(qū)，夏季炎熱，冬季寒冷潮濕，選擇窗玻璃時(shí)應(yīng)充分考慮冬、夏兩季的需求，但應(yīng)以夏季遮陽(yáng)為主。該地區(qū)玻璃的選擇與夏熱冬暖地區(qū)類似，選擇單片熱反射玻璃、Low-E玻璃或Solar-E玻璃，中空玻璃外片選擇吸熱玻璃、熱反射玻璃、吸熱的Low-E玻璃或Solar-E玻璃，內(nèi)片選用透明玻璃或Low-E 玻璃[2]。

3 節(jié)能玻璃在采暖中的運(yùn)用

被動(dòng)式采暖太陽(yáng)房通過對(duì)建筑朝向和周圍環(huán)境的合理布置，對(duì)建筑內(nèi)外空間的巧妙處理以及建筑材料和結(jié)構(gòu)、構(gòu)造的恰當(dāng)選擇，使房屋做到冬季采暖保溫，夏季遮陽(yáng)散熱。被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖按照系統(tǒng)供暖方式，可分為直接受益式、集熱蓄熱墻式、附加陽(yáng)光間式和組合式等幾種。

3.1 直接受益式

它利用南窗直接接受太陽(yáng)能輻射供熱，是被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖方式中最簡(jiǎn)單的一種(圖1)。其特點(diǎn)是讓陽(yáng)光直接加熱采暖房間，把房間本身當(dāng)成一個(gè)包括有太陽(yáng)能集熱器、蓄熱器和分配器的集合體，供熱效率較高，但是它在晚上降溫較快、室內(nèi)溫度波動(dòng)較大，比較適用于僅需要在白天供熱的辦公樓、學(xué)校等。

3.2 集熱蓄熱墻式

在南向玻璃窗里面的蓄熱墻外表涂上黑色涂料，上下開設(shè)風(fēng)口。白天陽(yáng)光入射到特朗勃墻上被墻面吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，加熱墻與玻璃之間的空氣，熱空氣上升，由上部風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)，室內(nèi)冷空氣由下部風(fēng)口流入墻與玻璃之間的空氣通道，形成自然的熱循環(huán)。晚上熱量通過墻體輻射傳導(dǎo)進(jìn)入室內(nèi)，宜關(guān)閉上下風(fēng)口，以防逆循環(huán)。

圖1 直接受益的陽(yáng)光房

3.3 附加陽(yáng)光間式

陽(yáng)光間附加在房間南側(cè)，中間用一堵墻把房間與陽(yáng)光間隔開；陽(yáng)光間的南墻或屋面為玻璃或其他透光材料；在房間之間的公共墻上開設(shè)門、窗等孔洞。陽(yáng)光間得到太陽(yáng)的照射被加熱，其溫度始終高于室外的環(huán)境溫度。這樣既可在白天通過對(duì)流經(jīng)門、窗給房間供熱，又可在夜間作為緩沖區(qū)，減少房間熱損失。

3.4 組合式

組合式太陽(yáng)房是由上述兩種或兩種以上基本類型組合而成的被動(dòng)式太陽(yáng)房。不同的采暖方式結(jié)合使用，可以形成互為補(bǔ)充的、更為有效的被動(dòng)式太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)。實(shí)際建成的太陽(yáng)房大多為組合式。

4 玻璃在建筑采光中的運(yùn)用

20世紀(jì)中后期，隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，人們對(duì)生產(chǎn)及生活環(huán)境的要求越來越多樣化，尤其需要天然采光。于是，建筑師就力圖采用豐富多彩的建筑造型，如外形有帶坡的、圓形的或錐形的，以符合建筑造型的需要，同時(shí)提高天然采光效率。玻璃采光頂按照組合方式可分為：?jiǎn)误w（即單個(gè)玻璃采光頂）、群體（由若干單體玻璃采光頂在鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)支撐體系上組合成一個(gè)玻璃采光頂群）、聯(lián)體（由幾種玻璃采光頂和玻璃幕墻以共用桿件連成一個(gè)整體的玻璃頂和墻面系統(tǒng)）。玻璃采光頂按照其支架桿件用料可分為：鋼玻璃采光頂、鋁合金玻璃采光頂、玻璃框架玻璃采光頂。玻璃采光頂按其設(shè)置方式分有敞開式和封閉式：敞開式是指通廊或雨蓬上的采光頂；封閉式是位于封閉空間的頂蓋或屋蓋上的采光頂。玻璃采光頂按功能也可分為密閉型和非密閉型兩種：密閉型是用于封閉空間的玻璃采光頂，非密閉型是用于敞開空間的玻璃采光頂[3]。

玻璃采光頂最大的問題是保溫隔熱性能較差，如果室內(nèi)外溫差較大，容易產(chǎn)生冷凝水。解決冷凝水問題有三種辦法：①可以考慮采用雙層玻璃，改善其保溫隔熱性能；②將玻璃頂設(shè)計(jì)成一定的坡度和弧度，并組織好完善的排水系統(tǒng)。一般的說，玻璃采光頂坡面與水平的夾角以18～45°為宜；③在玻璃頂下面的墻體上留出通風(fēng)的縫或孔，讓外面的冷空氣滲入室內(nèi)，使玻璃頂?shù)膬?nèi)外側(cè)溫差減小，玻璃頂下面難以形成凝結(jié)水了，而且還可以改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量，但會(huì)導(dǎo)致有一些能源損失。

5 玻璃在其他方面設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

5.1 景觀窗臺(tái)

玻璃窗臺(tái)主要分為平面式、凹陷式和外凸式，其中外凸式窗臺(tái)對(duì)于窗臺(tái)景觀的可視角度最大化，并且最有利。玻璃窗戶增進(jìn)了室內(nèi)外的交流，擴(kuò)大了室內(nèi)的空間感，能營(yíng)造出室內(nèi)外空間的過渡及聯(lián)系。不同顏色、不同反射率和折射率的玻璃組合在一起，結(jié)合室內(nèi)的壁畫和玻璃圖案，烘托出舒適的室內(nèi)空間(圖2)。應(yīng)該注意，玻璃的隔熱保溫效果畢竟不如砌體墻，再加上太陽(yáng)光線通常會(huì)透過玻璃照射到室內(nèi)，增加室內(nèi)溫度，這對(duì)于炎熱地區(qū)夏季防熱是非常不利的。采用較大反射比的玻璃時(shí)，要求做到非常謹(jǐn)慎，反射的光線應(yīng)避免產(chǎn)生眩光。根據(jù)相應(yīng)的地方設(shè)置相應(yīng)的規(guī)定，限制玻璃的最大面積和最小面積的范圍。另外，玻璃是最常用的透光材料，常被作為裝飾材料。在家具透光的應(yīng)用方面，要強(qiáng)調(diào)的是玻璃的質(zhì)感和色感，要營(yíng)造出和諧的室內(nèi)氣氛。

5.2 玻璃幕墻

平板玻璃的玻璃幕墻是普遍的應(yīng)用方式，它使建筑看起來更簡(jiǎn)潔，也更現(xiàn)代，室內(nèi)有充足的采光(圖3)。在建筑照明中，配合內(nèi)部各種燈光，建筑就顯得更加晶瑩亮麗。為了解決隔熱問題，使室內(nèi)空調(diào)能耗減少，可采用Low-E玻璃或者雙層中空隔熱玻璃，但是相應(yīng)地其成本也會(huì)增加[4]。

圖2 景觀窗臺(tái)

圖3 幕墻玻璃

5.3 玻璃磚

玻璃磚是用透明或顏色玻璃制成的塊狀、空心的玻璃制品或塊狀表面施釉的制品(圖4)。其品種主要有玻璃空心磚、玻璃飾面磚及玻璃錦磚（馬賽克）等。玻璃磚是一種非承重磚，但是具有磚的使用特點(diǎn)，同時(shí)又有幕墻的透光特點(diǎn)，砌筑時(shí)可以根據(jù)龍骨的框架或輔助框架來達(dá)到形成任意造型的表面。配合不同品種的玻璃，如磨砂玻璃、壓花玻璃和彩色玻璃，可以使室內(nèi)空間更加豐富多彩。

圖4 玻璃磚

5.4 U型玻璃

U型玻璃（又稱槽形玻璃）是一種新型建筑節(jié)能墻體型材玻璃，它由碎玻璃和石英砂等原料制成，造型為條幅型，具有挺拔、清秀和線條流暢的時(shí)代氣息，收到獨(dú)特的裝飾效果。而且安裝方便，綜合造價(jià)比較低，與普通鋼平板玻璃結(jié)構(gòu)相比，可降低成本20%～40%，減少作業(yè)量30%～50%，并節(jié)省玻璃與金屬耗用量(圖5)。

6 結(jié)語(yǔ)

合理、科學(xué)地運(yùn)用玻璃為建筑設(shè)計(jì)服務(wù)，有利于營(yíng)造健康、環(huán)保的建筑環(huán)境。當(dāng)然，在建筑表皮透光的應(yīng)用方面還有許多種形式，需要我們不斷探討和創(chuàng)新。建筑師必須結(jié)合合理運(yùn)用科學(xué)的建筑技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)真正的人性化建筑空間和節(jié)能空間，滿足建筑節(jié)能的需求，使玻璃材料在建筑中持續(xù)健康地發(fā)展。

[1]符芳，錢士英，王永逵等.建筑裝飾材料[M].南京：東南大學(xué)出版社，2004：147-156.

[2]方瑞. 真空玻璃的性能與節(jié)能效果[J].門窗，2009(3)：34-38.

[3]馬立群，郎小霞.考慮建筑節(jié)能：玻璃的性能和應(yīng)用[J].房材與應(yīng)用，2005(2)：26-27.

[4]謝浩. 對(duì)玻璃幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)的研究[J].節(jié)能，2005(12)：46-48.