建筑玻璃幕墻節(jié)能分析

建筑玻璃幕墻節(jié)能分析

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高層建筑和高層建筑的出現(xiàn)。為了減輕主體結(jié)構(gòu)的負(fù)荷，玻璃窗簾墻成為護(hù)岸結(jié)構(gòu)的首選。作為建筑的采光部分,如何根據(jù)建筑的功用合理地選用幕墻玻璃,同時(shí)又要滿(mǎn)足美觀、經(jīng)濟(jì)、安全的要求,是幕墻設(shè)計(jì)師必須要慎重考慮的問(wèn)題。1玻璃的結(jié)構(gòu)參數(shù)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),建筑門(mén)窗使用的玻璃厚度正常情況下應(yīng)該在4mm以上?！督ㄖ粔Α?GBT21086-2007)6.2.1中規(guī)定“不宜小于6mm”。由于玻璃面積在幕墻面積中所占比例較大(60%~70%),玻璃的保溫性能對(duì)幕墻的傳熱量影響十分可觀。因此,改善幕墻保溫性能的一個(gè)重要途徑就是合理選用玻璃。建筑玻璃幕墻的保溫節(jié)能功效遜于傳統(tǒng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu),要達(dá)到保溫節(jié)能的目的,就要降低幕墻整體的傳熱系數(shù)。而傳熱系數(shù)由玻璃、型材以及中空玻璃邊緣線(xiàn)性傳熱系數(shù)Y值三部分組成,即在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要考慮采用斷熱型材和中空玻璃。由于幕墻玻璃在幕墻面積中占較大的比例,在整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)中,通過(guò)玻璃傳遞的熱量遠(yuǎn)高于其他圍護(hù)結(jié)構(gòu),文章僅就幕墻玻璃來(lái)討論。玻璃的熱工性能是通過(guò)兩個(gè)參數(shù)來(lái)表征的,即傳熱系數(shù)和遮陽(yáng)系數(shù)。傳熱系數(shù)是圍護(hù)結(jié)構(gòu)通用參數(shù),其傳熱系數(shù)越低,越有利于建筑物節(jié)能。遮陽(yáng)系數(shù)是玻璃作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特殊參量,遮陽(yáng)系數(shù)越小,阻擋陽(yáng)光直接輻射的性能越好。玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為1W/(m·K),而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.024W/(m·K),氬氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.016W/(m·K),可以通過(guò)表1~3進(jìn)行比較。普通單片浮法玻璃的傳熱系數(shù)為5.2~6.0W/(m2·K),普通中空玻璃的傳熱系數(shù)降至2.5~3.2W/(m2·K)。可見(jiàn),由兩片或多片玻璃和空氣層組成的中空玻璃的傳熱系數(shù)降低了很多。充氬氣后,中空玻璃的傳熱系數(shù)一般可再降0.2~0.3W/(m2·K),顯而易見(jiàn),中空玻璃的節(jié)能效果遠(yuǎn)比單層玻璃好。熱的傳遞有三個(gè)途徑:熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo),對(duì)于玻璃而言熱輻射是最大的。因此,提高中空玻璃的節(jié)能效果,首先必須減低玻璃的熱輻射率,即采用低輻射玻璃,其次才考慮充惰性氣體和暖邊間隔條。根據(jù)建筑效果的需要,可選用普通透明玻璃、著色玻璃、熱反射鍍膜玻璃、Low-E玻璃、夾層玻璃等作為中空玻璃的基片。中空玻璃內(nèi)的密封空氣在鋁框內(nèi)灌充的高效分子篩吸附劑作用下,成為導(dǎo)熱系數(shù)很低的干燥空氣,從而構(gòu)成一道隔熱、隔音屏障。玻璃的熱傳導(dǎo)率是空氣的27倍,只要中空玻璃是密封的,就可達(dá)到最佳的隔熱效果狀態(tài)。若在中空層中充入惰性氣體,還可進(jìn)一步提高隔熱、隔音性能。要想獲得更低的傳熱系數(shù),就要采用Low-E中空玻璃。Low-E玻璃與普通浮法玻璃相比,其主要特征是對(duì)遠(yuǎn)紅外線(xiàn)不是高吸收而是高反射,因此可阻止環(huán)境熱量通過(guò)玻璃進(jìn)行傳遞。Low-E中空玻璃的傳熱系數(shù)一般為1.5~2.1W/(m2·K),特別是雙銀Low-E中空玻璃,不但其傳熱系數(shù)低,保溫性能優(yōu)良,而且其遮陽(yáng)系數(shù)也可降至0.30~0.60,隔熱性能非常好。因此,除一些裙樓大堂高跨度全玻璃幕墻不得不采用單片玻璃外,通常都采用中空玻璃,這是幕墻保溫節(jié)能的最低要求。表4是某幕墻工程玻璃選型時(shí)的性能對(duì)比表,可以看出雙銀Low-E陽(yáng)光控制性能(SC)比單銀Low-E效果更理想。外裝飾幕墻采用中空玻璃的隔熱效果是毋庸置疑的,即使是(3+12A+3)mm的中空玻璃,其隔熱能力也不亞于100mm厚的混凝土墻,而低輻射玻璃乃至充惰性氣體的中空玻璃對(duì)玻璃幕墻的保溫性能會(huì)有更明顯提高。就上海、江蘇等夏熱冬冷地區(qū)的建筑而言,根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50189-2005)規(guī)定,普通中空玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)和傳熱系數(shù)都不能滿(mǎn)足規(guī)范要求,只有采用Low-E中空玻璃才能滿(mǎn)足。因此,從節(jié)能的角度考慮,Low-E中空玻璃是建筑幕墻面材的不二之選,同時(shí)要根據(jù)建筑的朝向、使用功能、結(jié)構(gòu)形式選擇高透型玻璃或遮陽(yáng)型玻璃,其次可以考慮中空玻璃的暖邊系統(tǒng),進(jìn)一步提高其隔熱性能。2中空玻璃隔聲性能隨其振動(dòng)的變化。據(jù)如一般建筑的幕墻空氣聲隔聲等級(jí)為3級(jí)(35≤Rw<40dB),全玻璃幕墻采用10~19mm單片玻璃和普通的中空玻璃都能夠達(dá)到要求,如果要求空氣聲隔聲等級(jí)達(dá)到4級(jí)(40≤Rw<45dB),普通配置的中空玻璃恐怕就難以滿(mǎn)足要求了,表5對(duì)不同配置的玻璃做了一個(gè)簡(jiǎn)單的比較。中空玻璃的隔聲性能與玻璃的厚度、間隔層中氣體的成分、間隔層的數(shù)量和厚度有關(guān)。但是中空玻璃間的空氣層間隔有限,隔音作用不大。由表5也可以看到,空氣層由12mm增加到16mm,其隔音性能并沒(méi)有提高。普通玻璃的隔音性能一般在10dB以下,所以當(dāng)人們關(guān)上窗戶(hù)時(shí)會(huì)感覺(jué)聲音有變化,但感覺(jué)不到安靜;中空玻璃的隔音性能在25dB左右,也就是說(shuō)使用中空玻璃后,室外噪音可下降25dB。我們知道聲音通過(guò)振動(dòng)波的形式傳播,因此要想提高中空玻璃的隔聲性能,必須在中空玻璃的構(gòu)造上想辦法,具體如下。(1)采用軟連接,避免聲橋現(xiàn)象。中空玻璃中間的隔條通常由鋁合金制成,鋁合金為剛性材料,振動(dòng)能量會(huì)由剛性連接傳到另一層,這一“聲橋”作用就使中空玻璃的隔聲性能降低。我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中可以建議采用暖邊密封系統(tǒng)的中空玻璃,如現(xiàn)在較多建筑采用實(shí)唯高(Swiggle)暖邊密封系統(tǒng),其采用了柔性的密封材料,能夠緩沖聲波的傳遞,使中空玻璃的隔聲性能比鋁隔條提高1~2dB。北京的國(guó)貿(mào)大廈、沈陽(yáng)的玫瑰大酒店都采用了實(shí)唯高暖邊系統(tǒng),雖然暖邊系統(tǒng)是針對(duì)中空玻璃的隔熱性能開(kāi)發(fā)的,但其對(duì)隔聲性能的提高也起到了相當(dāng)大的作用。(2)增加玻璃的阻尼。通常的玻璃具有很小的內(nèi)在阻尼,在玻璃間加入PVB膠片制作成夾層玻璃。PVB膠片對(duì)聲波具有一定阻礙作用,從而有效阻擋聲音的傳播。如果用夾層玻璃合成中空玻璃結(jié)構(gòu),其增加玻璃阻尼的作用會(huì)更大。中空玻璃間層中若充入惰性氣體可在原有基礎(chǔ)上再降低5dB左右,隔音效果會(huì)更加理想。江蘇省移動(dòng)公司辦公樓采用了6(T)+0.76PVB+6(T)鍍膜+12A+8(T)Low-E陽(yáng)光鍍膜夾膠中空Low-E玻璃,不僅提高了隔聲效果,也獲得了極佳的外視效果。(3)采用非對(duì)稱(chēng)玻璃。由于玻璃材質(zhì)、尺寸、厚度及邊界約束條件相同,各層玻璃具有相同的固有頻率,容易產(chǎn)生共振,從而激發(fā)玻璃本身低頻振動(dòng)而產(chǎn)生二次噪聲輻射。因此,我們可以采取非對(duì)稱(chēng)配置,即內(nèi)外兩層玻璃厚度不同,如8mm+12A+6mm,可避免產(chǎn)生共振。3幕墻用鋼化中空玻璃玻璃受到溫度影響或者遇到外力沖擊極易破碎,鋼化玻璃同樣如此。在《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ113-2003)中定義的安全玻璃指破壞時(shí)安全破壞,即應(yīng)用和破壞時(shí)給人的傷害達(dá)到最小的玻璃,包括符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9962規(guī)定的夾層玻璃、符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9963規(guī)定的鋼化玻璃和符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB15763.1規(guī)定的防火玻璃以及由它們構(gòu)成的復(fù)合產(chǎn)品?，F(xiàn)有建筑幕墻幾乎都采用鋼化玻璃,而幕墻的情況紛繁復(fù)雜,千變?nèi)f化,籠統(tǒng)地規(guī)定幕墻一定要用鋼化玻璃不一定就恰當(dāng)。自2009年至今,各地發(fā)生了多起幕墻玻璃墜落造成人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失事件。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)這些自爆墜落的幕墻玻璃無(wú)一不是鋼化玻璃,很值得幕墻設(shè)計(jì)者反思。記得上世紀(jì)90年代初幕墻施工都采用浮法玻璃,極少有自爆發(fā)生。后來(lái)隨著建筑高度的不斷增高,規(guī)范的逐漸形成和完善,在施工設(shè)計(jì)時(shí)按照建筑高度分層設(shè)計(jì),底部用普通浮法玻璃,中部用半鋼化玻璃,頂部用鋼化玻璃,使用十余年,也很少出現(xiàn)自爆現(xiàn)象。在《建筑安全玻璃管理規(guī)定》中,單片半鋼化玻璃(熱增強(qiáng)玻璃)、單片夾絲玻璃不屬于安全玻璃,鋼化玻璃屬于安全玻璃。然而近年來(lái)鋼化玻璃事故頻發(fā),卻無(wú)情地否定了“鋼化就是安全”的觀點(diǎn)。自爆是鋼化玻璃的固有特性,不可避免。為了降低自爆率,只能對(duì)玻璃原片精磨邊和進(jìn)行二次熱處理,即熱浸處理。即使如此,1‰的自爆率也已經(jīng)是極限了。一旦玻璃自爆,在高層和超高層建筑上更換玻璃的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于玻璃本身的成本,而且更換施工的危險(xiǎn)性極高。半鋼化玻璃熱處理類(lèi)似于鋼化玻璃,但鋼化程度低,其表面應(yīng)力不大于69N/mm2,因此半鋼化玻璃不屬于目前定義的“安全玻璃”。正因?yàn)榘脘摶ＡП砻鎽?yīng)力低,所以不存在自爆的危險(xiǎn),不受外界影響時(shí),它絕不會(huì)自行爆炸,從這個(gè)意義來(lái)說(shuō),它比鋼化玻璃要安全。即使在外力作用下破碎了,由于周邊有扣板、槽口或者硅酮結(jié)構(gòu)膠,放射形的裂縫所形成的碎塊也不會(huì)輕易墜落,可以有時(shí)間進(jìn)行拆除、更換?；谏鲜鲈?在設(shè)計(jì)建筑幕墻時(shí)就要根據(jù)實(shí)際情況合理選用“安全玻璃”。建議在底層可以采用鋼化中空玻璃,上部則采用夾膠中空玻璃或半鋼化夾膠中空玻璃,在計(jì)算通過(guò)的前提下優(yōu)先選用夾膠玻璃。底層用鋼化中空玻璃是因?yàn)楦叨鹊?即使因溫度和地震作用破碎也不會(huì)因墜落砸傷幕墻附近的人員和物體,又不會(huì)因玻璃銳利的碎片對(duì)人員造成傷害。高層、超高層建筑幕墻若采用鋼化玻璃,一旦破碎,飛落的玻璃碎塊會(huì)因重力而加速下落。同時(shí),破碎的玻璃瞬間脫離框架,站在玻璃附近的人同樣是極不安全的。為此,高層建筑幕墻要采用夾膠中空玻璃——外層夾膠,內(nèi)層鋼化,外層玻璃即使受到?jīng)_擊破碎也不會(huì)脫落,內(nèi)層鋼化玻璃受沖擊破碎也不會(huì)傷人。目前,在實(shí)際幕墻設(shè)計(jì)中,推廣使用夾膠中空玻璃有一定的難度,一方面是有人認(rèn)為夾膠玻璃不鋼化,不是安全玻璃,甚至有些建筑設(shè)計(jì)師也這樣認(rèn)為,這就是對(duì)安全玻璃的定義沒(méi)有很好地理解。另一方面是經(jīng)濟(jì)方面的原因,建設(shè)方認(rèn)為使用夾膠中空玻璃增加造價(jià)而拒絕使用。筆者認(rèn)為,幕墻行業(yè)內(nèi)人士應(yīng)該達(dá)成共識(shí),在高層、超高層建筑幕墻的設(shè)計(jì)、施工中,應(yīng)推薦使用夾膠玻璃或半鋼化夾膠玻璃,在計(jì)算能夠通過(guò)的前提下優(yōu)先選用夾膠玻璃,并應(yīng)將其納入規(guī)范,從根本上杜絕自爆的產(chǎn)生。2012年,上海市發(fā)布了上海市人民政府令第77號(hào)《上海市建筑玻璃幕墻管理辦法》,頒布實(shí)施了上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《建筑幕墻工程技術(shù)規(guī)范》DGJ08-56-2012,將高層幕墻采用夾膠玻璃納入了規(guī)范,并實(shí)行幕墻結(jié)構(gòu)安全性評(píng)審,這在全國(guó)是首例。隨后江浙等地也頒布了相關(guān)法規(guī),在幕墻安全性方面邁出了喜人的一大步。在采用夾膠玻璃的同時(shí)還要考慮到一點(diǎn),就是不能因?yàn)閵A膠玻璃而使幕墻成為火災(zāi)的牢籠,在適當(dāng)?shù)牡胤揭O(shè)計(jì)鋼化玻璃,并設(shè)置明顯的標(biāo)識(shí),以備在火災(zāi)發(fā)生時(shí)逃生。另外在設(shè)計(jì)框架式玻璃幕墻時(shí),要盡量采用密封膠粘接密封。因PVB膠片剛度不足,為避免在破碎后坍塌脫落,使用密封膠在框邊對(duì)玻璃形成一定拉力。同時(shí)考慮加大槽口的深度,以免玻璃脫離槽口墜落。4玻璃的壓應(yīng)力層與半鋼化膠和幕墻的比選。根據(jù)現(xiàn)代所有做法確定幕墻外視面,所有玻璃中各玻璃幕墻是建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu),也是建筑的外衣,建筑師利用其豐富的色彩與藝術(shù)的造型表達(dá)設(shè)計(jì)理念,創(chuàng)造出多彩的藝術(shù)效果。然而,縱觀國(guó)內(nèi)的幕墻,遠(yuǎn)近各處不同的建筑在幕墻玻璃上的映像都是扭曲的,絲毫也感覺(jué)不出美感,反而形成了光反射之外的另一種炫目。究其原因,就是鋼化玻璃惹的禍。鋼化和熱強(qiáng)化玻璃由于受熱會(huì)形成紋波,在某些特殊的自然光條件下觀察鋼化(或半鋼化)玻璃的反射光時(shí),能夠看見(jiàn)其表面存在明暗相間的條紋,這種亮度不一致的條紋稱(chēng)為應(yīng)力斑。目前國(guó)際上最先進(jìn)的技術(shù)也不能完全消除應(yīng)力斑,可以說(shuō)影像扭曲變形是鋼化玻璃給玻璃幕墻帶來(lái)的副產(chǎn)品,使玻璃幕墻的外視效果大打折扣。要想改變這種效果,可以采取以下作法。(1)選用化學(xué)鋼化玻璃?；瘜W(xué)鋼化玻璃(或稱(chēng)離子交換增強(qiáng)玻璃)是根據(jù)離子的擴(kuò)散機(jī)理來(lái)改變玻璃表面組成,即玻璃表層的金屬離子被熔鹽中不同的金屬離子所置換,使玻璃表面形成壓應(yīng)力層的一種處理工藝?；瘜W(xué)鋼化玻璃強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好,處理后的玻璃表面不損失平滑性,不變形,而且能夠切割,無(wú)自爆現(xiàn)象,克服了風(fēng)鋼化技術(shù)的缺點(diǎn),在提高玻璃強(qiáng)度的同時(shí),絲毫不影響光學(xué)性能,是現(xiàn)有鋼化玻璃的最佳替代品。但是,不菲的價(jià)格也許會(huì)阻礙其廣泛的應(yīng)用。(2)選用夾膠玻璃或半鋼化夾膠玻璃。夾膠玻璃因無(wú)需鋼化,所以表面依然保持浮法玻璃的平滑性,無(wú)變形與光學(xué)畸變,對(duì)周?chē)矬w的映像不會(huì)扭曲變形,從而保證幕墻的完美外視效果。半鋼化玻璃變形小,表面比較平整,反射外界景物畸變小,比較美觀。我們一直強(qiáng)調(diào)的“在計(jì)算通過(guò)的前提下優(yōu)先采用夾膠玻璃”就是基于這個(gè)目的。我們看到國(guó)外很多建筑幕墻玻璃平滑如鏡,對(duì)周?chē)h(huán)境的映像沒(méi)有絲毫的變形,其實(shí)正是采用了夾膠玻璃或半鋼化夾膠玻璃,而非鋼化夾膠。目前,我國(guó)幕墻企業(yè)在一些超高層建筑的幕墻設(shè)計(jì)施工中也采用了此種玻璃。莫斯科俄羅斯聯(lián)邦大廈玻璃幕墻工程高度達(dá)341m,為歐洲的最高建筑?？紤]到工程位于萬(wàn)里之外,一旦玻璃自爆,其更換、維修成本將極其昂貴,因此工程全部采用半鋼化玻璃:透光部分為夾層中空(6mm+1.14PVB+6mm)+16Ar+8mm,三片玻璃均為半鋼化;不透光部分為8mm藍(lán)天白云彩釉印花單片半鋼化玻璃。廣州電視塔為目前世界最高的獨(dú)立塔,總高度620m,幕墻高度430m,幕墻總面積3.2萬(wàn)m2,由超5000塊的三角形板塊組成,采用雙夾層中空玻璃:(8mm+1.52SGP+8mmLow-E)+12A+(8mm+1.52SGP+8mm)。塔身外形為雙曲拋物面。考慮到玻璃類(lèi)型多,高空更換玻璃極為困難,全部采用半鋼化玻璃。江蘇省移動(dòng)公司辦公樓也采用了夾膠中空玻璃(6mm+0.76PVB+6mm鍍膜+12A+8mmLow-E),表面平整,影像完美,既保證了安全度,降低了更換幾率,提高了隔聲性能,同時(shí)又取得了理想的外視效果。上海環(huán)球金融中心高度495m,101層,幕墻玻璃采用夾膠中空玻璃(8mm+1.52SGP+8mm+12A+8