玻璃幕墙材料对保温节能的影响

李 瑜

(中国原子能科学研究院，北京 102488)

近年来，由于我国经历不断地高速发展，城市中的建筑越来越多，且规模越来越庞大。与此同时出现的一个问题是，在整个社会产生的总能耗中，这些建筑物产生的能耗占比在逐年增加。且随着人们对美观的追求，现在的建筑物也变得越来越有艺术感，其中的典型代表之一就是玻璃幕墙。现在大多数的现代化都市在建筑的外部装修过程中都会使用到玻璃幕墙，这成为了现代化城市建筑的一个非常典型的特征，也是一个非常重要的标志。玻璃幕墙的存在既突破了传统装修中门窗和墙体的限制，又非常巧妙地将建筑的使用功能与艺术和美感融为一体，但玻璃幕墙的存在也导致了一些新的问题出现。因玻璃幕墙无法很好地对热量进行保持或传递，就导致了其在隔热以及保温方面表现不佳，远远无法达到传统墙体的效果。与传统墙体相比，玻璃幕墙在热量损失方面可以比其高5倍左右，建筑物的总能耗中很大一部分就是由玻璃幕墙产生的，约占总体的40%[1]。这与现在环保生活的理念并不相符，所以为了解决这种问题，可以从玻璃幕墙的选材上进行考虑。

1 玻璃幕墙的分类

要是想要对玻璃幕墙的选材进行调整以达到节能环保的要求，首先要对玻璃幕墙的种类有所了解，这样才可以更好地进行材料的选择。

1.1 明框玻璃幕墙

这种玻璃幕墙形如其名，主要是使用金属材料作为框架，将玻璃材料作为内嵌物镶嵌在金属框架中，这种玻璃幕墙出现时间较早，目前应用也较为广泛[2]。这种玻璃幕墙不仅可以起到墙壁等功能作用，同时其裸露在外的金属边框也可以起到很好的装饰效果。

1.2 隐框玻璃幕墙

这种幕墙也常被称为结构胶接玻璃幕墙，按照其外观可将其分为两种，即半隐框和全隐框。半隐框玻璃幕墙就是通过将幕墙的部分框架直接融合到建筑物的外观中，使建筑物更加美观，更加立体[3]。与之相反，全隐框玻璃幕墙就是通过将所有框架隐藏，从外观上无法找到明显框架，从而达到一种比较干净的效果。

1.3 点支式玻璃幕墙

点支式玻璃幕墙是近年来新兴起的一种玻璃幕墙，其科技含量相对较高，而且其结构和功能都十分明显，目前在很多城市都有所应用。由于其外观极具时代感和科技属性，对于现代建筑美学方面的提高是十分有帮助的。

2 常见玻璃幕墙材料保温节能性能对比

玻璃幕墙最致命的缺点就是其对热量的传递较差，具体体现在其保温能力以及隔热能力方面。同时安装了玻璃幕墙的建筑往往通风能力不好，这会对建筑物的能源消耗产生极大的影响，同时也会对建筑物中消防设施等物品的配置产生很大的影响。对于玻璃幕墙的保温能力是有具体的衡量标准的，就是在建筑物玻璃幕墙的两侧空气温度不同时，玻璃幕墙阻挡热量由高温区域向低温区域传递的能力（从空隙中渗透的空气所带来的热量传递不算在其中）。对于幕墙的保温能力，我们通常用传热系数k来表示[4]。其物理意义为，在稳定传热的情况下，幕墙左右两边的气温差是1K时，在单位时间内从单位面积内通过的热量，单位为W/m2·K。目前，在建筑领域中，对于幕墙的保温能力可分为四级[5]，具体分级情况见表1。

表1 建筑幕墙保温性能分级情况Table 1 Classification of insulation performance of building curtain wall

对于玻璃幕墙保温隔热能力影响最大的方面就是幕墙本身材料的选择。而且为了保证幕墙的功能性以及美观性不被破坏，同时还要对幕墙实际安装过程进行考虑，再加上对目前行业内的一些实际情况及相关国家标准进行分析。本文综合总结了目前常用的幕墙材料，从节能、保温等方面入手进行了综合分析。

2.1 铝型材对玻璃幕墙保温隔热能力的影响

铝型材在玻璃幕墙中使用较多的就是在较为传统的明框幕墙中，其中的玻璃都是分板块、分格的镶嵌在铝型材所制造的框架中。这种情况下玻璃的间隔对幕墙整体的保温能力也会产生极大的影响。因铝合金自身具有很好的传热能力，在明框幕墙中，作为外框架的铝合金也会参与建筑内外热量的交换。这就会导致冷桥现象的出现[6]，这会对幕墙的保温能力产生极其恶劣的影响。为了对这个问题进行解决，现在有研究人员做出了隔热断桥铝型材。这种铝型材与传统的铝型材相比较，多使用了一部分塑料型材。通过这部分塑料型材对铝合金进行包裹，既可以将铝合金与外部环境分割开来，以消除铝合金快速散热的缺点。同时还不会对框架的完整性及美观性有所影响。这种新型结构不仅具有良好的隔热性，更同时具有优良的保温性、防火性以及气密性等。经过隔绝的铝合金框架传热效率仅为1.8～3.5m2·K，这与正常的铝合金相比传热能力下降了几十倍[7]，可以有效地阻止冷桥现象的发生。通过这种手段对明框玻璃幕墙的保温节能性能可以有效地提升，这也是现在及未来明框幕墙保温性能提升的主要手段。

而对于隐框式玻璃幕墙来说，其铝合金型材是包覆在建筑外观框架中的，不会直接对传热过程产生影响。因此对于使用在隐框式玻璃幕墙中的铝型材不需要进行特殊处理，仅使用普通材料就可以。点支式玻璃幕墙的热量传递中，除了玻璃板材自身的传热外，还包含一部分墙爪件铝合金的传热，因此在建筑过程中也有必要使用隔热套件。

2.2 玻璃对玻璃幕墙保温隔热能力的影响

前文对铝型材进行了探讨，但在玻璃幕墙中占据主体地位的还是玻璃材料，其可以占据幕墙整体面积的86%以上[8]。这是幕墙内外热量交换的主要方式，玻璃的选用决定了幕墙的保温能力以及整体能耗，因此幕墙玻璃材料的选择是重中之重。表2为几种常见玻璃材料的传热能力参数[9]。

表2 不同特性玻璃传热特性参数Table 2 Heat transfer characteristic parameters of glass with diff erent characteristics

由2表可以看出，玻璃的种类对其透光率、传热以及遮阳等性能有极大的影响。透明单片玻璃具有极高的传热系数，对常见的热辐射（如太阳辐射、红外辐射等）几乎没有限制，这就导致在夏天会有大量的热量传导进室内，使室内温度大大升高。同时在冬季室内的热量会大量的散到室外，使冬季室内温度下降。我们在使用玻璃幕墙时，不仅要提升其保温隔热能力，同时对其最基本的采光能力也不能忽视，所以在对玻璃材料进行选择时，应尽量考虑中空玻璃，可以对其保温能力进行提升。而对于在提升保温隔热能力的同时还想要考虑其遮阳能力的话，就应该使用热反射镀膜玻璃或者solar-玻璃等[10]。

随着城市建筑的不断发展，玻璃幕墙的应用场所也越来越多，甚至有时玻璃幕墙可能要同时应用于多种严苛环境中，再加上幕墙的朝向不同，单一品种的玻璃材料无法满足所有的要求。如有些建筑物需要对太阳辐射进行拦截，这就需要对玻璃材料进行一定的处理。可以使用镀膜手段将玻璃改造成热辐射玻璃，也可以向玻璃中添加其他元素进行改性处理[11]。但必须要考虑的是，透光性能与吸热性能是互相矛盾的，所以在使用吸热玻璃的时候往往热量也较慢从室内散出，且吸热玻璃并不代表可以将热量完全阻隔在外。而对于热反射玻璃来说，除了将红外线反射之外，也会对可见光进行一定的反射、削弱，这会使室内采光效果削弱，同时也容易导致光污染出现。但正是因为热反射玻璃对太阳能的反射能力，使其非常适用于炎热的南方地区，而在较为寒冷的北方地区则不太合适。

对于寒冷的北方地区，最为合适的还是Low-e玻璃，这也是近年来使用非常广泛的一种玻璃材料。使用Low-e玻璃，可以在很好地处理太阳能辐射的同时很好的保证室内的温度。太阳能辐射的主要波长为0.3～0.5μm，这种波长对于Low-e玻璃来说，60%以上都可以通过[12]。这就保证了在白天外部的热量可以很好地进入到室内，而在晚上或者阴天时，室内的热量却大部分无法从室内扩散出来，这可以有效地保证室内的温度。但值得注意的是，必须要使用双层中空的Low-e玻璃，才会具有良好的阻隔热辐射的能力，仅使用单层玻璃是无法取得上述效果的。

最后总结一下低辐射镀膜玻璃的相关性能。其辐射率通常在0.1上下[13-14]，基本上为普通玻璃的十分之一，可以很好地保温节能。现在常见的Low-e玻璃则是使用特殊的热喷射镀膜技术制备的，这种工艺使其在具有低辐射能力的同时也能具有很好的控光能力。上述的这几种玻璃材料，在单层使用时，虽然可以起到一定的保温节能作用，但其效果并不能让人满意。在大面积使用玻璃材料的建筑物中这种单层玻璃的效果更是差强人意。为了获得更好的效果，现在常使用内外不同的双层中空玻璃。如外层为了吸收热辐射可以使用吸热Low-e玻璃等，内部则可以使用普通的透明玻璃。而中空的空气层可以有效的阻止热辐射在室内的二次传递，达到保温节能的作用。

3 总结

玻璃幕墙的保温节能能力主要取决于幕墙的种类、材料的选择以及密封方式。为了解决现在部分玻璃幕墙保温节能效果差的问题，应主要从热量传导以及阻热能力这两方面进行考虑。应在实际使用过程中选择地使用双层中空玻璃及密封手段。