玻璃幕墻建筑的室內(nèi)光污染和熱環(huán)境研究

    玻璃幕墻是一種美觀新穎的現(xiàn)代建筑墻體裝飾方法，但大面積玻璃幕墻會形成強烈的反射光和聚集光，對人體產(chǎn)生異常影響。在此環(huán)境下生活，人們會感到頭昏目眩、頭痛、煩躁、失眠、食欲下降及情緒低落［1］。另一方面，夏季玻璃幕墻反射的強光常常使室內(nèi)溫度急劇升高，焦點溫度甚至可達70℃以上，可引燃易燃物品，釀成火災(zāi)。本文針對玻璃幕墻的室內(nèi)光污染和熱環(huán)境問題，對常用幕墻玻璃材料的透射、反射和遮陽等參數(shù)進行了實驗測試，并進行了模擬分析。

    筆者對具有代表性的4種幕墻玻璃進行了實測分析，分別為鍍膜玻璃、Low-E玻璃、涂膜玻璃和貼膜玻璃。測試參數(shù)包括半球輻射率，可見光透射比和反射比，太陽光直接透射比，反射比和吸收比，太陽能總透射比，遮蔽系數(shù)，紫外線透射比和反射比等，同時對6mm的普通白玻進行了對比測試。其它玻璃一般是由上述玻璃加工或組合而成的，因此這些玻璃具備一定的代表性。表1給出了各種玻璃的測試結(jié)果。

    3.1 半球輻射率

    半球輻射率指標是描述物體輻射能力大小的物理量。輻射能力越大，說明物體(玻璃)受熱升溫之后的二次輻射能力越強，越容易造成室內(nèi)、外空氣的過熱。本文中該參數(shù)代表的是玻璃的對外輻射能力。圖1給出了測試玻璃半球輻射率的測試結(jié)果，從表1和圖1可以看出，Low-E玻璃的半球輻射率相對于其它玻璃來說要小很多，是鍍膜玻璃的1/12。這說明Low-E玻璃在夏季的隔熱能力相對較高；在冬季其輻射能力較小，對長波的反射能力較強，使室內(nèi)溫度得以維持。但是各類型玻璃的半球輻射率對冬季建筑所需要的太陽能供暖效應(yīng)產(chǎn)生的影響則有待進一步的分析。

    3.2 可見光透射比和反射比

    可見光透射比和反射比是表征太陽光中可見光部分的透射和反射能力的物理量�？梢姽馔干浔仍酱�，說明由該玻璃組成的房間光環(huán)境越差，越容易出現(xiàn)室內(nèi)眩光，產(chǎn)生過亮現(xiàn)象；可見光反射比越大，說明由該玻璃組成的房間室外光污染越嚴重，越容易造成周邊鄰近建筑和道路的光污染。圖2給出了測試玻璃可見光透射比和反射比的測試結(jié)果，從表1和圖2可以看出，從透射比和反射比都較小的角度分析，鍍膜玻璃、貼膜玻璃和Low-E玻璃的性能比較好。通常而言，可見光透射比大，可以在一定程度上減少人工照明用電，但是過猶不及，如果太大就會造成室內(nèi)光環(huán)境惡化，該方面的研究也有待通過模擬軟件進行進一步的分析。

    3.3 太陽光直接透射比、反射比和吸收比

    太陽光包含了紫外線、可見光和紅外線。玻璃的太陽光直接透射比、反射比和吸收比是表征太陽光所有光線透射、反射和吸收能力的物理量，該3項指標的總和為1。太陽光的直接透射比越大，室內(nèi)太陽光獲得的越多，由于紅外線中蘊藏了大量熱量，紫外線具有較強的殺菌，褪色功能，過量的紫外線會導(dǎo)致皮膚癌，所以一般而言該指標越小對于房間的光、熱環(huán)境越好；太陽光的直接反射比越大，室外太陽光獲得的越多，同樣會對室外的光、熱環(huán)境造成一定的影響和污染，該指標也應(yīng)盡量減�。惶�陽光的直接吸收比越大，說明玻璃犧牲了自身來保護室內(nèi)和室外的光、熱環(huán)境，該指標相對而言越大越好。圖3給出了測試玻璃太陽光直接透射比、反射比和吸收比的測試結(jié)果，從表1和圖3可以看出，符合上述指標要求的應(yīng)首選鍍膜玻璃，其次是貼膜玻璃、涂膜玻璃和Low-E玻璃。

    3.4 太陽能總透射比

    太陽能包括光能和熱能，太陽能總透射比主要描述的是熱能，與室內(nèi)的熱環(huán)境緊密相關(guān)。太陽能的總透射比越大，房間的得熱量越多，夏季的熱環(huán)境越差。圖4給出了測試玻璃太陽能總透射比的測試結(jié)果，從表1和圖4可以看出，貼膜玻璃的總透射比最小，其次是鍍膜玻璃和Low-E玻璃，最后是涂膜玻璃。

    3.5 遮蔽系數(shù)

    遮蔽系數(shù)是反映玻璃本身對于太陽能遮蔽能力的物理量。該值越小說明遮蔽效果越好，即玻璃材料本身的遮陽能力越好。圖5給出了測試玻璃遮蔽系數(shù)的測試結(jié)果，從表1和圖5可以看出，貼膜玻璃的遮陽效果最好，其次是鍍膜玻璃、Low-E玻璃和涂膜玻璃。

    3.6 紫外線透射比和反射比

    紫外線透射比和反射比是反映玻璃對紫外線反射和透射能力的物理量。因為紫外線不但具有殺菌、消毒的作用，同時也具有褪色的能力，所以紫外線的透射比越大，越不適合有褪色物質(zhì)存在的房間，如展示織物或畫作的展覽館，印刷車間等；另一方面，紫外線的反射比越大，越不適合對房間衛(wèi)生要求較高的房間，如消毒病房、老人和幼兒用房等。圖6給出了測試玻璃紫外線透射比和反射比的測試結(jié)果，從表1和圖6可以看出，紫外線透射比和反射比都比較小的是鍍膜玻璃和貼膜玻璃，然后依次是涂膜玻璃和Low-E玻璃。

    4.1 室內(nèi)光環(huán)境

    針對室內(nèi)光環(huán)境，筆者采用Ecotect軟件進行了室內(nèi)參考工作面的照度分析。對照參數(shù)為工作面(0.75m處)，室外臨界照度為4500lx(Ⅳ區(qū))。辦公樓進行精細工作時取采光系數(shù)標準值的2%，照度為4500×2%=90lx［2］。

    Ecotect軟件建議的玻璃幕墻建筑模型如圖7所示。該建筑位于福州市，標準層房間的開間和進深均為12m，層高為3.6m。玻璃幕墻建筑的窗檻墻為0.8m，上部有0.3m的梁(不透光部分)。

    圖8給出了6mm普通白玻鋁框玻璃幕墻室內(nèi)0.75m處的照度分布。遮蔽系數(shù)為0.95，可見光透射比為0.88。該圖顯示的室內(nèi)總體光環(huán)境照度最大值為4281.96lx，最小值為1275.60lx。另外，對照《建筑采光設(shè)計標準》(GB/T50033-2001)可知圖中照度值大大超過了室內(nèi)的采光要求，甚至中部離幕墻比較遠的地方的采光量也都嚴重超標，造成了室內(nèi)光環(huán)境的惡化，產(chǎn)生了光污染。人們長時間在這種環(huán)境下工作會導(dǎo)致視覺障礙甚至失明。

    圖9～12分別給出了鍍膜玻璃、Low-E玻璃、涂膜玻璃和貼膜玻璃鋁框玻璃幕墻室內(nèi)0.75m處的照度分布。采用不同幕墻玻璃材料所產(chǎn)生的室內(nèi)光環(huán)境參數(shù)匯總?cè)绫?所示。分析可知，采用玻璃幕墻的建筑，由于窗墻面積比較大，室內(nèi)的照度過大，容易造成室內(nèi)的光環(huán)境惡化。相對而言，貼膜玻璃的最大值和最小值最小。各種幕墻玻璃的室內(nèi)照度從小到大排序為貼膜玻璃、鍍膜玻璃、Low-E玻璃和涂膜玻璃。

    4.2 室內(nèi)熱環(huán)境

    對于室內(nèi)熱環(huán)境，在DeST-c軟件［3］中對位于福州市的玻璃幕墻公共建筑標準層平面建立了模型，開間和進深均為12m，層高為3.6m，如圖13所示。模型中充分考慮了框架結(jié)構(gòu)的柱子，每邊留出0.5m的距離。采用普通白玻、鍍膜玻璃、Low-E玻璃、涂膜玻璃和貼膜玻璃作為幕墻材料，計算得出的建筑冷、熱負荷見表3�？梢钥闯觯�

    1) 對于用不同幕墻玻璃材料組成的建筑，房間冷熱負荷面積指標合計最大的是普通白玻，其次是涂膜玻璃、鍍膜玻璃和Low-E玻璃，最后是貼膜玻璃。

    2) 由于該地區(qū)屬于夏熱冬暖地區(qū)，所以該地區(qū)的冷負荷(空調(diào)能耗)遠大于熱負荷(供暖能耗)。

    3) Low-E玻璃和鍍膜玻璃的全年累計冷熱負荷面積指標合計雖然小于涂膜玻璃，但是其全年累計熱負荷面積指標(供暖能耗)大于涂膜玻璃，這在一定程度上說明了Low-E玻璃和鍍膜玻璃在冬季對太陽能供暖效應(yīng)的利用不如涂膜玻璃。

    1) 從半球輻射率來看，Low-E玻璃的指標要遠小于其它玻璃，是鍍膜玻璃的1/12，其次是涂膜玻璃和貼膜玻璃；從可見光透射比和反射比來看，鍍膜玻璃、貼膜玻璃和Low-E玻璃的性能比較好，最后是涂膜玻璃；從太陽光透射比、反射比和吸收比來看，首選鍍膜玻璃，其次是貼膜玻璃、涂膜玻璃和Low-E玻璃；從太陽能總透射比來看，貼膜玻璃最小，其次是鍍膜玻璃、Low-E玻璃和涂膜玻璃；從遮蔽系數(shù)來看，貼膜玻璃最好，其次是鍍膜玻璃、Low-E玻璃和涂膜玻璃；從紫外線透射比和反射比來看，鍍膜和貼膜玻璃較好，其次是涂膜玻璃和Low-E玻璃。

    2) 從玻璃幕墻的室內(nèi)光環(huán)境研究角度出發(fā)，采用玻璃幕墻的建筑，由于窗墻面積比較大，室內(nèi)照度過大，容易造成室內(nèi)光環(huán)境惡化。相對而言，貼膜玻璃的照度最大值和最小值最小，但也比規(guī)范限值超標很多；4種玻璃對室內(nèi)光環(huán)境影響從大到小排序為涂膜玻璃、Low-E玻璃、鍍膜玻璃和貼膜玻璃。

    3) 從玻璃幕墻建筑的室內(nèi)熱環(huán)境角度出發(fā)，采用玻璃幕墻的建筑室內(nèi)熱環(huán)境較差，室內(nèi)的全年累計冷熱負荷都有較大程度的提高。從DeST-c的分析結(jié)果可以看出，不同幕墻玻璃對于室內(nèi)能耗負荷的影響是不同的，4種玻璃對室內(nèi)熱環(huán)境的影響從大到小的排序為涂膜玻璃、鍍膜玻璃、Low-E玻璃和貼膜玻璃。從冷、熱負荷指標的對比可以看出，Low-E玻璃和鍍膜玻璃雖然半球輻射率和遮蔽系數(shù)都非常大，但是對于北方需要利用玻璃進行太陽能供暖的建筑卻不是十分合適。

    4) 綜合以上實驗和模擬的結(jié)果，得出如下建議：在南方地區(qū)，采用Low-E玻璃確實在遮陽方面效果良好，其次推薦選用的是各方面性能都不錯的貼膜玻璃和鍍膜玻璃，最后推薦涂膜玻璃。但是在一些北方地區(qū)，首先推薦采用的是貼膜玻璃，其次是鍍膜玻璃、Low-E玻璃和涂膜玻璃。在調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)Low-E玻璃的價格偏高，是鍍膜玻璃的3～5倍。另外貼膜玻璃的質(zhì)量不易保證，所以推薦優(yōu)先采用鍍膜玻璃。