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(huì)形成強(qiáng)烈的反射光和聚集光，對(duì)人體產(chǎn)生異常影響。在此環(huán)境下生活，人們會(huì)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(qiáng)光常常使室內(nèi)溫度急劇升高，焦點(diǎn)溫度甚至可達(dá)70℃以上，可引燃易燃物品，釀成火災(zāi)。本文針對(duì)玻璃幕墻的室內(nèi)光污染和熱環(huán)境問(wèn)題，對(duì)常用幕墻玻璃材料的透射、反射和遮陽(yáng)等參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并進(jìn)行了模擬分析。

    筆者對(duì)具有代表性的4種幕墻玻璃進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析，分別為鍍膜玻璃、Low-E玻璃、涂膜玻璃和貼膜玻璃。測(cè)試參數(shù)包括半球輻射率，可見(jiàn)光透射比和反射比，太陽(yáng)光直接透射比，反射比和吸收比，太陽(yáng)能總透射比，遮蔽系數(shù)，紫外線透射比和反射比等，同時(shí)對(duì)6mm的普通白玻進(jìn)行了對(duì)比測(cè)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(cè)試結(jié)果。

    3.1 半球輻射率

    半球輻射率指標(biāo)是描述物體輻射能力大小的物理量。輻射能力越大，說(shuō)明物體(玻璃)受熱升溫之后的二次輻射能力越強(qiáng)，越容易造成室內(nèi)、外空氣的過(guò)熱。本文中該參數(shù)代表的是玻璃的對(duì)外輻射能力。圖1給出了測(cè)試玻璃半球輻射率的測(cè)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(duì)于其它玻璃來(lái)說(shuō)要小很多，是鍍膜玻璃的1/12。這說(shuō)明Low-E玻璃在夏季的隔熱能力相對(duì)較高；在冬季其輻射能力較小，對(duì)長(zhǎng)波的反射能力較強(qiáng)，使室內(nèi)溫度得以維持。但是各類型玻璃的半球輻射率對(duì)冬季建筑所需要的太陽(yáng)能供暖效應(yīng)產(chǎn)生的影響則有待進(jìn)一步的分析。

    3.2 可見(jiàn)光透射比和反射比

    可見(jiàn)光透射比和反射比是表征太陽(yáng)光中可見(jiàn)光部分的透射和反射能力的物理量�？梢�(jiàn)光透射比越大，說(shuō)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(guò)亮現(xiàn)象；可見(jiàn)光反射比越大，說(shuō)明由該玻璃組成的房間室外光污染越嚴(yán)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(cè)試玻璃可見(jiàn)光透射比和反射比的測(cè)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(jiàn)光透射比大，可以在一定程度上減少人工照明用電，但是過(guò)猶不及，如果太大就會(huì)造成室內(nèi)光環(huán)境惡化，該方面的研究也有待通過(guò)模擬軟件進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

    3.3 太陽(yáng)光直接透射比、反射比和吸收比

    太陽(yáng)光包含了紫外線、可見(jiàn)光和紅外線。玻璃的太陽(yáng)光直接透射比、反射比和吸收比是表征太陽(yáng)光所有光線透射、反射和吸收能力的物理量，該3項(xiàng)指標(biāo)的總和為1。太陽(yáng)光的直接透射比越大，室內(nèi)太陽(yáng)光獲得的越多，由于紅外線中蘊(yùn)藏了大量熱量，紫外線具有較強(qiáng)的殺菌，褪色功能，過(guò)量的紫外線會(huì)導(dǎo)致皮膚癌，所以一般而言該指標(biāo)越小對(duì)于房間的光、熱環(huán)境越好；太陽(yáng)光的直接反射比越大，室外太陽(yáng)光獲得的越多，同樣會(huì)對(duì)室外的光、熱環(huán)境造成一定的影響和污染，該指標(biāo)也應(yīng)盡量減小；太陽(yáng)光的直接吸收比越大，說(shuō)明玻璃犧牲了自身來(lái)保護(hù)室內(nèi)和室外的光、熱環(huán)境，該指標(biāo)相對(duì)而言越大越好。圖3給出了測(cè)試玻璃太陽(yáng)光直接透射比、反射比和吸收比的測(cè)試結(jié)果，從表1和圖3可以看出，符合上述指標(biāo)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(yáng)能總透射比

    太陽(yáng)能包括光能和熱能，太陽(yáng)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(yáng)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(cè)試玻璃太陽(yáng)能總透射比的測(cè)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(duì)于太陽(yáng)能遮蔽能力的物理量。該值越小說(shuō)明遮蔽效果越好，即玻璃材料本身的遮陽(yáng)能力越好。圖5給出了測(cè)試玻璃遮蔽系數(shù)的測(cè)試結(jié)果，從表1和圖5可以看出，貼膜玻璃的遮陽(yáng)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(duì)紫外線反射和透射能力的物理量。因?yàn)樽贤饩�不但具有殺菌、消毒的作用，同時(shí)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(duì)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(cè)試玻璃紫外線透射比和反射比的測(cè)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(duì)室內(nèi)光環(huán)境，筆者采用Ecotect軟件進(jìn)行了室內(nèi)參考工作面的照度分析。對(duì)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(jìn)行精細(xì)工作時(shí)取采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)層房間的開(kāi)間和進(jìn)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(jiàn)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(duì)照《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50033-2001)可知圖中照度值大大超過(guò)了室內(nèi)的采光要求，甚至中部離幕墻比較遠(yuǎn)的地方的采光量也都嚴(yán)重超標(biāo)，造成了室內(nèi)光環(huán)境的惡化，產(chǎn)生了光污染。人們長(zhǎng)時(shí)間在這種環(huán)境下工作會(huì)導(dǎo)致視覺(jué)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(guò)大，容易造成室內(nèi)的光環(huán)境惡化。相對(duì)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?yàn)橘N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(duì)于室內(nèi)熱環(huán)境，在DeST-c軟件［3］中對(duì)位于福州市的玻璃幕墻公共建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面建立了模型，開(kāi)間和進(jìn)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(jì)算得出的建筑冷、熱負(fù)荷見(jiàn)表3�？梢钥闯觯�

    1) 對(duì)于用不同幕墻玻璃材料組成的建筑，房間冷熱負(fù)荷面積指標(biāo)合計(jì)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(fù)荷(空調(diào)能耗)遠(yuǎn)大于熱負(fù)荷(供暖能耗)。

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

    1) 從半球輻射率來(lái)看，Low-E玻璃的指標(biāo)要遠(yuǎn)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(jiàn)光透射比和反射比來(lái)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(yáng)光透射比、反射比和吸收比來(lái)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(yáng)能總透射比來(lái)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(lái)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(lái)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(guò)大，容易造成室內(nèi)光環(huán)境惡化。相對(duì)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(biāo)很多；4種玻璃對(duì)室內(nèi)光環(huán)境影響從大到小排序?yàn)橥磕げＡ�、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(jì)冷熱負(fù)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(duì)于室內(nèi)能耗負(fù)荷的影響是不同的，4種玻璃對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響從大到小的排序?yàn)橥磕げＡ�、鍍膜玻璃、Low-E玻璃和貼膜玻璃。從冷、熱負(fù)荷指標(biāo)的對(duì)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(duì)于北方需要利用玻璃進(jìn)行太陽(yáng)能供暖的建筑卻不是十分合適。

    4) 綜合以上實(shí)驗(yàn)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(shí)在遮陽(yáng)方面效果良好，其次推薦選用的是各方面性能都不錯(cuò)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(guò)程中發(fā)現(xiàn)Low-E玻璃的價(jià)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。