玻璃幕墙建筑的室内光污染和热环境研究

    玻璃幕墙是一种美观新颖的现代建筑墙体装饰方法，但大面积玻璃幕墙会形成强烈的反射光和聚集光，对人体产生异常影响。在此环境下生活，人们会感到头昏目眩、头痛、烦躁、失眠、食欲下降及情绪低落［1］。另一方面，夏季玻璃幕墙反射的强光常常使室内温度急剧升高，焦点温度甚至可达70℃以上，可引燃易燃物品，酿成火灾。本文针对玻璃幕墙的室内光污染和热环境问题，对常用幕墙玻璃材料的透射、反射和遮阳等参数进行了实验测试，并进行了模拟分析。

    笔者对具有代表性的4种幕墙玻璃进行了实测分析，分别为镀膜玻璃、Low-E玻璃、涂膜玻璃和贴膜玻璃。测试参数包括半球辐射率，可见光透射比和反射比，太阳光直接透射比，反射比和吸收比，太阳能总透射比，遮蔽系数，紫外线透射比和反射比等，同时对6mm的普通白玻进行了对比测试。其它玻璃一般是由上述玻璃加工或组合而成的，因此这些玻璃具备一定的代表性。表1给出了各种玻璃的测试结果。

    3.1 半球辐射率

    半球辐射率指标是描述物体辐射能力大小的物理量。辐射能力越大，说明物体(玻璃)受热升温之后的二次辐射能力越强，越容易造成室内、外空气的过热。本文中该参数代表的是玻璃的对外辐射能力。图1给出了测试玻璃半球辐射率的测试结果，从表1和图1可以看出，Low-E玻璃的半球辐射率相对于其它玻璃来说要小很多，是镀膜玻璃的1/12。这说明Low-E玻璃在夏季的隔热能力相对较高；在冬季其辐射能力较小，对长波的反射能力较强，使室内温度得以维持。但是各类型玻璃的半球辐射率对冬季建筑所需要的太阳能供暖效应产生的影响则有待进一步的分析。

    3.2 可见光透射比和反射比

    可见光透射比和反射比是表征太阳光中可见光部分的透射和反射能力的物理量。可见光透射比越大，说明由该玻璃组成的房间光环境越差，越容易出现室内眩光，产生过亮现象；可见光反射比越大，说明由该玻璃组成的房间室外光污染越严重，越容易造成周边邻近建筑和道路的光污染。图2给出了测试玻璃可见光透射比和反射比的测试结果，从表1和图2可以看出，从透射比和反射比都较小的角度分析，镀膜玻璃、贴膜玻璃和Low-E玻璃的性能比较好。通常而言，可见光透射比大，可以在一定程度上减少人工照明用电，但是过犹不及，如果太大就会造成室内光环境恶化，该方面的研究也有待通过模拟软件进行进一步的分析。

    3.3 太阳光直接透射比、反射比和吸收比

    太阳光包含了紫外线、可见光和红外线。玻璃的太阳光直接透射比、反射比和吸收比是表征太阳光所有光线透射、反射和吸收能力的物理量，该3项指标的总和为1。太阳光的直接透射比越大，室内太阳光获得的越多，由于红外线中蕴藏了大量热量，紫外线具有较强的杀菌，褪色功能，过量的紫外线会导致皮肤癌，所以一般而言该指标越小对于房间的光、热环境越好；太阳光的直接反射比越大，室外太阳光获得的越多，同样会对室外的光、热环境造成一定的影响和污染，该指标也应尽量减小；太阳光的直接吸收比越大，说明玻璃牺牲了自身来保护室内和室外的光、热环境，该指标相对而言越大越好。图3给出了测试玻璃太阳光直接透射比、反射比和吸收比的测试结果，从表1和图3可以看出，符合上述指标要求的应首选镀膜玻璃，其次是贴膜玻璃、涂膜玻璃和Low-E玻璃。

    3.4 太阳能总透射比

    太阳能包括光能和热能，太阳能总透射比主要描述的是热能，与室内的热环境紧密相关。太阳能的总透射比越大，房间的得热量越多，夏季的热环境越差。图4给出了测试玻璃太阳能总透射比的测试结果，从表1和图4可以看出，贴膜玻璃的总透射比最小，其次是镀膜玻璃和Low-E玻璃，最后是涂膜玻璃。

    3.5 遮蔽系数

    遮蔽系数是反映玻璃本身对于太阳能遮蔽能力的物理量。该值越小说明遮蔽效果越好，即玻璃材料本身的遮阳能力越好。图5给出了测试玻璃遮蔽系数的测试结果，从表1和图5可以看出，贴膜玻璃的遮阳效果最好，其次是镀膜玻璃、Low-E玻璃和涂膜玻璃。

    3.6 紫外线透射比和反射比

    紫外线透射比和反射比是反映玻璃对紫外线反射和透射能力的物理量。因为紫外线不但具有杀菌、消毒的作用，同时也具有褪色的能力，所以紫外线的透射比越大，越不适合有褪色物质存在的房间，如展示织物或画作的展览馆，印刷车间等；另一方面，紫外线的反射比越大，越不适合对房间卫生要求较高的房间，如消毒病房、老人和幼儿用房等。图6给出了测试玻璃紫外线透射比和反射比的测试结果，从表1和图6可以看出，紫外线透射比和反射比都比较小的是镀膜玻璃和贴膜玻璃，然后依次是涂膜玻璃和Low-E玻璃。

    4.1 室内光环境

    针对室内光环境，笔者采用Ecotect软件进行了室内参考工作面的照度分析。对照参数为工作面(0.75m处)，室外临界照度为4500lx(Ⅳ区)。办公楼进行精细工作时取采光系数标准值的2%，照度为4500×2%=90lx［2］。

    Ecotect软件建议的玻璃幕墙建筑模型如图7所示。该建筑位于福州市，标准层房间的开间和进深均为12m，层高为3.6m。玻璃幕墙建筑的窗槛墙为0.8m，上部有0.3m的梁(不透光部分)。

    图8给出了6mm普通白玻铝框玻璃幕墙室内0.75m处的照度分布。遮蔽系数为0.95，可见光透射比为0.88。该图显示的室内总体光环境照度最大值为4281.96lx，最小值为1275.60lx。另外，对照《建筑采光设计标准》(GB/T50033-2001)可知图中照度值大大超过了室内的采光要求，甚至中部离幕墙比较远的地方的采光量也都严重超标，造成了室内光环境的恶化，产生了光污染。人们长时间在这种环境下工作会导致视觉障碍甚至失明。

    图9～12分别给出了镀膜玻璃、Low-E玻璃、涂膜玻璃和贴膜玻璃铝框玻璃幕墙室内0.75m处的照度分布。采用不同幕墙玻璃材料所产生的室内光环境参数汇总如表2所示。分析可知，采用玻璃幕墙的建筑，由于窗墙面积比较大，室内的照度过大，容易造成室内的光环境恶化。相对而言，贴膜玻璃的最大值和最小值最小。各种幕墙玻璃的室内照度从小到大排序为贴膜玻璃、镀膜玻璃、Low-E玻璃和涂膜玻璃。

    4.2 室内热环境

    对于室内热环境，在DeST-c软件［3］中对位于福州市的玻璃幕墙公共建筑标准层平面建立了模型，开间和进深均为12m，层高为3.6m，如图13所示。模型中充分考虑了框架结构的柱子，每边留出0.5m的距离。采用普通白玻、镀膜玻璃、Low-E玻璃、涂膜玻璃和贴膜玻璃作为幕墙材料，计算得出的建筑冷、热负荷见表3。可以看出：

    1) 对于用不同幕墙玻璃材料组成的建筑，房间冷热负荷面积指标合计最大的是普通白玻，其次是涂膜玻璃、镀膜玻璃和Low-E玻璃，最后是贴膜玻璃。

    2) 由于该地区属于夏热冬暖地区，所以该地区的冷负荷(空调能耗)远大于热负荷(供暖能耗)。

    3) Low-E玻璃和镀膜玻璃的全年累计冷热负荷面积指标合计虽然小于涂膜玻璃，但是其全年累计热负荷面积指标(供暖能耗)大于涂膜玻璃，这在一定程度上说明了Low-E玻璃和镀膜玻璃在冬季对太阳能供暖效应的利用不如涂膜玻璃。

    1) 从半球辐射率来看，Low-E玻璃的指标要远小于其它玻璃，是镀膜玻璃的1/12，其次是涂膜玻璃和贴膜玻璃；从可见光透射比和反射比来看，镀膜玻璃、贴膜玻璃和Low-E玻璃的性能比较好，最后是涂膜玻璃；从太阳光透射比、反射比和吸收比来看，首选镀膜玻璃，其次是贴膜玻璃、涂膜玻璃和Low-E玻璃；从太阳能总透射比来看，贴膜玻璃最小，其次是镀膜玻璃、Low-E玻璃和涂膜玻璃；从遮蔽系数来看，贴膜玻璃最好，其次是镀膜玻璃、Low-E玻璃和涂膜玻璃；从紫外线透射比和反射比来看，镀膜和贴膜玻璃较好，其次是涂膜玻璃和Low-E玻璃。

    2) 从玻璃幕墙的室内光环境研究角度出发，采用玻璃幕墙的建筑，由于窗墙面积比较大，室内照度过大，容易造成室内光环境恶化。相对而言，贴膜玻璃的照度最大值和最小值最小，但也比规范限值超标很多；4种玻璃对室内光环境影响从大到小排序为涂膜玻璃、Low-E玻璃、镀膜玻璃和贴膜玻璃。

    3) 从玻璃幕墙建筑的室内热环境角度出发，采用玻璃幕墙的建筑室内热环境较差，室内的全年累计冷热负荷都有较大程度的提高。从DeST-c的分析结果可以看出，不同幕墙玻璃对于室内能耗负荷的影响是不同的，4种玻璃对室内热环境的影响从大到小的排序为涂膜玻璃、镀膜玻璃、Low-E玻璃和贴膜玻璃。从冷、热负荷指标的对比可以看出，Low-E玻璃和镀膜玻璃虽然半球辐射率和遮蔽系数都非常大，但是对于北方需要利用玻璃进行太阳能供暖的建筑却不是十分合适。

    4) 综合以上实验和模拟的结果，得出如下建议：在南方地区，采用Low-E玻璃确实在遮阳方面效果良好，其次推荐选用的是各方面性能都不错的贴膜玻璃和镀膜玻璃，最后推荐涂膜玻璃。但是在一些北方地区，首先推荐采用的是贴膜玻璃，其次是镀膜玻璃、Low-E玻璃和涂膜玻璃。在调研过程中发现Low-E玻璃的价格偏高，是镀膜玻璃的3～5倍。另外贴膜玻璃的质量不易保证，所以推荐优先采用镀膜玻璃。