建筑功能玻璃与绿色生态建筑-中国窑炉信息网

众所周知,晶莹透明的建筑平板玻璃断面(因含铁量高)呈现出绿色,但门窗玻璃问世之初,谁也未曾想过这有绿色的玻璃会与绿色生态建筑和社会可持续发展有什么关系。玻璃门窗是在居室中的人类与大自然亲近交融的渠道,就像人的眼睛一样。因此,长期以来,人们对门窗玻璃在隔热保温方面的缺点视而不见,多能容忍。在建筑节能方面,过去主要重视建筑外围护墙体和屋面的节能保温,限制和淘汰“秦砖汉瓦”。但是,在社会可持续发展的重要性和紧迫性越来越突出的今天,玻璃门窗散热占了整个围护结构的1/3甚至更多的事实迫使人们不得不重视玻璃门窗对节约建筑使用能耗的作用。而且随着建筑生态和绿色化的发展以及不断提高的健康、舒适和节能环保的要求,现在人们对玻璃门窗的功能要求远远超出了基本的采光、透明、遮风挡雨等基本功能。
　　在欧洲,节能玻璃如低辐射玻璃的使用已经在许多国家标准化和法制化。据了解,德国1995年就已制定了有关建筑节能的规定,推进低辐射玻璃窗的标准化使用,英国也在制定有关标准规范。现在北美生产的窗户90%都是中空玻璃窗,而且这一比率还在上升。美国大约20%的窗户使用了低辐射玻璃,这一比率在未来5年内预计会大幅上升到50%。由于采取了包括节能窗户在内的节能措施,德国尽管30年来供热住房面积增加许多,但用于供热的总能源消耗几乎没有增长,原西德地区每平方米供热耗能比1973年减少了约30%。
　　现代绿色生态建筑,从建筑物的门窗、幕墙到屋顶结构等,太阳能利用从光-热转换、光-电转换到建筑物整体的隔热保温、居室采光调温和建筑环境舒适美化等,都需要各种各样功能的玻璃。可以说,玻璃在现代绿色生态建筑的发展中发挥着不可或缺而且越来越大的作用。了解功能玻璃材料科技与产品的发展及其在生态建筑中的应用,无论是对绿色生态建筑设计,对实现健康、舒适的居家环境,还是对社会可持续发展方面,都是必要和重要的。
　　现代建筑功能玻璃的发展及其应用
　　玻璃的不同性能与功能主要是通过玻璃表面改性、玻璃本体改性和玻璃与功能材料的复合实现的。玻璃材料科学技术的发展为当代建筑师提供了越来越多的满足建筑绿色生态化要求的建筑玻璃产品,包括镀膜玻璃、表面自洁净玻璃、高透明度白玻璃、调光着色玻璃、钢化玻璃、防火玻璃等及其复合的多功能玻璃门窗产品。
　　1玻璃镀膜与低辐射玻璃(Low-E玻璃)
　　现在人们熟悉的具有隔热、节能效果的低辐射建筑玻璃是通过在玻璃表面镀膜实现的。采用表面镀功能膜的方法相对于对玻璃本体改性具有许多优点,如可利用普通浮法玻璃作原片,避免特种玻璃熔制、成型的困难,可利用同一种玻璃生产不同功能的产品,可通过对镀膜材料的改性来设计所需玻璃的性能等。镀膜玻璃有两大类:热反射玻璃(也称太阳能控制玻璃)和低辐射率玻璃(也称Low-E玻璃)。
　　热反射玻璃的制备可采用在线热喷涂镀膜法、气相沉积镀膜法、电浮法工艺,或采用离线热喷涂镀膜法、真空磁控溅射法、凝胶镀膜法等工艺。表面膜的组成可以为一层或几层金、银、铜、镍、铬、铁及上述几种金属的合金或金属氧化物薄膜。热反射玻璃的主要作用是隔热和遮蔽阳光,阻止太阳能进入室内。但由于其对可见光-非可见光的选择性透过率不高,使用范围受到限制,主要用于非民居建筑上。
　　低辐射镀膜玻璃的生产也可采用在线镀膜和离线镀膜工艺。在线镀膜工艺利用生产线上玻璃自身的高温热量将喷涂到玻璃表面上的化合物进行分解,形成作为玻璃表面组成部分的氧化物膜层,这种膜也称为硬质膜或在线膜,其特点是:膜层较硬,牢固度好,耐磨性强,不易被划伤破坏;能像普通平板玻璃一样长期储存,并且加工性能好,可钢化,可热弯曲,膜的性能不易退化;既可暴露在环境中单片使用,也可制成中空玻璃、夹层玻璃使用。玻璃在线镀膜技术成熟于1985年,由皮尔金顿(Pilkington)公司实现并已在德国的Gladbek公司等的浮法线上批量生产。离线镀膜工艺是对玻璃原片产品进行表面镀膜,采用真空磁控溅射镀膜等工艺,将膜材料逐层溅射沉淀到玻璃表面形成薄膜,这种膜也叫软质膜或离线膜。相对在线膜而言,离线膜存在膜层较软,耐磨性和牢固性较差;对湿度较敏感,不宜长期存放;暴露在空气中可能被腐蚀等弱点,因此,必须加工成中空玻璃,与暴露环境隔离。另外,玻璃加工的一些工艺,如平弯钢化,必须在镀膜之前完成,以避免镀膜损坏。
　　低辐射玻璃具备良好的光选择性透过性能,不但隔热效果良好,而且具有较高的可见光透过率。事实上低辐射玻璃窗一般都采用中空玻璃结构,而不单片使用。这不仅因为膜层需要保护(特别是软质膜),而且因为在冷天,单层玻璃窗的内侧往往会结露,这层薄薄的水膜会妨碍低辐射膜对远红外线的反射从而影响其保温性能。一般制作中空玻璃时,镀膜面作为玻璃窗空腔的内表面并朝向室外。
　　如果在低辐射膜层上增加银层厚度及银层上面的保护金属膜的厚度,则可形成具有阳光控制功能的低辐射玻璃(Sun-E玻璃),其制造工艺与低辐射玻璃相同,只是膜层结构不同而已。
　　由镀膜玻璃复合组成的中空低辐射玻璃主要有以下性能特点:
　　高可见光透过率。可见光透过率是玻璃窗的重要性能,高透过率玻璃可降低对室内电采光的需求。普通建筑玻璃的可见光透过率一般为80%～90%。镀膜低辐射玻璃的可见光透射率有所降低,一般为70%左右。但皮尔金顿公司的在线镀膜低辐射玻璃单片的可见光透过率已达到82%。
　　高红外线反射率。低辐射玻璃对近红外辐射(波长0.8～3μm)的反射率一般在20%～75%之间,对远红外辐射的反射率更高,能达到90%。图2为皮尔金顿公司两种低辐射玻璃对太阳光能不同的阻隔效果。其中节能型低辐射玻璃不仅具有高的可见光透过率,而且对红外辐射的反射率非常高。从图3的对比可见,普通中空玻璃对进出室内外的辐射热量传输大致相同,这不仅允许太阳辐射能大量进入室内,而且也允许室内热量大量向室外散失。利用低辐射镀膜玻璃(Low-E玻璃)对红外辐射的反射性能制作的节能型中空玻璃门窗,白天能大量接受太阳的可见光和一部分近红外线进入室内,有利于提高室内温度。晚上室外温度低于室内时,室内的物体、墙体发射的远红外线,被玻璃窗的低辐射玻璃反射回室内,从而起到保温作用。阳光控制低辐射玻璃(Sun-E玻璃)可见光透过率进一步降低,对辐射热的热阻性能更好。与用普通透明玻璃制造的中空玻璃的U值(传热系数)2.8W/m2k相比,低辐射玻璃的U值可降低至1.8W/m2?k。由一片低辐射玻璃和一片普通无色透明玻璃组成的中空玻璃的保温性能比普通双层中空玻璃高50%左右。
　　低辐射玻璃门窗由于具有隔热、节能的效果,在实现生态建筑方面的优越性很突出。表1为不同玻璃门窗因节能不同对二氧化碳和二氧化硫排放的不同影响。可以看出,低辐射中空玻璃对二氧化碳和二氧化硫减排的效果是非常显著的。
　　2.玻璃本体着色与阳光调控玻璃
　　在玻璃熔化时加入着色成分,特别是加入在可见光区(400～700nm)有显著吸收效应的着色成分后,可制成具有不同颜色的玻璃。玻璃的着色大体可分为含着色离子(过渡金属离子或稀土离子)、含某种胶体粒子以及由紫外线或放射线辐射而引起的着色。着色玻璃可用来制作阳光调控玻璃。阳光调控是指通过玻璃控制来自太阳直接辐射进入室内的热流(在光谱上靠近可见光的短波能量)。阳光调控玻璃一般是采用着色玻璃并与镀膜玻璃组合构成的中空玻璃,外层着色玻璃的功能是吸收太阳热能,内侧玻璃的镀膜表面则将热能辐射到室外,通过吸收或反射部分阳光的能量来实现对入室阳光控制。阳光调控性能用太阳热量获得系数(SHGC)来度量。表2比较了皮尔金顿公司的普通透明玻璃、低辐射中空玻璃和阳光控制中空玻璃的性能。其中,6mm阳光控制低辐射玻璃能吸收48%的太阳热能,达到太阳热量获得系数降低到0.52的理想效果。表3是透明浮法玻璃与着色浮法玻璃性能比较。各种着色浮法玻璃的阳光辐射热的总透过率较透明浮法玻璃有很大降低。
　　玻璃本体着色不仅用来吸收阳光,而且可通过对玻璃颜色的选择达到建筑美学和室内环境舒适的要求。普通玻璃与着色玻璃吸收太阳能辐射热比较如图4所示。不同颜色的玻璃对不同波长的入射光线有不同的吸收率。据资料介绍,皮尔金顿公司开发的北极蓝玻璃(PilkingtonArcticBlueTM)具有高日光透射性、良好的阳光控制和舒适柔和的冷色调;绿色玻璃(PilkingtonEverGreenTM)具有显著的遮蔽作用,冷指数达到1.12;超灰玻璃(PilkingtonSu-perGreyTM)可使得强烈的日光变得柔和,增强了对隐私环境的保护。常见的着色玻璃还有茶色、海蓝色等。从改善居家环境的角度,玻璃窗的滤紫外线性能也是重要的。因为紫外线辐射会造成室内家具、装饰装修材料和其他物品的褪色和老化。通过阳光调控玻璃可大量过滤掉紫外线,如皮尔金顿公司的SuperGrey玻璃能滤掉99%的太阳光中的紫外线。事实上,可以在一个很大的选择范围内构造中由不同的镀膜反射玻璃和着色玻璃组合的中空玻璃。可以说,在建筑美学和阳光控制性能方面的选择几乎没有限制,能满足不同地区对建筑节能和室内光线环境的不同要求。图5为皮尔金顿公司提供的一组对比数据,由此可见,不同着色玻璃对不同光线有不同的阻隔效果。
　　3.脱色(超白)玻璃与太阳能建筑
　　人类社会可持续发展必须利用太阳能等绿色能源,而太阳能的利用离不开玻璃材料。太阳能建筑是充分利用建筑物的表面和空间,把太阳能光-电和光-热转换装置与屋面和墙体构造结合起来的绿色生态建筑,如玻璃幕墙和屋面,再加上包括玻璃门窗在内的保温节能维护结构设计,实现绿色生态和太阳能建筑(见图1)。最近由意大利著名建筑设计师设计的清华大学生态楼也同样体现了这样的设计思想。太阳能建筑不仅节省了对地球珍贵化石能源的消耗,降低了对环境的污染,改善居室环境,同时为现代建筑也提供了一种新的美学装饰效果。
　　太阳能光电玻璃幕墙中的太阳能转换硅片是密封在双层钢化玻璃之中的,因此玻璃的透光率直接影响到太阳能的利用效率。为提高对阳光的透射率,英国皮尔金顿公司等发展了被称为玻璃家族中“水晶王子”的超白玻璃(低铁玻璃),该玻璃有望在10年之内成为太阳能建筑中的主流玻璃材料。用超白玻璃制作的太阳能光电转换发电装置,已在悉尼奥运工程建设中得到大量应用,奥体中心的19个照明灯塔、运动员村的家庭太阳能发电和热水装置等成为悉尼奥运的主要绿色标志。我国位于深圳高新技术产业园区的方大集团科技中心大厦工程,采用的光电幕墙有效面积达93.8平方米,设计峰值发电功率为10.3千瓦,建筑标高为97米,是我国第一幢光电幕墙建筑。
　　超白玻璃可以像其他的浮法玻璃一样进行钢化、弯曲、夹层、中空装配等。超白玻璃和普通浮法玻璃的主要技术性能的比较见表4。表中数据说明超白玻璃的太阳能透过率较普通浮法玻璃有明显提高。
　　4.纳米材料与自洁净玻璃
　　现代建筑的玻璃幕墙以其明亮的色彩、晶莹透亮的质感及其反射出的大自然景象,常使人们赏心悦目,心旷神怡。但是空气污染会使玻璃幕墙表面逐渐失去光彩,甚至变成“视觉污染”。玻璃幕墙表面清洗已成为玻璃幕墙建筑日常维护的难题。现代材料科技特别是纳米材料技术的发展和自洁净玻璃的开发使这一难题得到解决。
　　自洁净玻璃与普通玻璃的不同在于其表面有一层纳米级微粒和纳米级微孔结构的TiO2的光催化薄膜。在阳光中紫外线的作用下,光催化剂产生具有强氧化能力的电子空穴对,能将玻璃表面几乎所有的有机物逐渐分解、松散和溶解,直至完全氧化,降解为能被雨水冲走的无害物。玻璃经雨水冲刷后便可自洁。除玻璃幕墙以外,自洁净玻璃也已被用于其他用途,如灯具灯罩、厨房玻璃、玻璃镜、汽车玻璃等。
　　在玻璃表面形成纳米级TiO2的光催化薄膜有不同的方法。我国一些研究开发机构采用对成品玻璃表面后处理的方法,如采用凝胶-溶胶方法或溅射方法镀膜。但是,这层暴露在环境中的表面镀膜的保护和耐久性存在问题。据资料报道,皮尔金顿公司在平板玻璃生产线上采用一种化学蒸汽冷凝的方法将二氧化钛光催化剂涂膜溶入玻璃表面,使之成为玻璃表面的组成部分。这种镀膜具有表面不会剥落与分离,存放无时间期限,不会氧化或变色,对玻璃进行切割、钢化、夹层等加工时也不必担心破坏表面膜,并且对液体和清洗剂也具有抗腐蚀性等优点。
　　5.玻璃变色与智能调光玻璃
　　前已述及,玻璃的透光率与玻璃的颜色有关。但是,每一种着色玻璃对透光率的调节都是一定的。人们希望玻璃能随着阳光的强度变化自动调节透光率,从而使室内光线强度随着阳光的变化保持在最佳范围。通过对玻璃本体材料改性,使玻璃的颜色能随着阳光的强弱改变,从而实现对阳光的调控,这种玻璃称之为光致变色玻璃。例如在普通玻璃组成中添加银和碱金属卤化物,并引入少量的氧化铜或氧化镉等组分制成的玻璃,在强光照射下产生深色效应,光线减弱后玻璃颜色又恢复原状。光致变色玻璃的主要弱点是玻璃的变色受光的均匀性影响,如树、电杆、建筑物等的阴影会造成表面明暗不匀的现象。
　　智能调光玻璃,又称为电致变色玻璃,则是通过控制玻璃夹层中电致变色材料的电流大小(有的用电场方向)来控制玻璃变色和颜色深浅度,可在较大范围内调节玻璃的透光率和入室阳光的强度,使室内保持光线柔和,舒适宜人。由于具有可调性,智能调光玻璃还用于需要保密或隐私防护的建筑场所,由其制成的窗玻璃相当于有电控装置的窗帘一样方便自如。据资料报道,皮尔金顿公司研制出一种建筑用电致变色玻璃,玻璃表面镀了一层氧化钨膜,通过电压控制,可使玻璃产生由完全透明到深蓝色等各种颜色变化。室外阳光强时,玻璃颜色变深;阳光弱时,玻璃颜色随之变透明。目前电致变色玻璃窗制造成本很高,其应用受到限制。
　　6.玻璃增强与安全玻璃
　　微观上,普通玻璃的表面上存在许多微小的裂纹或者其他表面缺陷,当受到外力作用时,由于微裂纹造成应力集中,致使裂纹产生扩展,最终导致玻璃破碎,普通玻璃的这种表面缺陷在大面积应用中可能产生安全问题。
　　俗称玻璃钢化的增强方法是将玻璃加热到低于玻璃软化的一定温度(约650℃)后进行均匀快速冷却,使玻璃表面相对于外部快速冷却,从而在玻璃表面建立压应力,大大提高了玻璃的强度和热稳定性。钢化玻璃的抗冲击强度是普通玻璃的3～5倍,抗弯强度是普通玻璃的2～5倍。钢化玻璃能经受的温度突变范围是250℃～320℃,而普通平板玻璃仅为70℃～100℃。玻璃的钢化也可采用化学钢化方法。
　　强度提高意味着安全性提高,在受到相同外力撞击时,玻璃破碎的可能性大大降低。钢化玻璃的另一个突出优点是:当玻璃受过大外力而破碎时,由于受到内部张应力的作用,应力瞬时释放,整块玻璃完全破碎成细小的颗粒。这些颗粒质量轻,不含尖锐的锐角,极大地减少了玻璃碎片对人体产生伤害的可能性。如果将钢化玻璃与PVB(聚乙烯醇丁醛)层压在一起,形成一种夹层钢化玻璃,其安全性能会更好。
　　钢化玻璃在建筑上的应用日趋广泛,不仅作为大面积的玻璃门窗,也用作墙体、屋面等维护结构。澳大利亚规定面积超过1平方米以上的玻璃必须使用钢化玻璃,以确保安全性能。
　　结束语
　　可持续发展和循环经济是人类社会发展的必由之路。发展绿色生态建筑是实现可持续发展的重要内容。绿色生态建筑的许多功能都是通过各种建筑功能玻璃实现的。此外,建筑玻璃材料自身的绿色度较高,废弃后重复利用或资源化再生的程度很高,回收利用时,储存在玻璃态中的能量也得到再利用。
　　可以预见,建筑节能和建筑生态化的要求将与时俱进,越来越高,建筑功能玻璃在窗、屋面和墙体等建筑结构中所占比率也会越来越大。而且随着材料科学技术的发展,新的建筑功能玻璃将不断涌现和得到广泛应用,如防火玻璃、电磁屏蔽玻璃等。功能玻璃材料与玻璃建筑结构在实现建筑安全、节能、防火、舒适、装饰、自洁、健康等绿色生态功能方面的发展前景不可估量。