贴膜还是换玻璃
——上海金茂大厦玻璃幕墙节能探讨
[贴膜还是换玻璃？一直以来业内人们为此难下定论！为此，有关专家就中国最著名建筑之一上海金茂大厦的相关问题进行了研究，力图从理论上说明一些技术问题，值得我们学习探讨。]
上海金茂大厦玻璃幕墙总面积约10万m2，如何对这种超高层、大面积、外装饰的单元式玻璃幕墙进行节能改造，是全部更换为LOW-E玻璃，还是在原有玻璃上贴隔热膜，或者在内侧加一层真空玻璃？本文在简单介绍了金茂大厦玻璃幕墙结构的基础上，对其节能改造方案进行了探讨。
 
2007年3月底建设部副部长仇保兴在“第三届国际智能、绿色建筑与建筑节能大会”上表示：今后绿色节能建筑要成为国内建筑的主流。建设部将推行节能标志认证及相应的税收优惠政策来推广节能建筑。目前，新建建筑和原有存量建筑是否节能，不仅关系到能否缓解我国能源供求的紧张状况，而且关系到“十一五”节能降耗目标的实现。尽管2006年能耗首次出现减缓趋势，但今年两个月的能耗反弹，表明中国节能降耗形势依然严峻。作为三大用能领域的建筑业，节能降耗已刻不容缓。
对现有建筑节能改造，节能潜力最大，但挖掘难度相对较大。当前主要在特大城市和大城市，需要突出重点，进行政府办公建筑和大型公共建筑的节能运行与改造的试点。对金茂大厦玻璃幕墙的全面节能改造既是全国大型公共建筑的节能改造的试点，也是中国建筑节能与模式创新的开端。
建筑节能改造的重点是公共建筑，门窗及幕墙改造是建筑节能的关键，而其中的玻璃窗及玻璃幕墙节能改造则是重中之重。
一、 金茂大厦简介
金茂大厦建于1999年，高420.5m，地下3层，地上88层，总建筑面积29.万多m2。金茂大厦主楼3~50层为办公用房，53~87层为超五星级宾馆，88层为观光层，裙楼为金融、商业、服务、康乐等多功能设备。矗立在黄浦江畔的金茂大厦，是浦东改革开放的象征。但很少有人会想到，这幢超高层建筑，不仅是我国单位面积能耗最低的一幢大楼，同时也是我国能耗最多的商用建筑。
这样一栋功能多样的综合性现代化楼宇，其实际运行能耗是相当高的，金茂大厦每年的能源开支高达4000多万元，每天仅水、电、天然气等三种一次性能源费用就要10多万元。在这幢建筑面积近30万平方米里，每天有1.5万人上班、观光和生活，全封闭的大楼内空气流通和冷暖调节，全靠一台功率高达28000千瓦的空调，相当于在金茂大厦安装9000多台一般家用空调的功率总合。
据悉，上海市建委要求金茂大厦进行节能整改，原因是整个陆家嘴地区，金茂大厦已经成为了最大的电老虎，年耗电量惊人，对金茂大厦玻璃幕墙的全面节能改造，将降低陆家嘴地区电耗，改善大厦内部空调制冷效果不佳的现状，提升这幢标志性建筑的租售、旅游人气。
二、 金茂大厦玻璃幕墙
总投资54亿元的金茂大厦，采用20世纪90年代先进技术建造，大厦充分体现了中国的传统文化与现代高新技术的完美结合。即是中国古老塔式建筑的延伸和发展，又是海派建筑风格在浦东的再现。建筑平面呈正方形，立面外观为分段收缩，近似塔状，采用外装饰不锈钢的单元式幕墙，玻璃幕墙为单元式，大量采用中空玻璃和PA66穿条式隔热型材。
单元幕墙是以各个单元板块组件为基本构件单元，直接支撑在主体结构上，把这些单元板块组合起来构成面积的幕墙结构体系；相邻基本结构单元组件的竖框（立柱）互相插接，相邻横框（横梁）也互相插接，相互插接的立柱和横梁形成组合式网格梁系；组合式梁柱插接部位用弹性密封元件封闭并可相对位移形成补偿效应；基本板块单元分格尺寸为4000×1500，基本单元组件的饰面材料，包括采光玻璃、金属板、石材板、人造化学板材等及板块结构全部在工厂加工预制，施工现场只进行板块单元的组合安装。
三、 金茂大厦节能现状
金茂大厦1999年建成开业时，集成了上世纪90年代世界先进的节能设备；投入运营以后，金茂集团又投入了几百万元用于实施各种节能改造，2000年~2005年金茂大厦的能耗逐年下降。2003年，金茂集团聘请国际知名的能源评估公司Servidyne对大厦的能耗情况进行综合评估，评估公司对金茂大厦的能耗放在世界同类建筑的坐标体系上加以衡量，能源基准测试结果以有效运作设备及操作的能源指数来表明，金茂大厦得分为89分，大大高于美国“能源之星”合格分75，符合美国能源署“能源之星”获奖标准，虽然这一奖项从未颁给美国以外的建筑物。另外，君悦酒店的能源指数同世界上类似酒店的指数相比，处于低值范围内，而酒店所出高度带来的更多能耗又是其他酒店所不能比拟的。
为了将高额的能源成本降下来，金茂大厦采用一系列智能化的节能设备，一年节约电、天然气的金额达124万元。大厦内的白炽灯全部换成了节能灯，中央空调系统全部采用变频装置，宴会厅的空调只在宴会开始前的合适时间自动开启。金茂大厦每百元营业收入中，能耗费用已从2002年的5.96元降至2005年的4.82元，这其中包括能源单价不断上升的影响。
采用新节能设计标准，对上海金茂大厦能耗进行计算，结果是：上海金茂大厦总能耗特别大，夏天最高一天超过一百万，金茂大厦每年能耗是四千万到五千万，但是按照大楼出租率、酒店入住率和天气状况设定的“极限目标”，金茂大厦还有14%至20%的潜力可挖，金茂大厦目前基本达到了上海节能标准，正在朝着高性能（绿色）建筑节能的极限目标努力。
建筑节能包括新建（含改建及扩建）建筑节能和既有建筑节能改造。我国既有建筑面积400亿m2，其中大多数建筑不节能。
全国公共建筑面积大约为45亿m2，其中采用中央空调的公共建筑（商场、办公楼、宾馆）为5-6亿m2，而占既有建筑面积11%的公共建筑单位面积能耗大约是普通居住的建筑10倍左右，堪称耗能大户。
公共建筑门窗面积占建筑面积比例超过20%，公共建筑的幕墙的窗墙比一般大于50%，而透过门窗和透明幕墙的能耗约占整个建筑能耗的50%。建筑节能改造的重点是公共建筑，门窗及幕墙改造是建筑节能的关键，而其中的玻璃窗和玻璃幕墙节能改造则是重中之重。金茂大厦玻璃幕墙节能改造对全国既有建筑幕墙和建筑门窗节能具有重大的示范及推动作用。
四、 金茂大厦玻璃幕墙典型截面单元传热系数估计
既有建筑中的玻璃节能改造的办法只有三种选择：一是原有的玻璃换上节能玻璃；二是给原有玻璃贴上建筑用的隔热安全膜，三是内侧加装真空玻璃。现对幕墙典型单元三个节能改造方案传热系数估算如下：
1. 原始参数
立柱号：0115802
宽80mm，长4000mm，隔热条为2mm，每条厚2.5mm，高18mm，空气层厚3.8mm。
3.8+2.5+2.5=8.8 取9
横梁号：001 1729 0031729
宽280mm，长1500mm，隔热条为2mm，每条厚2.5mm，高18mm，空气层厚187.8mm。
187.8+2.5+2.5=192.8 取193
中空玻璃：8+12A+8 K玻=3.0W/（m2·k）
λ空气-空气当量导热系数（取0.3w/（m·k））
λPA66-材料的导热系数（取0.3w/（m·k））
计算公式为：
其中：K-建筑幕墙、门窗的平均传热系数，w/（m2·k）
k1、k2···kn-各个幕墙构件的传热系数，w/（m2·k）
F1、F2···Fn-各个幕墙构件的面积，m2。
φg-玻璃或其他镶嵌板边缘与框的组合传热效应所产生的附加线传热系数。
Lg-玻璃或其他镶嵌板的总周长
中空玻璃使用铝间隔条φg值为0.8 w/（m·k）
2. 未节能改造的幕墙典型单元传热系数估算
立柱：
横梁：
8+12A+8中空玻璃K玻=3.0
未节能改造的幕墙典型单元传热系数为：
上海是夏热冬冷地区，金茂大厦窗墙面积比大于0.5，传热系数没有达到《公共建筑节能设计标准》（GB-50189-2005）的规定（见下表）。
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围护结构部分 |
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传热系数k W/（m2·k） |
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屋面 |
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≤0.70 |
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外墙（包括非透明幕墙） |
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≤1.0 |
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地面接触室外空气的架空或外挑楼板 |
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≤1.0 |
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外窗（包括透明幕墙） |
传热系数k
W/（m2·k） |
遮阳系数SC（东、南、西向/北向） |
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单一朝向外窗（包括透明幕墙） |
窗墙面积比≤0.2 |
≤4.7 |
— |
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0.2＜窗墙面积比≤0.3 |
≤3.5 |
≤0.55/— |
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0.3＜窗墙面积比≤0.4 |
≤3.0 |
≤0.50/0.60 |
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0.4＜窗墙面积比≤0.5 |
≤2.8 |
≤0.45/0.55 |
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0.5＜窗墙面积比≤0.6 |
≤2.5 |
≤0.40/0.50 |
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屋顶透明部分 |
≤3.0 |
≤4.0 |
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有外遮阳时，遮阳系数=玻璃的遮阳系数×外遮阳的遮阳系数；无外遮阳时，遮阳系数=玻璃的遮阳系数 |
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3. 玻璃贴膜传热系数估算
若玻璃贴膜，若其传热系数：K膜=6 W/（m2·k）
R膜玻=R膜+R玻=1/K膜+1/K玻=（1/6+1/3）W/（m2·k）=0.5 W/（m2·k）
K膜玻=1/0.5 W/（m2·k）=2 W/（m2·k）
则贴膜以后幕墙典型单元传热系数：
K单贴=[（0.28×4×1.5+0.08×2×4）×1.7+（1.5×4×2）+0.08×11]÷[（0.28×4×1.5+0.08×2×4）+1.5×4]=2.07 W/（m2·k）
从估算可以看出：贴膜以后金茂大厦窗墙面积比＞0.5，传热系数能够达到《公共建筑节能设计标准》（GB-50189-2005）的规定。
4. 换成LOE中空玻璃单元传热系数估算
LOE中空玻璃单元传热系数KLOE=1.8 W/（m2·k）
换成LOE中空玻璃幕墙单元传热系数：
KLOE=[（0.28×4×1.5+0.08×2×4）×1.7+（1.5×4×1.8）+0.08×17] ÷[（0.28×4×1.5 +0.08×2×4）+1.5×4]=1.93 W/（m2·k）
换LOE中空玻璃不仅价格昂贵，而且传热系数比贴膜方案改善不大。金茂大厦是外装饰不锈钢的单元式幕墙，要换玻璃无异于重新安装，无可行性。
5. 内层加真空玻璃传热系数估算
单膜真空玻璃（4L+0.15V+4）传热系数K真空=1.12 W/（m2·k）
幕墙典型单元传热系数：
内层加真空玻璃传热系数为：
KLOE=[（0.28×4×1.5+0.08×2×4）×1.7+（1.5×4×1.12）+0.08×17]÷[（0.28×4×1.5+0.08×2×4）+1.5×4]=1.46 W/（m2·k）
内层加真空玻璃传热系数改善较大，但价格较贵，要和内装结合来进行。
6. 单玻璃幕墙非隔热型材典型单元传热系数
0115816号型材是采用10mm单层玻璃，不是隔热型材。
10mm单层玻璃传热系数：K单玻=6 W/（m2·k）
非隔热型材传热系数：K非隔=6 W/（m2·k）
为计算可对比，其分格和型材尺寸同上。
１）单玻幕墙非隔热型材典型单元传热系数：
K单玻典=[（0.28×4×1.5+0.08×2×4）×6+（1.5×4×6）+0.08×17]÷[（0.28×4×1.5+0.08×2×4）+1.5×4]=6.12 W/（m2·k）
２）则贴膜以后单玻璃幕墙非隔热型材典型单元传热系数：
K单玻贴=[（0.28×4×1.5+0.08×2×4）×6+（1.5×4×2）+0.08×17]÷[（0.28×4×1.5+0.08×2×4）+1.5×4]=3.34 W/（m2·k）
传热系数超过《公共建筑节能设计标准》（GB-50189-2005）的规定，不可行。
３）换成LOE中空玻璃单玻幕墙非隔热型材典型单元传热系数：
K单玻LOE=[（0.28×4×1.5+0.08×2×4）×6+（1.5×4×1.8）+0.08×17]÷[（0.28×4×1.5+0.08×2×4）+1.5×4]=3.24 W/（m2·k）
传热系数超过《公共建筑节能设计标准》（GB-50189-2005）的规定，比贴膜改善不大，价格昂贵，幕墙重做重装，不可行。
４）内层加真空玻璃单玻幕墙非隔热型材典型单元传热系数：
K单玻LOE=[（0.28×4×1.5+0.08×2×4）×6+（1.5×4×1.12）+0.08×17]÷[（0.28×4×1.5+0.08×2×4）+1.5×4]=2.77 W/（m2·k）
当窗墙比≤0.5传热系数达到《公共建筑节能设计标准》（GB-50189-2005）的规定，要和内装结合来进行。
五、 现有建筑中的贴膜玻璃的节能改造
建筑玻璃贴膜是由优质的聚酯（PET）膜与金属镀膜层通过真空磁射喷涂工艺粘合压制而成，能为各种类型的玻璃提供优良的阳光控制功能，建筑玻璃贴膜大致分为三大类：建筑隔热膜以节能为主要目的，附带隔紫外线和安全防爆功能，这种建筑隔热膜类分为热反射膜和低辐射膜。
热反射膜（又称阳光控制膜）贴在玻璃表面使房内能透过一定量的可见光，高红外线发射率IR，低太阳能热量获得系数SHGC，在炎热的夏季能保持室内温度不会升高太多，从而降低室内空调用电费用。
低辐射膜（又称LOW-E膜）能透过一定量的短波太阳辐射能，是太阳辐射热（近红外线）进入室内，同时又能将90%以上的室内物体热源（如暖气设备）辐射的长波红外线（远红外线）反射回室内，LOW-E膜能充分利用室外太阳短波辐射及室内热源的长波辐射能量，因此在寒冷地区采暖建筑中使用可起到保温节能的明显效果。
上海是冬冷夏热地区，建筑节能改造既有考虑冬天保温，又要考虑夏天的隔热，LOW-E膜是低辐射膜，在实际应用中的主要作用是反射热能中的近红外线（即室内产生的热能反射回去不容易通过玻璃散发出去）。因此在保温方面的效果十分显著，通常也适用寒带地区。LOW-E膜对远红外线并没有很有效的阻隔作用，夏季隔热作用不明显，所以在上海不宜使用这种膜。建议采用隔热膜，隔热膜的主要作用是通过膜层中的高科技涂层反射太阳热能中的远红外线，并且涂层中的一些成分阻碍了紫外线的照射。这种膜与LOW-E膜的工作原理是不同的，市场上还有种产品叫隔热LOW-E膜，那是为了顺应市场的需要，但它的缺点是有镜面反射，实为隔热，虚LOW-E。
六、 上海市政府对使用贴膜玻璃比较重视
上海市政府对使用贴膜玻璃比较重视，上海市建委、科委、建材办等单位，于1997年组织对“节能安全玻璃膜”进行了专项课题研究。对玻璃膜的抗冲击强度、耐老化性能、光学性能、防紫外线性能等进行了对比测试。同时选用贴膜玻璃的房间和普通玻璃的房间对隔热、节能性能进行了对比测试。研究结果表明，贴膜玻璃可以阻挡95%以上的太阳紫外线，还可以增强玻璃韧性和抗冲击强度，减少玻璃对人造成的无故伤害。
隔热节能对比测试结果表明，在室外温度38-39℃时，用贴膜玻璃的房间比用普通玻璃的房间的室内温度可降低3.5℃。对空调节电测试结果表明，两个条件相同的16m2的房间，用贴膜玻璃的房间比用普通玻璃的房间节电0.24度/日。专项课题研究报告指出，若以16m2面积住房每天节电0.24度计算，上海全市6040万m2住房的居住面积每天可节电894800度，若按民用电0.61元/度计算，每天可节省电费54万元。现有建筑中非安全玻璃贴膜后可升级为安全玻璃，换节能玻璃与贴隔热膜的成本比较。
案例：某展览中心大厅点支式幕墙用12mm钢化透明玻璃，若换为12mm热反射镀膜钢化玻璃，材料成本为210元/m2、旧玻璃拆装成本为70元/ m2，总改造费用合计为280元/ m2。若更换两块10mm厚度中空12mmLOW-E中空玻璃，则材料成本为375元/ m2，加上拆装成本70元/ m2，则合计为445元/ m2。
采用加贴热反射膜方法，材料成本为100-130元/ m2，装贴费用30元/ m2，合计为130-160元/ m2，贴热反射膜成本为换热反射玻璃成本的50%左右。
七、 有关贴膜玻璃的标准
1.日本1988年出台了JISRA5759《窗玻璃用贴膜》，该标准对薄膜的透射比、反射比、防玻璃飞散等性能做了规定，这些性能均是将薄膜贴在一定厚度的玻璃上进行测试的。欧美国家虽然也广泛采用薄膜，但对膜本身也未制定有关标准和技术要求。中国与1991年开始使用贴膜玻璃，主要用于银行门窗、商场门窗及摆放贵重物品的橱窗玻璃、高层建筑玻璃幕墙等。1996年，国家建筑材料工业局以建材生产（1996）121号文，委托中国建筑材料科学研究院玻璃所负责《窗玻璃用贴膜》（后易名为《贴膜玻璃》）行业标准的制订工作。1996年10月30号，上海市政府发布的《上海市建筑物使用安装安全玻璃规定》中明确指出，在幕墙、各天棚、吊顶、观光电梯、室内隔断、倾斜装配窗；楼梯、阳台、平台走廊的栏板和中庭内饰板；水族馆和游泳池的观察窗、观察孔；公共建筑的出入口、门厅等部位必须使用“原片玻璃通过加工处理或者与其他材料复合，增加强度、减少破碎危险”的安全玻璃。在穗建材[1999]434号文件要求的基础上，作出如下补充规定：对于在434号文规定实施之前（2000年6月1日以前）已建成的建筑物或构筑物中，应使用安全玻璃的部位但已使用普通玻璃的，可采用符合行业标准《贴膜玻璃》（JC846-1999）要求的贴膜材料对普通玻璃进行贴膜改造，以改善其安全性能。
2.贴膜玻璃JC846-1999 [注：已于２００７年６月进行全面修订，我公司全面参与，目前该标准正在审批中]
原国家建筑材料工业局1996年6月7日发布，1999年9月1日实施。适用于建筑用贴膜玻璃。
定义：贴膜玻璃是贴有有机薄膜的玻璃制品。在足够强的冲击下将其破碎，玻璃碎片能够粘附在有机膜上，不飞散。如果被击穿成一个洞，洞的边缘不应有未贴膜时的锯齿状。
分类：Ⅰ类贴膜玻璃、Ⅱ类贴膜玻璃、Ⅲ类贴膜玻璃
标准规定的质量检验项目：尺寸及偏差、外观质量、透射比、反射比、紫外线透射比、耐辐照、抗磨性、抗冲击性、霰弹袋冲击性能、抗风压性能（由供需双方商定是否检验或验证是否符合设计要求）、耐酸性、耐碱性、耐温度变化性、耐燃烧性。
3.上海市工程建设规范《住宅建筑围护结构节能应用技术规程》（DG/TJ08-206-2002）
附录G 建筑节能膜性能（标称值）
建筑节能膜是用于建筑物外窗或幕墙玻璃粘贴的一种功能膜，是一种带有安装胶层的复合聚酯薄膜。建筑节能膜的粘贴可改变建筑玻璃的遮阳系数、传热系数等多项功能。
本文摘自建设部幕墙门窗标准化技术委员会专家组长中国建筑装饰协会幕墙工程委员会专家组专家 龙文志的文章 |