采光屋面透光材料的应用与研究综述

祁 冰， 范 立， 常建国， 孙旭灿， 王 放

（1.河南省建筑科学研究院有限公司，郑州 450053； 2.河南省住房和城乡建设厅，郑州 451464）

天然光环境是人类视觉中最舒适和亲切的环境. 研究表明，室内良好的天然光环境能够纾解人们紧张情绪、提高工作效率，对人类生理和心理健康都有着很大的促进作用［1-2］. 同时，有效的天然采光设计可以在一定程度上降低建筑照明、制冷和采暖能耗，在建筑节能方面意义重大［3-4］.

随着大进深大空间建筑的不断涌现，为了使建筑空间内部能够获得充足的天然光照明，屋面采光成为其常用形式. 屋面作为建筑最上层覆盖的外围护结构，为建筑的耐久性和安全性提供保证，而且成为防水、节能、环保、生态及智能建筑技术发展的平台. 采光屋面作为以天然采光为目的的功能屋面，也有着发挥建筑形态塑造、色彩呈现、意境表达、艺术创造等功能，因此采光屋面对透光材料也有着较为特殊的要求.

近年来，采光屋面设计越来越趋于多样化、复杂化，建设工艺和技术也越来越高，透光材料也日趋丰富［5］.玻璃在采光屋面中应用最早也最为广泛. 聚碳酸酯板和ETFE膜材料在采光屋面应用推广上也很迅速，出现了很多工程实例. 本文对采光屋面透光材料应用现状作以综述，同时对几种典型透光材料的应用与研究进展进行梳理.

1 采光屋面透光材料应用与研究现状

1.1 屋面玻璃

作为一种脆性材料，安全性是玻璃在采光屋面上应用的首要考虑. 由于在屋面上的应用比在幕墙和窗上有着更严格的要求，各国均规定采光屋面需要使用安全玻璃.

钢化玻璃和夹层玻璃同属安全玻璃范畴. 多项研究表明［6-7］，钢化玻璃的自爆问题使得其在屋面上的应用存在较大风险，因为一旦自爆对下部空间人们头部威胁很大. 而夹层玻璃在能抵挡意外撞击的穿透的同时，碎片也会和夹层胶片结合一起，降低了跌落的风险. 我国最新标准《建筑玻璃应用技术规程》［8］和《建筑玻璃采光顶技术要求》［9］中已经舍弃钢化玻璃，统一采用夹层玻璃作为玻璃采光顶的面板材料.

采光屋面用夹层玻璃可以是平板玻璃、热反射玻璃、低辐射玻璃、着色玻璃等原片的复合，也能够以基本单元复合成夹层中空玻璃和夹层真空玻璃，可以根据建筑需求进行不同的选择.

普通透明平板玻璃具有良好的透光性能，但其传热系数较大，不利于节能. 中空玻璃和真空玻璃通过中空层和真空层的设计，能够有效提升玻璃热工性能. 彭小云［10］、许海凤等［11］学者研究表明，Low-E玻璃具有传热系数低和反射远红外线的特点，无论是对传热耗能，还是太阳辐射耗能，都有非常大的降低. Zheng等［12］研究表明，双银Low-E玻璃比中空玻璃在夏热冬暖地区的采光屋面中有着更好的隔热和节能效果.

1.2 聚碳酸酯板

聚碳酸酯板又称为阳光板，早期被用于广告灯箱、公路声屏障等，有着廉价和临时性的印象. 近些年来，聚碳酸酯板在采光屋面建筑中应用越来越广泛，例如用于工业厂房、体育场馆和航空港等建筑中.

聚碳酸酯板的最佳性能之一是高抗冲击性. Moretti等［13］总结发现，其该项性能最多可以比普通钢化玻璃高200倍以上. 同时数据显示，聚碳酸酯板的密度不到普通玻璃密度的一半，质量轻，可以节省运输、安装以及支承框架的成本.

顾书英等［14］对聚碳酸酯板在建筑领域的应用进行了探讨. 结果表明，聚碳酸酯板具有很好的加工性能和设计多样性，可依设计图在工地现场采用冷弯方式，安装成拱形、半圆形等曲线结构. 此外设计师可以根据需要选用不同颜色、不同透明度的产品，从而设计出具有各种艺术效果的建筑风格.

聚碳酸酯中空板在采光屋面上应用较多，韩煜资等［15］测试表明其透光率最高可达到82%，与普通透明玻璃的透光性相当. 同时自然光透过聚碳酸酯中空板材进入室内后会形成柔和的漫射光，避免产生眩光. 中空板在热工性能上与典型中空玻璃相当［14］，如：3X/16 mm 多层板传热系数值为2.2 W/（m2·K），比6+9+6中空透明玻璃传热系数2.87 W/（m2·K）略小.

资料显示［16］，聚碳酸酯板与钢材、铝合金等支承型材的物理性能差别较大，例如聚碳酸酯板的热膨胀系数约为普通玻璃的7倍. 如此，一旦工艺不当容易导致板材腐蚀、黏接破坏、接缝形变，轻则引发渗漏，重则危及屋面结构安全. 高树鹏［17］和曾荣［18］等学者提出，合理的屋面布局设计、设置合适的胶缝宽度、选择具有相对位移能力和黏结性好的密封胶，是保证聚碳酸酯板屋面工程防水功能的重点.

1.3 ETFE膜

ETFE膜是乙烯和四氟乙烯共聚而成的半结晶性含氟聚合物的膜结构，在国外应用较早，国内的应用起步于2008年北京奥运会场馆的建设.

资料显示［19］，ETFE单层膜厚度通常为0.05～0.25 mm，每平方米只有0.15～0.35 kg，是极为轻质材料. 同时，在力学性能上，ETFE膜延展性能好，具有极佳的张力和延展性，屈服强度和断裂强度都较高. 郭晓娟［20］的研究表明，相比于玻璃屋面耐受不住冰雹冲击而破坏，ETFE膜屋面仅仅留下一点凹坑，具有很好的安全性能.

ETFE单层透明膜的可见光透过率非常高，在95%以上. ETFE气枕可以通过在不同层膜表面进行图案印刷对透光率起到选择和控制，在起到遮阳作用的同时，能够承现出五彩缤纷的视觉效果［21］. 此外ETFE膜材料有着较好的保温隔热性能. 林琦等［22］对“水立方”ETFE膜导热系数进行了测定，结果为0.10 W/（m·K），不到绝热材料阈值0.23 W/（m·K）的一半，属于良好的绝热材料.

张英［23］认为，ETFE膜结构已经达到其他传统材料结构所相当的保温、采光、节能等功能，或者有更优秀的表现. 同时鉴于其良好的耐候性和自洁性，有学者［24］认为ETFE膜材料的使用寿命在25年以上，是大型采光屋面理想材料. 随着越来越多的建筑设计师开始接触这种优异的材料，ETFE膜在国内外大型公共建筑屋面与幕墙领域得到较快推广. 表1为国内外大型ETFE膜屋面工程举例.

表1 国内外大型ETFE膜屋面工程Tab.1 Large ETFE membrane roofing projects in the world

工程实例表明［25-26］，ETFE膜多层膜气枕形式应用于建筑中，施工工艺较为复杂，一次性投资高. ETFE气枕首先需要完整的膜剪裁、热合、成型、预充气等工序，在支承结构完善以后，还要对每一个气枕安装充气系统，包括充气管路、充气泵、电气控制等. ETFE气枕系统在使用过程中，也需要机械设备和电气设备持续监控和补充气压，维修保养也比较复杂.

中国科学技术大学钱景［27］对ETFE膜材的制备进行梳理表明，目前我国大部分企业对ETFE膜的研发还处于实验室研制阶段，距离实现ETFE材料的商品化仍有一定差距. 现有国内的ETFE膜建筑工程，材料的生产技术仍然是从国外引进，最终使得造价昂贵.

1.4 不同透光材料的应用形式及对比

采光屋面是透光材料与支承结构的结合，三种材料的屋面结构应用形式及优劣对比如表2所示.

表2 三种屋面透光材料应用对比Tab.2 Comparison on the application of three transparent materials of skylight

玻璃的线膨胀系数与钢材接近，使得两者能够很好地结合使用成为采光屋面围护结构. 最新《建筑幕墙与采光顶设计施工手册》［28］中强调，玻璃材料已经从建筑构件发展为结构构件，新型玻璃装配技术也已经大量使用，使得玻璃采光屋面成为技术与艺术的结合. 随着玻璃梁为承重结构的全玻璃采光顶的出现，这种具有全视野的设计方案已经深受设计师的青睐.

聚碳酸酯板和玻璃同为面板材料，在屋面上的空间结构比较相近. 不同的是，聚碳酸酯板的优势在于质量较轻，抗冲击性能优异、成本相对较低. 而玻璃的单位面积质量较重，因此需要与较复杂的支承结构相结合，才能完成形态各异的采光屋面造型上.

作为轻质膜材，Hu等［29］指出，ETFE膜降低了支承结构的负荷，拓展了单元的跨度，对采光屋面造型多样化设计是极大的推动. ETFE膜形成的气枕可以多达几十到几百平方米［24］，例如国家游泳中心“水立方”最大气枕面积约90 m2，而上海某新建成的游乐场项目气枕更是长达70 m，宽3 m，面积超过200 m2. 清华大学郑方［30-31］从大空间建筑设计角度进行分析指出，轻质屋面透光材料在覆盖大空间时色彩、造型和光控制方面会展现出强烈的表现力，因此ETFE膜将会成为设计师偏爱的材料.

2 典型采光屋面透光材料研究进展

上文对屋面玻璃、聚碳酸酯板和ETFE 膜三大类透光材料在采光屋面的应用进行了概述与分析. 由于屋面的特殊性，如何保证其安全性能是需要首先考虑的重点. 同时，在全球能源与资源危机的大背景下，提升采光屋面节能效果和太阳能利用也是透光材料发展的重要方向. 针对上述方面，接下来就四种典型的透光材料在屋面上的应用与研究进展作以介绍.

2.1 SGP夹层玻璃

作为夹层玻璃不可或缺的材料，中间膜在很大程度上影响整个玻璃制品的质量和性能. 目前市面上使用的夹层膜以聚乙烯醇缩丁醛（PVB）膜为主，而普通PVB夹层玻璃，一旦破碎会产生很大的弯曲变形，整块脱落的危险增大，给玻璃采光屋面安全带来挑战［32］. 美国杜邦公司制备了一种新型离子性中间膜Sentryglas®Plus，简称SGP膜，具备与玻璃极强的黏接性能，促进夹层玻璃性能的提升.

SGP膜力学性能优异，它的剪切模量是PVB膜的50倍以上，撕裂强度比PVB膜高5倍［33］. 刘强等［34］通过实验和模拟得出，PVB夹层玻璃梁开裂后的裂缝贯穿整个截面，而SGP夹层玻璃梁开裂后形成一个扇形的碎裂域，在梁截面内部形成新的承力机制. 研究表明，在-20～60 ℃范围的温度下，SGP膜的剪切强度和刚度均能保证其在玻璃和支承结构之间传递载荷［35-36］，因此SGP夹层玻璃梁在断裂后仍能表现出很强安全性能.

Serafinavičiu等［37-38］比较了SGP、PVB、EVA（乙烯-醋酸乙烯）三种夹层玻璃在变温度、长时间载荷下的性能，结果SGP夹层玻璃的中间挠度和纵向应变最小，而且SGP胶片滑动位移甚至小到可以忽略不计. 因此，SPG夹层玻璃破损后的抗弯曲能力，使整片从高空落下的概率大大降低，采光屋面上玻璃板块能够突破规范［9］中单块小于2.5 m2、长边小于2 m的限值.

因此，当SGP夹层玻璃作为承重构件时，可以增大全玻璃采光顶的跨度，拓展空间体系；而当SPG夹层玻璃作为采光顶的面板材料，又能够放宽单块玻璃的尺寸，简化支承结构. 除此之外，SPG膜对水分不敏感，外露的条件下也不会开胶、分离，作为采光屋面边缘构件无须封边即可投入工程应用［33］.

价格昂贵和专利垄断是限制SGP夹层玻璃大规模应用的重要原因［39］，但随着技术壁垒的打破和成本的降低，SGP夹层玻璃将会取代PVB夹层玻璃成为采光屋面玻璃的首选.

2.2 气凝胶玻璃

屋面是热工性能要求最高的外围护结构，采光屋面的热工设计更为严格. 屋面透光部分面积越大，夏季室内太阳辐射得热越多，增加相应制冷能耗. 同时与非透光屋面相比，采光屋面材料的传热系数较大，室内外温差传热导致的耗能也很大. 基于此，我国《公共建筑节能设计标准》［40］中将甲类公共建筑的屋面透光部分限制在总面积的20%，否则需要进行权衡判断.

现有的透光材料中，真空玻璃传热系数可以低至0.7 W/（m2·K）以下，但其制造工艺复杂、造价昂贵［41］.聚碳酸酯中空板、ETFE 多层气枕和中空玻璃的传热系数均在2.0 W/（m2·K）左右［42］，相比节能材料仍然较高. Low-E玻璃的造价较高、银层易氧化；而热反射玻璃的可见光透过率低、传热系数高.

众多学者在研究屋面透光材料节能适用性的同时，也在积极探索节能型透光新材料. SiO2气凝胶玻璃因其高效隔音、高隔热性和高透光性，越来越引起人们的关注［41］，被认为在未来窗户和采光顶上有着巨大的节能潜力［43］.

吕亚军等［44］对颗粒气凝胶玻璃透光隔热性能进行实测研究，结果表明，相比于相同尺寸的普通中空玻璃，气凝胶玻璃的传热系数最多可降低50%以上，隔热效果可以提高5～10 ℃. 同时，气凝胶玻璃的透光率和传热系数可以通过填充粒径大小和填充厚度进行变动，为未来用户的个性化定制提供了可能.

多项研究表明，气凝胶玻璃在寒冷气候下的节能效果突出. Wang等［45］通过模拟对比了气凝胶玻璃与其他常用玻璃在我国不同气候区的节能效果. 结果发现气凝胶玻璃在哈尔滨、北京、上海三地的节能率分别可以达到20%、11%、9%，表明气凝胶玻璃在严寒地区的适用性很强，在寒冷地区和夏热冬冷地区具有一定的适用性. 陈友明等［46］将气凝胶玻璃与双层中空玻璃在不同朝向的太阳能效用量差值作为参考依据，得出气凝胶玻璃的气候适用性序列为在哈尔滨＞北京＞长沙＞昆明，即气凝胶玻璃在严寒地区最适用，寒冷地区次之.

鉴于整块状气凝胶玻璃的生产非常困难［47］，颗粒气凝胶填充玻璃在商业应用中占主导地位. 相关欧美国家已经有相应成熟的生产线，而国内对气凝胶玻璃研究起步较晚，2015年才首次在长沙实现量产［48］. 要实现气凝胶玻璃在采光屋面的规模化应用，还需要完善相关的工艺流程和标准规范，提升技术成熟度和经济可行性.

2.3 光伏玻璃

光伏建筑一体化（BIPV）是将围护结构外表面太阳能转化为电能，从而降低建筑能耗的集成技术［49］. 在面积相同的情况下，南向坡屋面和平屋面接收的太阳辐射量分别是南立面的1.85倍和1.65倍［50］，屋面在太阳能光伏利用上有着天然的优势. 随着融合采光和光伏发电功能的光伏玻璃出现，采光-光伏一体化屋面概念被正式提出.

光伏玻璃可分为晶体硅光伏玻璃和薄膜光伏玻璃两大类，在采光屋面上使用时需要和夹层玻璃复合以保证安全. 其中，薄膜太阳能电池用料少、工艺简单、能耗低，在成本上有一定优势，已成为国际光伏市场发展的新趋势和新热点［51］.

光伏玻璃除了美观、节能发电以外，还有透光可控的特点. 胡军师［52］对有20%和40%透光率的太阳能薄膜中空玻璃在屋面上的性能进行测试，结果表明，针对室内照度要求选用不同透光率的光伏玻璃，可以同时满足发电、采光、遮阳的需求.

李卓等［53］在采光设计中提出，通过光伏玻璃和非光伏玻璃间的排布、光伏玻璃的电池覆盖面积占比的调节，无须设置遮阳设施即可防止室内眩光的出现. 为解决采光与发电之间的平衡问题，Hong等［54］提出了一种透射聚光式光伏幕墙，该系统在中午时有28.2%的最小透射率，在早上9：40之前和下午15：40之后透射率超过55%，整天时间均能满足房间的照明要求，该技术可以通过借鉴应用于采光屋面中.

光伏玻璃屋面在标志性建筑工程中已经有所应用. 2019中国北京世界园艺博览会中国馆实现了建筑的绿色节能设计［55］，其巨型屋架上除了运用ETFE膜、纳米钛瓷喷涂铝单板等多种现代材料外，还包括多达1056块碲化镉薄膜光伏玻璃，总面积近1600 m2，所产生的电能供给建筑使用. 由于有着应用及优化自然能源的功能，光伏玻璃被认为是新型可持续的建筑材料［56］，在未来采光屋面中应用前景广阔.

2.4 PV-ETFE气枕系统

早在2010 年上海世博会，日本馆“紫蚕岛”就提出了ETFE 气枕与太阳能电池（PV）结合的零能耗建筑概念［57］. 现如今，在ETFE 膜成为未来采光屋面透光材料的大趋势下，将PV 与ETFE 气枕结构融合，形成PV-ETFE气枕屋面系统的新型光伏一体化建筑，成为这一趋势的又一拓展.

PV-ETFE 气枕系统可以将PV的性能特点和气枕结构性能优势相结合. ETFE 气枕可以在工厂进行模块化、标准化的预制，而且封闭形式可以初步收集和存储热能，这些特点与薄膜太阳能电池的柔韧性和高温适应性相匹配［58］. ETFE薄膜透光率高，有利于保证PV的光电转化效率；ETFE气枕结构提供安放PV电池的内部空间，可以避免风、雨等对PV的影响.

PV-ETFE气枕系统形式有双层气枕上层外表面集成PV、下层内表面集成PV、三层气枕中层上表面PV等形式. Abdolzadeh 等［59］将气枕的气压调节考虑在内，建立了PV-ETFE 双层气枕的数值计算模型，可以合理地预测不同操作条件下的系统性能. 结果表明，气枕内部不间断的通风对光伏组件有冷却作用，促使发电量提升了15%，但考虑到鼓风机的电耗，系统的净输出功率反而有所降低.

上海交通大学空间结构研究中心对不同PV-ETFE气枕系统做出了大量的研究，其中包括系统结构受力分析［60］、气枕内部热环境测试与模拟［61］、系统在夏季和冬季工况下功能特性测试［62-63］，以及系统电-热-力综合性能评价［64］等. 结果表明，在合理的设计下，PV-ETFE气枕系统结构宏观性能足以满足建筑要求，在典型天气下运行平稳且良好，压力范围稳定在300 Pa 左右、充气时间间隔大于15 min，具备投入工程应用的条件. 同时，PV-ETFE气枕系统在日照辐射100 W/m2时即可正常工作，冬季日均工作时长大于7.7 h，系统发电量是耗电量的4倍以上，在保证自身独立运行的同时还能够供给建筑使用.

PV-ETFE 气枕系统在采光屋面应用的可行性已经得到验证，但投入工程应用还需多个专业协同推动.PV-ETFE气枕屋顶系统可以使建筑成为低能耗、可持续、环境友好建筑. 在低碳、节能、绿色成为建筑发展方向的今天，PV-ETFE气枕屋面系统必将迎来广阔的应用前景.

3 结语

透光材料作为特殊的功能材料，其性能对建筑外在形态和内部环境均有很大影响. 本文对屋面玻璃、聚碳酸酯板、ETFE膜三大类透光材料在采光屋面的应用现状进行概述与分析，同时对四种典型透光材料的应用与研究进展进行综述，有助于更好地展望采光屋面透光材料的发展方向和应用趋势.

玻璃采光屋面应用广泛，运用经验丰富，功能材料的拓展与施工技术日臻完善. 聚碳酸酯板的造价较低，在初投资上有着很大竞争力，应加强适用于聚碳酸酯板和支承结构的密封胶研究和施工工艺的探索，完善其在采光屋面中的防水措施. ETFE 膜材料性能优越，有成为采光屋面主流材料的趋势，应加强ETFE 膜制造工艺的研究投入，降低生产成本，早日实现国产商品化.

安全、节能、太阳能利用是未来采光屋面透光材料的发展方向. SGP 夹层玻璃的应用将极大提升玻璃采光顶的安全性能，会逐步取代现有PVB 夹层玻璃成为玻璃采光顶材料的首选. 在提升采光屋面节能方面，除应加强现有透光材料的节能研究以外，还应加强气凝胶玻璃的规模化推广和应用. 采光-光伏屋面是有着广阔的应用前景，各专业应加强协同合作，共同推动光伏玻璃和PV-ETFE 气枕系统在屋面上的应用.