寒地校園建筑表皮的氣候適應性研究★

瞿蕭羽 劉子恒

(1.吉林建筑大學城建學院，吉林 長春 130111； 2.長春華大房地產開發有限責任公司，吉林 長春 130000)

寒地校園建筑表皮的氣候適應性研究★

瞿蕭羽1劉子恒2

(1.吉林建筑大學城建學院，吉林 長春 130111； 2.長春華大房地產開發有限責任公司，吉林 長春 130000)

對寒地建筑表皮的氣候適應性進行分析，提出通過采用適宜的墻體蓄熱材料及新型墻體保溫系統、雙層幕墻及太陽能光伏與建筑一體化設計可以增強建筑表皮的氣候適應性，減少由于北方嚴寒地區氣候條件造成的建筑能耗，對建設節約型校園和發展綠色建筑具有指導意義。

寒地，氣候適應性，建筑表皮

0 引言

氣候適應性是建筑對自然環境一種積極的共生策略[1]，氣候適應性建筑表皮是建筑圍護結構根據外界氣候變化進行的動態調節系統。表皮良好的適應性和動態調節性能夠適應寒地冬季極端的氣候條件，保證表皮在冬季能夠高效吸收太陽輻射熱，同時阻止室內熱量散失，降低室內的采暖空調能耗。隨著寒地高校新建校區規模和建筑體量增大，使用人數增多且使用時間的相對集中，導致校園建筑能源消耗突出。對寒地校園建筑采用氣候適應性建筑表皮技術，能夠保證建筑室內的熱舒適度，減少建筑冬季采暖耗熱量，節約高校運行成本，利于建設節約型和可持續的校園。

1 建筑表皮的氣候適應性研究途徑

建筑表皮是減少建筑能耗的重要措施，表皮形式、材料及構造方式決定了建筑能耗。建筑物理學能耗公式為:Q=A(t2-t1)K/d。其中，Q為傳熱量；A為外界表面積；K為材料的導熱系數；d為材料厚度。

要減少能耗可以采取以下措施：減小外界表面積A,降低材料導熱系數K，選擇熱阻大的材料及合理厚度；積極考慮室內外溫差變化，變量(t2-t1)是決定耗熱量的重要指標，將建筑表皮作為建筑的被動式氣候調節系統，通過適應性表皮技術實現對自然氣候的積極回應，從而獲取表皮研究的途徑和方法，建筑能耗影響因素見表1。

表1 建筑能耗影響因素

2 采用適宜的墻體蓄熱材料及新型墻體保溫系統

2.1新型復合墻體

目前的新型墻體材料已經逐漸向熱工性能好、適應氣候變化的復合型墻體發展。出現很多新型高蓄熱的墻體材料及新型墻體保溫系統，吉林建筑大學城建學院新校區示范工程建設主要選用的外墻保溫模塊系統，集保溫與結構一體化設計，其優點是施工速度快，不易產生熱橋，不易出現開裂，復合墻體的傳熱系數K達到0.11 W/(m2·K)。STP外保溫圍護結構體系適用于混凝土和砌體結構，中國建筑科學研究院能環所節能示范樓,采用STP外保溫圍護結構體系，導熱系數達到0.008 W/(m·K)，蓄熱系數達到0.73 W/(m·K)。

2.2TWD外墻

TWD外墻是一種半透明的黑色板材和透光保溫材料復合而成的構件，冬季可以高效的吸收太陽輻射熱，熱量儲存后再緩慢釋放到內部空間，提高建筑對氣候環境的適應力。在赫爾佐格的青年教育中心客房中采用，在室外低溫、室內無采暖條件下滿足室內的熱舒適度要求，可用于寒地校園的學生宿舍、專家公寓等建筑中。

2.3特隆布墻體

特隆布墻體是一種收集太陽能熱的外墻系統，冬季新鮮空氣從外墻底部進入空腔，被太陽輻射熱加熱后進入室內，利用溫室效應保溫，從而降低寒地校園建筑供暖系統的負擔；夏季使空氣直接上升排到室外來防止熱量進入室內，利用煙囪效應促進通風降溫除熱。墻體通常采用厚度約300 mm的混凝土、磚、石作為儲熱體，構造簡單，可節約高校建筑成本。

3 雙層幕墻

3.1雙層玻璃幕墻

雙層玻璃幕墻具有一定的氣候適應性，在應對不同氣候變化方面具有相當大的技術優勢。嚴寒地區校園建筑采用玻璃幕墻可明顯改善建筑外觀，豐富建筑立面效果，使建筑別具一格。目前寒地普遍采用的單層玻璃幕墻嚴重影響室內熱舒適度和能耗，雙層幕墻比單層幕墻在采暖期節約能源40%～60%，夏季遮陽通風條件下節約制冷能耗約57%。在寒地極端氣候條件下玻璃幕墻更加需要體現復合性和氣候適應性。雙層幕墻為建筑提供溫度緩沖層,其通風原理與特隆布墻體的原理相同，充分利用太陽能及自然通風換氣，降低空調能耗。有研究者對寒地教學類建筑進行雙層幕墻的改造后測試室內溫度變化5 ℃～6 ℃，使用者對經過加雙層幕墻改造的房間室內溫度和舒適度更滿意，改造后對空調采暖需求明顯降低，說明雙層幕墻在嚴寒地區的采暖節能方面有很大潛力。

3.2雙層玻璃幕墻復合百葉

在雙層玻璃夾層中設置百葉，冬季時打開百葉，關閉通風，爭取最大化采光；夏季利用百葉遮擋和夾層通風將熱量帶走，從而實現節能[2]。這種遮陽構造雙層幕墻較單層幕墻防熱能力好，尤其在西向具有較大的防熱優勢。如清華大學超低能耗示范樓建筑南立面為窄通道雙層通風玻璃幕墻，通風夾層為200 mm，幕墻外側做遮陽葉片,每個葉片均設置單獨的自控系統，根據不同區域功能要求進行自動控制調節，實現最大程度的利用太陽能。

3.3玻璃幕墻工業化

玻璃幕墻采用工業化加工生產、現場安裝方式建造，隨著近幾年裝配式建筑的發展，雙層幕墻大量采用預制裝配系統，雙層幕墻將成為建筑工業化發展的一種重要形式。

4 太陽能光伏與建筑一體化設計

4.1光伏技術在工程建設中的優勢

光伏和建筑一體化集成設計(BIPV)注重建筑與光伏組件的結合，強調在保證發電量的前提下，最大化保持建筑的外觀、性能及功能要求[3]。它將現代技術融入校園建筑中，賦予校園建筑鮮明的現代科技和時代特色，同時為高校提供技術展示平臺。

光伏建筑一體化將太陽能發電系統集成在建筑物屋頂、幕墻等建筑構件中，該技術將建筑物打造成獨立的太陽能發電站為建筑物提供清潔電力供給，利用半導體界面的光伏效應將光能直接轉變為電能。目前主要應用于光伏發電的電池分為兩種：較為成熟的晶硅電池和新一代薄膜電池。傳統的晶硅電池構造和生產工藝已經定型，廣泛應用于工程建設；薄膜電池屬于非晶硅結構，其厚度小于1 μm，連晶硅電池厚度的1/100都不到，大大降低了制造成本。

4.2屋頂太陽能系統

屋頂安裝光伏電池板及太陽能集熱系統，吉林建筑大學城建學院新校區示范工程屋面安裝多晶硅太陽能光伏組件和適于東北氣候特點的集中式真空管太陽能集熱器，實現太陽能的資源性轉化。從設計階段就將光伏考慮進去，實現光伏與建筑同步設計、同步施工，使光伏技術與建筑有機結合。

薄膜發電在與屋面集成設計中具有更大的優勢。漢能最新推出的屋面“漢瓦”將柔性薄膜太陽能芯片與屋面瓦融為一體；APEC會議薄膜發電車棚采用漢能的太陽能薄膜發電技術，將高效薄膜發電組件集成在車棚頂，都是薄膜發電在工程建設中的成功范例。

4.3光伏幕墻一體化

太陽能光伏幕墻將光電技術融入玻璃，用具有透光能力的玻璃太陽能光電池取代玻璃幕墻上的玻璃，增加室內自然采光，利用可再生能源進行發電供建筑自身使用。這種復合材料不多占用建筑面積，優美的外觀具有特殊的裝飾效果。清華大學超低能耗示范樓，建筑南立面的雙層玻璃幕墻外側，采用的單晶硅光電玻璃具有透光性，不影響室內采光，光電玻璃發電供給建筑的外遮陽系統使用。

將非晶硅電池片呈百葉狀置于雙層玻璃幕墻中空層形成的建筑光伏幕墻，實現太陽能光伏發電與建筑表皮的完美結合，具有比普通幕墻更好的節能效果。通過在太陽能光伏方陣頂部的墻體上設置風口風閥，非供暖季節將太陽能光伏方陣冷卻空氣風排入大氣，供暖季節將太陽能光伏方陣冷卻空氣引入室內，既能降低太陽能電池溫升，提高太陽能電池轉換效率，又能提高室內溫度，可極大的提高能量利用率。

薄膜發電用于建筑幕墻，通過表皮一體化實現光伏發電來降溫降耗，保證與建筑外觀的協調美觀，可提高室內舒適度并減少采光能耗。薄膜幕墻組件單位面積成本比高質量玻璃幕墻增加30%～50%，因此現階段寒冷地區薄膜光伏系統在工程建造領域還未大規模應用。

[1] 李保峰.適應夏熱冬冷地區氣候的建筑表皮之可變化設計策略[D].北京：清華大學博士學位論文，2004:89.

[2] 唐 麗，陳 珅，尹 方.建筑設計與新技術新材料——從世博建筑看設計發展[M].天津:天津大學出版社，2011:212.

[3] 李現輝，郝 斌.太陽能光伏建筑一體化工程設計與案例[M].北京：中國建筑工業出版社，2012:37.

Studyonclimateadaptabilityofthebuildingskinofcampusbuildingsinthecoldregion★

QuXiaoyu1LiuZiheng2

(1.UrbanConstructionCollegeofJilinJianzhuUniversity,Changchun130111,China；2.ChangchunHuadaRealEstateDevelopmentCo.,Ltd,Changchun130000,China)

To analyze the climate adaptability of building in the cold region, put forward by adopting appropriate wall heat storage materials and new wall insulation system, the double curtain wall and solar photovoltaic and building integrated design that can enhance climate adaptability of building skin, reduce building energy consumption caused by the northern cold region climate condition, and has a guiding significance for the construction of the conservation-oriented campus and the development of green building.

cold region, climate adaptability, building skin

1009-6825(2017)30-0004-02

2017-08-11★:吉林建筑大學城建學院院科字[2013]第010號

瞿蕭羽(1983- )，女，碩士,講師; 劉子恒(1981- )，男，工程師

TU201.5

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