嚴寒地區(qū)大玻璃幕墻建筑節(jié)能技術路線探究

楊 勇 王自尚 周雪瑤

(黑龍江科技大學建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

1 概述

嚴寒地區(qū)主要包括我國東北地區(qū)、內蒙古、新疆北部、西藏北部、青海等地區(qū)，氣候條件嚴酷惡劣，采暖季長達近6個月之久，極端的天氣對該區(qū)域建筑大玻璃幕墻的應用帶來極大難度。隨著近年來建筑技術的不斷提高，幕墻的應用儼然成為時尚建筑的標志性元素，然而玻璃幕墻建筑采用大面積玻璃作為圍護結構,熱工性能和光學性能與傳統(tǒng)圍護結構有很大不同,它在帶來美觀通透的藝術效果的同時,也產生了巨大的能耗問題[1]。

調研發(fā)現哈爾濱市現有的大玻璃幕墻建筑占比很小，哈爾濱大劇院是使用大玻璃幕墻較為典型的一例。松北區(qū)某一在建大型商場主體結構建成后主立面為均勻布置2 000 mm×3 000 mm的方形窗洞，但因為主立面不夠美觀，后期施工過程中在已經建成的主體結構外側增設了一層大玻璃幕墻，規(guī)范中規(guī)定,嚴寒地區(qū)不宜提倡在建筑立面上大面積應用玻璃(或其他透光材料)幕墻。如果希望建筑的立面有玻璃的質感，可使用非透光的玻璃幕墻，即玻璃的后面仍然是保溫隔熱材料和普通墻體[2]，從光空間的營造上來講，這種幕墻的設置方法不符合幕墻使用的初衷，本身就是設計上的矛盾點，技術的疲軟給功能和形象帶來巨大壓力，是嚴寒地區(qū)大玻璃幕墻應用方面需要不斷探究并解決的問題。

2 BIM及建筑物理環(huán)境模擬大賽

2.1 競賽介紹

“BIM及建筑物理環(huán)境模擬大賽”由黑龍江省教育廳主辦，哈爾濱理工大學與黑龍江省土木學會綠色建筑委員會承辦，旨在提高青年學生的科技創(chuàng)新和工程實踐能力，同時提高黑龍江省高校在BIM應用技術及綠色建筑領域的教學和教育水平。競賽內容要求，在中外建筑大師的作品中挑選設計方案，以哈爾濱為模擬建筑地點進行建筑信息模型的建立以及物理環(huán)境的模擬分析。對建筑的合理性進行評價，并提出改造建議以及節(jié)能設計方案，比賽過程中熱環(huán)境模擬部分所用的節(jié)能分析軟件主要為綠建斯維爾節(jié)能設計軟件BECS及綠建斯維爾能耗計算軟件BESI。

2.2 競賽作品簡介

本次競賽方案以巴塞羅那當代藝術博物館為藍本,在盡可能尊重其原設計方案的基礎上進行局部改動,改造后的方案共三層，功能空間與巴塞羅那藝術博物館基本一致。保留重要空間的玻璃幕墻、天窗等透明圍護結構，對門窗、墻體、幕墻等圍護結構在材料選取、構造層次等方面進行合理改造設計，使之在保證光空間豐富性的同時滿足節(jié)能的合理性需求。

巴塞羅那當代藝術博物館(如圖1所示)建于1995年，充滿現代派藝術特色，是建筑大師理查德·邁耶的作品。建筑材料以白色混凝土為主，同時加入了玻璃的應用，功能上博物館在縱向主要為三層展覽空間，橫向主要分為辦公空間、接待空間、展覽空間三部分；除門廳外，坡道廳以玻璃幕墻圍合；采光方面主要展廳局部靠頂部采光，特別是在頂層，loft式空間被百葉天窗覆蓋，光線通過天窗和開洞照亮底層空間[3]。

2.3 研究對象及研究目的

本文所要研究的是指有大面積玻璃幕墻應用的建筑，以巴塞羅那當代藝術博物館物理環(huán)境模擬項目為具體研究對象，主要探究其在嚴寒地區(qū)的節(jié)能設計問題，對巴塞羅那當代藝術博物館進行建模分析(見圖2)，通過對外圍護結構參數的優(yōu)化調整，從而發(fā)現大玻璃幕墻建筑的節(jié)能設計要點，并提供一種優(yōu)化設計方案，為嚴寒地區(qū)建筑設計的多樣化提供技術支持，從理論上探討嚴寒地區(qū)大玻璃幕墻建筑的節(jié)能降耗方法，進而推動玻璃幕墻在嚴寒地區(qū)建筑中的合理應用。

3 嚴寒地區(qū)大玻璃幕墻建筑節(jié)能設計技術路線

從玻璃在建筑中的應用和建筑圍護結構的發(fā)展過程可以看出,現代建筑中由玻璃所承擔的透明圍護結構的形式基本可以歸為三種：玻璃采光頂、建筑窗戶、玻璃幕墻。建筑的透明圍護結構,需要具有采光、通風、防熱及保溫等多種建筑功能,也需要滿足視覺愉悅及意義表達豐富的外觀形態(tài),同時在建造及節(jié)能方面具有比非透明圍護更大的挖掘潛力。本文通過建模分析，優(yōu)化調整屋頂構造，外墻構造，天窗，外窗及幕墻的材料選取和組合方式，最終得出滿足節(jié)能設計標準的設計方案。

3.1 研究對象的既定參數

哈爾濱位于中國最北端，是中國緯度最高、氣溫最低的大城市，屬于嚴寒地區(qū)。1月平均氣溫不大于-10 ℃，7月平均氣溫不大于25 ℃。建筑物必須滿足冬季保溫、防寒、防凍等要求，一般可不考慮夏季防熱，本模擬項目的擬建地點就是嚴寒地區(qū)的代表城市哈爾濱市。

模擬項目方案的建筑面積為8 438.43 m2，主立面朝向南偏東24°，體型系數為0.22,窗墻比分別為東向0.33、西向0.31、南向0.63、北向0.25。南向立面在方案中有大面積玻璃幕墻的應用，因此不滿足嚴寒地區(qū)各單一立面窗墻面積比(包括透光幕墻)均不宜超過0.60的相關規(guī)定，在后續(xù)的圍護結構方案設計中按照圖3的程序進行權衡判斷，優(yōu)化設計。

3.2 非透明圍護結構構造措施的選擇

非透明圍護結構主要指屋面和外墻，表1為本方案的屋頂和外墻保溫構造做法。

表1 非透明圍護結構

1)屋頂采用倒置式屋面做法，保溫層為150 mm厚擠塑聚苯板，屋面總厚度350 mm。

2)外墻保溫層為132 mm厚聚苯板，核心層為190 mm厚承重混凝土砌塊，外墻總厚度為370 mm。

3.3 透明圍護結構的選擇

天窗、外窗和玻璃幕墻是節(jié)能設計的重要部分，本方案中應用到Low-E玻璃和白玻分層組合的節(jié)能玻璃。

1)天窗采用6+9A+6+9A+6暖邊密封節(jié)能組合玻璃，自遮陽系數為0.77；

2)外窗采用6+12A+6Low-E+9A+6暖邊密封節(jié)能玻璃，可見光投射比為0.76；

3)玻璃幕墻采用4+12A+4Low-E暖邊密封節(jié)能玻璃，可見光投射比為0.80。

3.4 BESC模擬分析結果

在上述外圍護結構條件下進行能耗模擬計算，得出主要圍護結構的熱工性能：

1)外窗及玻璃幕墻的熱工性能為東、西、南、北向透明圍護結構的傳熱系數分別是1.27 W/(m2·K),1.41 W/(m2·K),1.21 W/(m2·K)，1.29 W/(m2·K)，綜合平均傳熱系數為1.27 W/(m2·K)；

2)屋面熱工性能為總傳熱系數0.23 W/(m2·K)；

3)外墻熱工性能為總體傳熱系數為0.28 W/(m2·K)，考慮線性熱橋后的值為0.37 W/(m2·K)。

3.5 綜合權衡判斷

目前，我國有大型公共建筑5億多棟，用電強度在70 kWh/(m2·年)～300 kWh/(m2·年)之間，是住宅的10倍～20倍。因此，公共建筑能源管理是促進節(jié)能的重要途徑之一，它將有效地制約建筑能耗的增長速度[4，5]。為了提高建筑能耗管理水平，實現節(jié)能的目標和要求，必須建立建筑能耗基準[6]。公共建筑圍護結構熱工性能權衡判斷是提高能源效率、指導建筑節(jié)能設計的工具原則，是一種性能化的設計方法。

權衡判斷的具體做法就是先構想出一棟虛擬的建筑，稱之為參照建筑，然后分別計算參照建筑和實際設計的建筑全年供暖和空調能耗，并依照這兩個能耗的比較結果作出判斷。當實際設計的建筑能耗大于參照建筑的能耗時，調整部分設計參數(例如提高窗戶的保溫隔熱性能、縮小窗戶面積等)，重新計算設計建筑的能耗，直至實際設計建筑的能耗不大于參照建筑的能耗為止[2]。

3.5.1計算條件

設定參照建筑相關參數進行模擬分析計算，得出分析結果，見表2。

表2 計算條件

3.5.2計算結果

根據表2分析計算得出：全年供暖和空調總耗電量60.91 kWh/m2、供熱耗電量45.69 kWh/m2、耗熱量80.33 kWh/m2分別小于參照建筑64.90 kWh/m2,50.22 kWh/m2,88.30 kWh/m2的能耗值，依據GB 50189—2015公共建筑節(jié)能設計標準第3.4.2條，本模擬項目的設計方案滿足節(jié)能設計標準。

4 結語

在做嚴寒地區(qū)大玻璃幕墻節(jié)能設計時，權衡判斷是有效的性能優(yōu)化設計原則，但應注意兩點：

1)以玻璃幕墻的功能性為基礎;

2)對建筑整體能耗做權衡判斷并優(yōu)化方案設計的過程中，不能僅僅以能耗達標為目標導向，忽略掉建筑空間使用者對空間光環(huán)境的需求。

本模擬項目在做模擬分析能耗計算時，首先保證空間光環(huán)境的合理性，然后經過“外圍護結構設計—權衡判斷—再設計”的過程，直至方案達標，通過模擬分析提出了外圍護結構節(jié)能設計構造具體做法，為今后嚴寒地區(qū)的大玻璃幕墻建筑節(jié)能設計提供一定的理論遵循和思想啟發(fā)，隨著建筑科技的不斷進步，各種新型圍護結構材料的研發(fā)，玻璃幕墻在嚴寒地區(qū)建筑設計上的應用必將突破技術上的壁壘，走向多樣化，也更具創(chuàng)新性。