寒地校園建筑表皮的氣候適應(yīng)性研究★

瞿蕭羽 劉子恒

(1.吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院，吉林 長春 130111； 2.長春華大房地產(chǎn)開發(fā)有限責(zé)任公司，吉林 長春 130000)

寒地校園建筑表皮的氣候適應(yīng)性研究★

瞿蕭羽1劉子恒2

(1.吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院，吉林 長春 130111； 2.長春華大房地產(chǎn)開發(fā)有限責(zé)任公司，吉林 長春 130000)

對寒地建筑表皮的氣候適應(yīng)性進(jìn)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(tǒng)、雙層幕墻及太陽能光伏與建筑一體化設(shè)計(jì)可以增強(qiáng)建筑表皮的氣候適應(yīng)性，減少由于北方嚴(yán)寒地區(qū)氣候條件造成的建筑能耗，對建設(shè)節(jié)約型校園和發(fā)展綠色建筑具有指導(dǎo)意義。

寒地，氣候適應(yīng)性，建筑表皮

0 引言

氣候適應(yīng)性是建筑對自然環(huán)境一種積極的共生策略[1]，氣候適應(yīng)性建筑表皮是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)根據(jù)外界氣候變化進(jìn)行的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。表皮良好的適應(yīng)性和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能夠適應(yīng)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(shí)阻止室內(nèi)熱量散失，降低室內(nèi)的采暖空調(diào)能耗。隨著寒地高校新建校區(qū)規(guī)模和建筑體量增大，使用人數(shù)增多且使用時(shí)間的相對集中，導(dǎo)致校園建筑能源消耗突出。對寒地校園建筑采用氣候適應(yīng)性建筑表皮技術(shù)，能夠保證建筑室內(nèi)的熱舒適度，減少建筑冬季采暖耗熱量，節(jié)約高校運(yùn)行成本，利于建設(shè)節(jié)約型和可持續(xù)的校園。

1 建筑表皮的氣候適應(yīng)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(gòu)造方式?jīng)Q定了建筑能耗。建筑物理學(xué)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(dǎo)熱系數(shù)；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(dǎo)熱系數(shù)K，選擇熱阻大的材料及合理厚度；積極考慮室內(nèi)外溫差變化，變量(t2-t1)是決定耗熱量的重要指標(biāo)，將建筑表皮作為建筑的被動(dòng)式氣候調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過適應(yīng)性表皮技術(shù)實(shí)現(xiàn)對自然氣候的積極回應(yīng)，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(tǒng)

2.1新型復(fù)合墻體

目前的新型墻體材料已經(jīng)逐漸向熱工性能好、適應(yīng)氣候變化的復(fù)合型墻體發(fā)展。出現(xiàn)很多新型高蓄熱的墻體材料及新型墻體保溫系統(tǒng)，吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院新校區(qū)示范工程建設(shè)主要選用的外墻保溫模塊系統(tǒng)，集保溫與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是施工速度快，不易產(chǎn)生熱橋，不易出現(xiàn)開裂，復(fù)合墻體的傳熱系數(shù)K達(dá)到0.11 W/(m2·K)。STP外保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系適用于混凝土和砌體結(jié)構(gòu)，中國建筑科學(xué)研究院能環(huán)所節(jié)能示范樓,采用STP外保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到0.008 W/(m·K)，蓄熱系數(shù)達(dá)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(fù)合而成的構(gòu)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(nèi)部空間，提高建筑對氣候環(huán)境的適應(yīng)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(nèi)無采暖條件下滿足室內(nèi)的熱舒適度要求，可用于寒地校園的學(xué)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(tǒng)，冬季新鮮空氣從外墻底部進(jìn)入空腔，被太陽輻射熱加熱后進(jìn)入室內(nèi)，利用溫室效應(yīng)保溫，從而降低寒地校園建筑供暖系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)；夏季使空氣直接上升排到室外來防止熱量進(jìn)入室內(nèi)，利用煙囪效應(yīng)促進(jìn)通風(fēng)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(gòu)造簡單，可節(jié)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(yīng)性，在應(yīng)對不同氣候變化方面具有相當(dāng)大的技術(shù)優(yōu)勢。嚴(yán)寒地區(qū)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(yán)重影響室內(nèi)熱舒適度和能耗，雙層幕墻比單層幕墻在采暖期節(jié)約能源40%～60%，夏季遮陽通風(fēng)條件下節(jié)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(xiàn)復(fù)合性和氣候適應(yīng)性。雙層幕墻為建筑提供溫度緩沖層,其通風(fēng)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(fēng)換氣，降低空調(diào)能耗。有研究者對寒地教學(xué)類建筑進(jìn)行雙層幕墻的改造后測試室內(nèi)溫度變化5 ℃～6 ℃，使用者對經(jīng)過加雙層幕墻改造的房間室內(nèi)溫度和舒適度更滿意，改造后對空調(diào)采暖需求明顯降低，說明雙層幕墻在嚴(yán)寒地區(qū)的采暖節(jié)能方面有很大潛力。

3.2雙層玻璃幕墻復(fù)合百葉

在雙層玻璃夾層中設(shè)置百葉，冬季時(shí)打開百葉，關(guān)閉通風(fēng)，爭取最大化采光；夏季利用百葉遮擋和夾層通風(fēng)將熱量帶走，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能[2]。這種遮陽構(gòu)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(yōu)勢。如清華大學(xué)超低能耗示范樓建筑南立面為窄通道雙層通風(fēng)玻璃幕墻，通風(fēng)夾層為200 mm，幕墻外側(cè)做遮陽葉片,每個(gè)葉片均設(shè)置單獨(dú)的自控系統(tǒng)，根據(jù)不同區(qū)域功能要求進(jìn)行自動(dòng)控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)最大程度的利用太陽能。

3.3玻璃幕墻工業(yè)化

玻璃幕墻采用工業(yè)化加工生產(chǎn)、現(xiàn)場安裝方式建造，隨著近幾年裝配式建筑的發(fā)展，雙層幕墻大量采用預(yù)制裝配系統(tǒng)，雙層幕墻將成為建筑工業(yè)化發(fā)展的一種重要形式。

4 太陽能光伏與建筑一體化設(shè)計(jì)

4.1光伏技術(shù)在工程建設(shè)中的優(yōu)勢

光伏和建筑一體化集成設(shè)計(jì)(BIPV)注重建筑與光伏組件的結(jié)合，強(qiáng)調(diào)在保證發(fā)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(xiàn)代技術(shù)融入校園建筑中，賦予校園建筑鮮明的現(xiàn)代科技和時(shí)代特色，同時(shí)為高校提供技術(shù)展示平臺。

光伏建筑一體化將太陽能發(fā)電系統(tǒng)集成在建筑物屋頂、幕墻等建筑構(gòu)件中，該技術(shù)將建筑物打造成獨(dú)立的太陽能發(fā)電站為建筑物提供清潔電力供給，利用半導(dǎo)體界面的光伏效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｄ壳爸饕獞?yīng)用于光伏發(fā)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(tǒng)的晶硅電池構(gòu)造和生產(chǎn)工藝已經(jīng)定型，廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)；薄膜電池屬于非晶硅結(jié)構(gòu)，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(tǒng)

屋頂安裝光伏電池板及太陽能集熱系統(tǒng)，吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院新校區(qū)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(diǎn)的集中式真空管太陽能集熱器，實(shí)現(xiàn)太陽能的資源性轉(zhuǎn)化。從設(shè)計(jì)階段就將光伏考慮進(jìn)去，實(shí)現(xiàn)光伏與建筑同步設(shè)計(jì)、同步施工，使光伏技術(shù)與建筑有機(jī)結(jié)合。

薄膜發(fā)電在與屋面集成設(shè)計(jì)中具有更大的優(yōu)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(huì)議薄膜發(fā)電車棚采用漢能的太陽能薄膜發(fā)電技術(shù)，將高效薄膜發(fā)電組件集成在車棚頂，都是薄膜發(fā)電在工程建設(shè)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(shù)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(nèi)自然采光，利用可再生能源進(jìn)行發(fā)電供建筑自身使用。這種復(fù)合材料不多占用建筑面積，優(yōu)美的外觀具有特殊的裝飾效果。清華大學(xué)超低能耗示范樓，建筑南立面的雙層玻璃幕墻外側(cè)，采用的單晶硅光電玻璃具有透光性，不影響室內(nèi)采光，光電玻璃發(fā)電供給建筑的外遮陽系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)太陽能光伏發(fā)電與建筑表皮的完美結(jié)合，具有比普通幕墻更好的節(jié)能效果。通過在太陽能光伏方陣頂部的墻體上設(shè)置風(fēng)口風(fēng)閥，非供暖季節(jié)將太陽能光伏方陣?yán)鋮s空氣風(fēng)排入大氣，供暖季節(jié)將太陽能光伏方陣?yán)鋮s空氣引入室內(nèi)，既能降低太陽能電池溫升，提高太陽能電池轉(zhuǎn)換效率，又能提高室內(nèi)溫度，可極大的提高能量利用率。

薄膜發(fā)電用于建筑幕墻，通過表皮一體化實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電來降溫降耗，保證與建筑外觀的協(xié)調(diào)美觀，可提高室內(nèi)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(zhì)量玻璃幕墻增加30%～50%，因此現(xiàn)階段寒冷地區(qū)薄膜光伏系統(tǒng)在工程建造領(lǐng)域還未大規(guī)模應(yīng)用。

[1] 李保峰.適應(yīng)夏熱冬冷地區(qū)氣候的建筑表皮之可變化設(shè)計(jì)策略[D].北京：清華大學(xué)博士學(xué)位論文，2004:89.

[2] 唐 麗，陳 珅，尹 方.建筑設(shè)計(jì)與新技術(shù)新材料——從世博建筑看設(shè)計(jì)發(fā)展[M].天津:天津大學(xué)出版社，2011:212.

[3] 李現(xiàn)輝，郝 斌.太陽能光伏建筑一體化工程設(shè)計(jì)與案例[M].北京：中國建筑工業(yè)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(xué)城建學(xué)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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