夏熱冬冷地區玻璃幕墻宿舍樓物理環境研究

■ 張軍學 ZHANG Junxue 張一波 ZHANG Yibo 逯 航 LU Hang

0 引言

大玻璃幕墻建筑以龐大的體量、挺拔的高度和壯美的外觀為人們所稱道，然而此類建筑通常需要高能耗才能獲得舒適的物理環境。尤其是處于夏熱冬冷地區的玻璃幕墻宿舍樓建筑，有限的資金和嚴格的物理環境要求是一對繞不開的矛盾。

1 研究背景

基于以上背景，本文選取南京工業大學浦江學院宿舍樓為例進行物理環境研究。浦江溧水新校區為2017年新建成的建筑群，總建筑投資超過1.5億元，建筑面積超過10萬m2，目前已有約4 000名學生在此校區學習和生活。溧水校區宿舍樓采用鋼框架結構和超大玻璃幕墻建筑，曲面的玻璃幕墻構造、龐大的建筑體量和獨特的造型給師生帶來巨大的震撼（圖1）。

然而2017年入住后，全鋼框架和超大玻璃幕墻構造并沒有帶來舒適的物理環境。低溫和潮濕的熱環境，不均勻的光照分布，以及過多遮擋造成的音質不佳，都需要進行一定程度的改善（圖2）。

圖1 南京工業大學浦江學院建筑群

圖2 宿舍樓內部布局和構造

本文以此為切入點，通過室內外同步采集數據，對南京工業大學浦江學院宿舍樓進行物理環境量化評估，為物理環境優化提供支持。物理環境包括聲環境[1]、光環境和熱環境。

2 測試方法

研究采用室內外同步采集數據。室外采用氣象站自己記錄的氣候數據，室內用物理環境測試設備進行記錄。測試時間為2017年11月。

2.1 室外氣象站

該氣象站為自動記錄型，可以以一定頻率記錄室外的各項數據參數，準確地量化表達室外的天氣狀況，為對比室內研究提供詳實可行的數據（圖3）。各項記錄數據包括：空氣溫度、空氣濕度、風速、風向、雨水、光照強度等。

2.2 室內測試設備

圖4和圖5所示為物理環境常用測試儀器，包括室內溫濕度儀、風速儀、光照強度測試、聲音測試儀、表面溫度儀以及紅外成像儀等。

3 宿舍樓聲環境分析

本研究評估的對象是宿舍建筑，宿舍樓的首要要求是聲音強度。由于宿舍樓的聲音要求比專業建筑（音樂廳等）要求低，建筑師和工程師亦沒有特別重視這方面的設計要求，導致新建的宿舍樓音質都有較大的問題。表1為選擇一樓走廊、宿舍內部和中庭三個部位進行的聲音強度測試結果[2]。

由圖6聲音強度變化曲線可知，一層走廊、室內、中庭三處位置的聲音強度變化，沒有隨著距離增加聲音強度減弱，而是呈現類似正弦函數形式的周期性變化，這是由于三個位置都出現了聲音干擾和回聲現象。走廊兩側狹窄的距離使得一樓走廊聲音強度變化最接近正弦形式，聲音強度范圍是63～80db，隨著距離的增加，這種效果會更明顯。一樓宿舍內部由于距離較遠，聲音變化幅度會出現低頻周期變化，聲音強度在68～96 db之間，部分角落空間會出現聲音疊加，出現刺耳現象。一樓中庭變化規律不規則，出現較長尺度的波峰，判斷影響因素是中庭內不規則裝飾物造成聲音的無序結果。

總體上，宿舍樓的聲音強度干擾性較大，如果條件允許，需要進行必要的改造。

4 宿舍樓光環境分析

圖3 室外自動型氣象站及其細部構造

圖4 室內測試設備1

圖5 室內測試設備2

浦江宿舍樓設計亮點是超大玻璃幕墻，坐南朝北的建筑曲面能最大程度地接收光照，目前根據調研結果發現，南立面接收光照情況良好，北立面出現不良狀況。由于宿舍樓內部布局復雜，各處光照分布不均勻，本研究選取代表性的測點進行光照強度測試[3-4]。

L8和L9兩處出口、入口以及宿舍內部的各處測試光照強度見表2，結果顯示，7處測試點的光照強度極不均勻，L9宿舍樓出口處光照為4 950lx，而位于三樓的304室內自然采光只有53lx，L8宿舍樓向光面和背光面的光照強度也有近三倍之差。

表1 聲音強度測試結果表

表2 主要測試點光照強度表

除關鍵部位的測試點安排、數據采集和結果分析外，宿舍樓1～6層的光照強度均值變化曲線見圖7。整棟建筑的光照強度隨著高度呈現逐漸增加的趨勢，但3層以上光照強度增加變緩。1層光照強度最差，為125lx；6層最高為1 350lx。整體分析可知，除1層外，其余層次都處于采光較好狀態。

5 宿舍樓熱環境分析

圖6 一層三個部位的聲音強度變化曲線圖

圖7 宿舍樓光照強度采集曲線圖（1～6層）

熱環境分析是師生在宿舍樓體驗最直接的影響因素[5]。由于整棟建筑并沒有安裝建筑設備進行整體熱環境調節[6-7]，再加上大玻璃幕墻的鋼構造，造成宿舍樓整體的熱環境分布極不均勻。具體結果與分析見空氣溫濕度、風速和表面溫度云圖結果[8-9]。

5.1 空氣溫度與濕度

宿舍樓內部的空氣溫度范圍為4～7.5℃，隨著時間延長，中午13:00～14:00溫度最高，之后再次呈下降趨勢。最高溫度為14:00時刻的第3層，為7.5℃，最低溫度為17:00時刻的第6層。

9:00～10:00時刻，宿舍樓內溫度大小排序為：3層>4層>2層>1層>5層>6層；11:00～13:00時刻，建筑物內部溫度排序為：3層>4層>2層>1層>5層>6層；14:00～15:00，溫度變化為：3層>4層>1層>2層>5層>6層；16:00～17:00為4層>3層>2層>1層>5層>6層（圖8）。

宿舍樓整體濕度變化趨勢呈先下降再升高的趨勢，和溫度變化呈互補關系。濕度最大的為第5層，為58%～62%，分析原因可能是由于室內放置較多物品，并與正在裝修施工有關。濕度最小的為第4層，變化范圍46%～52%，這與第4層為南北通透的環境，可以隨時進行熱濕交換有關。整棟建筑的各層濕度變化按大小排序為：5層>2層>1層>3層>6層>4層。

圖9中2層、6層濕度變化出現較大波動，分析因素包括：樓層內部堆積雜物較多、裝修工人正在進行裝修、測定選擇誤差和測試人員操作等。

5.2 建筑內外風環境分析

圖8 宿舍樓各層空氣溫度變化塊圖

圖10 和圖11為建筑內外同一測試環境下風速變化示意圖。室外風速約為室內風速的3倍，室外最大風速為17:00的3m/s，最小風速為13:00的0.5m/s；室內風速最大為12:00的1.1m/s，最小為1.5m/s。整棟建筑內部的風速較小，中庭采光和通風的作用不明顯，沒有充分的熱交換作用。特別是整棟宿舍樓建筑的玻璃幕墻開窗比例較小、玻璃幕墻體積較大、不易開啟等都造成了通風方面的問題。

5.3 宿舍樓內外重點部位表面溫度分析

作為建筑最具有特色的部位——超大玻璃幕墻，其表面溫度是一項關鍵的熱環境指標。在本部分的實驗測試中，采用紅外成像儀進行數據方法的采集，通過對玻璃幕墻南北兩個方向的溫度云圖采集，可以直觀地看到整棟幕墻的表面溫度分布。

圖12為向光面（南）的溫度云圖，最高溫度為18.9℃，最低為3.7℃，溫差約為15℃.高溫度部位為窗框，玻璃部位較低，說明兩種材料的熱吸收系數有較大差距。圖13為背光面（北）的溫度云圖，最高溫度僅為9.5℃，最低已經到-5.1℃。

南北兩面的玻璃幕墻溫度云圖有著巨大的差距，造成了建筑內部熱環境的嚴重不平衡。南側室內的溫度明顯高于北側，再加上內部無熱環境調節設備，造成師生普遍不希望在北側滯留。

此問題為急需解決的難題之一。

為定量分析各層室內表面溫度變化情況，選擇1～5層常用宿舍樓層為研究對象，著重從樓頂、地面、東面、西面、南面、北面等部位，分析宿舍內部溫度變化情況（圖14）。

圖9 宿舍樓各層濕度變化曲線圖

圖中結果分析可知，第3層六個部位的表面溫度是最高的，基本都處在峰值位置，第3層室內溫度范圍為6～7℃。這是因為第3層處于中間樓層，熱量保存具有優勢；第1層和第5層是最差的，分析原因是由于第1層和地面熱交換較大，第5層接近頂層熱交換同樣偏高，造成了如圖14所示的變化結果。

圖10 室外風速變化圖

圖11 室內風速變化圖

圖12 向光面玻璃幕墻表面溫度云圖（南）

圖13 背光面玻璃幕墻表面溫度云圖（北）

圖14 宿舍樓各層房間表面溫度變化曲線圖

圖15 宿舍樓內熱舒適度定量計算圖

表3 為建筑內部背陽處和向陽處的材料表面溫度對比表

表3為建筑內部個別部位在背陽處和向陽處的溫度對比列表。表中結果差別明顯，向陽處的各種材料溫度值都明顯大于背陽處。最大的差別在玻璃幕墻上，向陽處玻璃幕墻溫度比背陽處高12℃，差距非常明顯，也再次說明玻璃幕墻是影響熱環境的主要因素。

5.4 熱舒適度計算與評估

熱舒適度[10-11]計算采用PMV-PPD軟件進行計算[12]，具體結果見圖15。

圖15中的舒適度計算指標中，采用室內空氣平均溫度為10℃，表面平均溫度為5℃，風速為室內最大風速1.2m/s，平均相對濕度為55%，其它指標為默認值。

最終計算指標為：PMV=-2.97和PPD=99%兩項都幾乎已經到了極限值，為極度不舒服狀態，可見超大玻璃幕墻建筑在熱環境舒適方面需要繼續改造。

6 結語

通過對南京工業大學浦江學院宿舍樓的物理環境測試（聲學環境、光學環境以及熱環境三方面），定量分析各項物理因素的影響效果，為評估建筑物理環境改造提供實際支撐。研究結果總結如下：①聲環境方面：第1層走廊、室內、中庭三處位置的聲音強度變化呈現類似正弦函數形式變化；宿舍樓的聲音強度干擾性較大，如果條件允許，需要進行必要的改造。②光環境方面：南立面接收光照情況良好，北立面出現不良狀況；由于宿舍樓內布局復雜，各處光照分布不均勻；1層光照強度最差，6層光照強度最高。整體分析可知，除1層外，其余層次都處于采光較好狀態。③熱環境方面：南北玻璃幕墻溫度云圖差距巨大，造成建筑內部熱環境嚴重不平衡；整棟建筑內部的風速較小，中庭采光和通風不明顯，沒有充分的熱交換作用；熱舒適度指標兩項都為極度不舒服狀態，超大玻璃幕墻建筑在熱環境舒適方面需要繼續改造。