严寒地区大玻璃幕墙建筑节能技术路线探究

杨 勇 王自尚 周雪瑶

(黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

1 概述

严寒地区主要包括我国东北地区、内蒙古、新疆北部、西藏北部、青海等地区，气候条件严酷恶劣，采暖季长达近6个月之久，极端的天气对该区域建筑大玻璃幕墙的应用带来极大难度。随着近年来建筑技术的不断提高，幕墙的应用俨然成为时尚建筑的标志性元素，然而玻璃幕墙建筑采用大面积玻璃作为围护结构,热工性能和光学性能与传统围护结构有很大不同,它在带来美观通透的艺术效果的同时,也产生了巨大的能耗问题[1]。

调研发现哈尔滨市现有的大玻璃幕墙建筑占比很小，哈尔滨大剧院是使用大玻璃幕墙较为典型的一例。松北区某一在建大型商场主体结构建成后主立面为均匀布置2 000 mm×3 000 mm的方形窗洞，但因为主立面不够美观，后期施工过程中在已经建成的主体结构外侧增设了一层大玻璃幕墙，规范中规定,严寒地区不宜提倡在建筑立面上大面积应用玻璃(或其他透光材料)幕墙。如果希望建筑的立面有玻璃的质感，可使用非透光的玻璃幕墙，即玻璃的后面仍然是保温隔热材料和普通墙体[2]，从光空间的营造上来讲，这种幕墙的设置方法不符合幕墙使用的初衷，本身就是设计上的矛盾点，技术的疲软给功能和形象带来巨大压力，是严寒地区大玻璃幕墙应用方面需要不断探究并解决的问题。

2 BIM及建筑物理环境模拟大赛

2.1 竞赛介绍

“BIM及建筑物理环境模拟大赛”由黑龙江省教育厅主办，哈尔滨理工大学与黑龙江省土木学会绿色建筑委员会承办，旨在提高青年学生的科技创新和工程实践能力，同时提高黑龙江省高校在BIM应用技术及绿色建筑领域的教学和教育水平。竞赛内容要求，在中外建筑大师的作品中挑选设计方案，以哈尔滨为模拟建筑地点进行建筑信息模型的建立以及物理环境的模拟分析。对建筑的合理性进行评价，并提出改造建议以及节能设计方案，比赛过程中热环境模拟部分所用的节能分析软件主要为绿建斯维尔节能设计软件BECS及绿建斯维尔能耗计算软件BESI。

2.2 竞赛作品简介

本次竞赛方案以巴塞罗那当代艺术博物馆为蓝本,在尽可能尊重其原设计方案的基础上进行局部改动,改造后的方案共三层，功能空间与巴塞罗那艺术博物馆基本一致。保留重要空间的玻璃幕墙、天窗等透明围护结构，对门窗、墙体、幕墙等围护结构在材料选取、构造层次等方面进行合理改造设计，使之在保证光空间丰富性的同时满足节能的合理性需求。

巴塞罗那当代艺术博物馆(如图1所示)建于1995年，充满现代派艺术特色，是建筑大师理查德·迈耶的作品。建筑材料以白色混凝土为主，同时加入了玻璃的应用，功能上博物馆在纵向主要为三层展览空间，横向主要分为办公空间、接待空间、展览空间三部分；除门厅外，坡道厅以玻璃幕墙围合；采光方面主要展厅局部靠顶部采光，特别是在顶层，loft式空间被百叶天窗覆盖，光线通过天窗和开洞照亮底层空间[3]。

2.3 研究对象及研究目的

本文所要研究的是指有大面积玻璃幕墙应用的建筑，以巴塞罗那当代艺术博物馆物理环境模拟项目为具体研究对象，主要探究其在严寒地区的节能设计问题，对巴塞罗那当代艺术博物馆进行建模分析(见图2)，通过对外围护结构参数的优化调整，从而发现大玻璃幕墙建筑的节能设计要点，并提供一种优化设计方案，为严寒地区建筑设计的多样化提供技术支持，从理论上探讨严寒地区大玻璃幕墙建筑的节能降耗方法，进而推动玻璃幕墙在严寒地区建筑中的合理应用。

3 严寒地区大玻璃幕墙建筑节能设计技术路线

从玻璃在建筑中的应用和建筑围护结构的发展过程可以看出,现代建筑中由玻璃所承担的透明围护结构的形式基本可以归为三种：玻璃采光顶、建筑窗户、玻璃幕墙。建筑的透明围护结构,需要具有采光、通风、防热及保温等多种建筑功能,也需要满足视觉愉悦及意义表达丰富的外观形态,同时在建造及节能方面具有比非透明围护更大的挖掘潜力。本文通过建模分析，优化调整屋顶构造，外墙构造，天窗，外窗及幕墙的材料选取和组合方式，最终得出满足节能设计标准的设计方案。

3.1 研究对象的既定参数

哈尔滨位于中国最北端，是中国纬度最高、气温最低的大城市，属于严寒地区。1月平均气温不大于-10 ℃，7月平均气温不大于25 ℃。建筑物必须满足冬季保温、防寒、防冻等要求，一般可不考虑夏季防热，本模拟项目的拟建地点就是严寒地区的代表城市哈尔滨市。

模拟项目方案的建筑面积为8 438.43 m2，主立面朝向南偏东24°，体型系数为0.22,窗墙比分别为东向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积玻璃幕墙的应用，因此不满足严寒地区各单一立面窗墙面积比(包括透光幕墙)均不宜超过0.60的相关规定，在后续的围护结构方案设计中按照图3的程序进行权衡判断，优化设计。

3.2 非透明围护结构构造措施的选择

非透明围护结构主要指屋面和外墙，表1为本方案的屋顶和外墙保温构造做法。

表1 非透明围护结构

1)屋顶采用倒置式屋面做法，保温层为150 mm厚挤塑聚苯板，屋面总厚度350 mm。

2)外墙保温层为132 mm厚聚苯板，核心层为190 mm厚承重混凝土砌块，外墙总厚度为370 mm。

3.3 透明围护结构的选择

天窗、外窗和玻璃幕墙是节能设计的重要部分，本方案中应用到Low-E玻璃和白玻分层组合的节能玻璃。

1)天窗采用6+9A+6+9A+6暖边密封节能组合玻璃，自遮阳系数为0.77；

2)外窗采用6+12A+6Low-E+9A+6暖边密封节能玻璃，可见光投射比为0.76；

3)玻璃幕墙采用4+12A+4Low-E暖边密封节能玻璃，可见光投射比为0.80。

3.4 BESC模拟分析结果

在上述外围护结构条件下进行能耗模拟计算，得出主要围护结构的热工性能：

1)外窗及玻璃幕墙的热工性能为东、西、南、北向透明围护结构的传热系数分别是1.27 W/(m2·K),1.41 W/(m2·K),1.21 W/(m2·K)，1.29 W/(m2·K)，综合平均传热系数为1.27 W/(m2·K)；

2)屋面热工性能为总传热系数0.23 W/(m2·K)；

3)外墙热工性能为总体传热系数为0.28 W/(m2·K)，考虑线性热桥后的值为0.37 W/(m2·K)。

3.5 综合权衡判断

目前，我国有大型公共建筑5亿多栋，用电强度在70 kWh/(m2·年)～300 kWh/(m2·年)之间，是住宅的10倍～20倍。因此，公共建筑能源管理是促进节能的重要途径之一，它将有效地制约建筑能耗的增长速度[4，5]。为了提高建筑能耗管理水平，实现节能的目标和要求，必须建立建筑能耗基准[6]。公共建筑围护结构热工性能权衡判断是提高能源效率、指导建筑节能设计的工具原则，是一种性能化的设计方法。

权衡判断的具体做法就是先构想出一栋虚拟的建筑，称之为参照建筑，然后分别计算参照建筑和实际设计的建筑全年供暖和空调能耗，并依照这两个能耗的比较结果作出判断。当实际设计的建筑能耗大于参照建筑的能耗时，调整部分设计参数(例如提高窗户的保温隔热性能、缩小窗户面积等)，重新计算设计建筑的能耗，直至实际设计建筑的能耗不大于参照建筑的能耗为止[2]。

3.5.1计算条件

设定参照建筑相关参数进行模拟分析计算，得出分析结果，见表2。

表2 计算条件

3.5.2计算结果

根据表2分析计算得出：全年供暖和空调总耗电量60.91 kWh/m2、供热耗电量45.69 kWh/m2、耗热量80.33 kWh/m2分别小于参照建筑64.90 kWh/m2,50.22 kWh/m2,88.30 kWh/m2的能耗值，依据GB 50189—2015公共建筑节能设计标准第3.4.2条，本模拟项目的设计方案满足节能设计标准。

4 结语

在做严寒地区大玻璃幕墙节能设计时，权衡判断是有效的性能优化设计原则，但应注意两点：

1)以玻璃幕墙的功能性为基础;

2)对建筑整体能耗做权衡判断并优化方案设计的过程中，不能仅仅以能耗达标为目标导向，忽略掉建筑空间使用者对空间光环境的需求。

本模拟项目在做模拟分析能耗计算时，首先保证空间光环境的合理性，然后经过“外围护结构设计—权衡判断—再设计”的过程，直至方案达标，通过模拟分析提出了外围护结构节能设计构造具体做法，为今后严寒地区的大玻璃幕墙建筑节能设计提供一定的理论遵循和思想启发，随着建筑科技的不断进步，各种新型围护结构材料的研发，玻璃幕墙在严寒地区建筑设计上的应用必将突破技术上的壁垒，走向多样化，也更具创新性。