外海岛礁建筑外墙保温隔热系统探讨

周道，许伟航

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

现代生活不断提高，夏热冬暖地区的公共场所均设置了空调系统，而空调系统是能耗大户，如何从各个方面降低空调冷负荷，是设计师们需要关注的内容。夏热冬暖地区外海岛礁环境较常规地区更为恶劣，其外墙保温隔热系统需与当地气候紧密相连，才能达到各方满意的效果。因此，本文以外海岛礁建筑港珠澳大桥东西人工岛为例，对外墙保温系统进行了分析和探讨。

1 环境的特殊性

我国自西向东经度跨越约62°，自南向北纬度跨越约50°，加之不同的地形地貌以及大陆和海洋性气候并存的特点，使得辽阔的疆域上形成了气候的多样性。不同气候对建筑的影响存在较大差异，为保证建筑热工设计与地区气候相适应，并为建筑设计提供气候参数，符合国家节约能源的方针，GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》将全国划分为严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区5个气候区[5]。

夏热冬暖地区主要包括广东、广西、福建、海南以及台湾，其气候特点是最冷月（1月左右）平均气温＞10℃，最热月（7月左右）平均气温25～29℃，日平均温度≥25℃天数为100～200 d。对于该区域，必须充分满足夏季防热要求。全国建筑热工设计分区如图1所示。

港珠澳大桥主体工程东、西人工岛项目（以下简称人工岛或本项目）坐落于珠海的外海，属于人工填筑建设完成的海中岛，东人工岛面积为10.2万m2，西人工岛面积为9.8万m2。人工岛除了有夏热冬暖地区的气候环境外，还具有独特的外海环境。

工程附近陆地气象站（香港、珠海、澳门）历史资料统计，三地（香港、珠海、澳门）气象站记录的年平均气温22.3～23℃之间，年平均雨量为1 800～2 300 mm之间，年降雨日数（日降雨量≥0.1 mm）140 d左右，盛行风向以东南偏东和东风为主，年平均雾日6～20 d，年平均雷暴日34～62 d，年平均相对湿度78%～80%。

图1 全国建筑热工设计分区图Fig.1 Building thermal design zone map of China

2 人工岛对建筑外观的要求

港珠澳大桥是连接香港、珠海、澳门的超大型跨海通道，全长55 km，其中一段为海底隧道，为解决隧道的通风、排烟问题，在隧道两端分别设置了东、西人工岛。因此，人工岛成为集交通、管理、服务、救援及观光功能为一体的综合运营中心，除了满足功能要求外，造型也是必须考虑的因素。人工岛遵从极简的美学思维，采用清水混凝土搭配全玻璃幕墙的构造，希望达到“坚固、实用、美观”的效果。玻璃幕墙建筑被称为高能耗的玻璃盒子，流行于全球近半个世纪，因此，在夏热冬暖地区外海环境下更需要充分考虑其隔热的特性[1]。

3 热工性能的要求

GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》中根据建筑热工设计的气候分区，对各类公共建筑的围护结构热工性能做出了规定[3]。当不能满足规定时，需按本标准规定的方法进行权衡判断。通常情况，设计将围护结构的热工性能控制在本标准规定的范围内。

人工岛属于甲类建筑，其对应的围护结构热工性能限值如表1所示。

表1 夏热冬暖地区甲类公共建筑围护结构热工性能限值Table 1 Limit value of thermal performance of public building envelope of class A in hot summer and warm winter areas

4 玻璃幕墙的耗能及节能措施

人工岛的建筑外立面除了清水混凝土的梁和柱之外，其余部分全部为玻璃幕墙，如图2～图3所示，因此本文的保温隔热措施主要从玻璃幕墙的保温隔热方面进行阐述。人工岛上建筑外立面玻璃幕墙如图2、图3所示。

图2 人工岛外立面图AFig.2 Elevation A of artificial island

图3 人工岛外立面图BFig.3 Elevation B of artificial island

4.1 建筑玻璃幕墙的分类概述

建筑玻璃幕墙主要分为4类[6]。

1）单层玻璃幕墙

仅有单层玻璃的幕墙，属于早期传统的幕墙形式，热损失是墙体的5～6倍，其能量消耗占整个建筑总能耗的30%～50%，现较少使用。

2）内呼吸玻璃幕墙

又称封闭式内通风幕墙，外层幕墙完全封闭，内层幕墙上下设有进出风口，依靠机械通风系统从下部进风口吸入空气，经两层玻璃幕墙间的空气层由上部出风口和吊顶内的风管排出，形成室内空气的循环。由于从进风口进入的是室内空气，玻璃幕墙间的空气层中空气温度与室内基本相同，这就减少了供暖和供冷的能耗，采用这种形式的通风玻璃幕墙对供暖地区更为有利。

3）外呼吸玻璃幕墙

又称开敞式外通风幕墙，内幕墙是封闭的，外幕墙设有进风口和出风口，将室外新风引入，带走两层幕墙间空气层的热量后从上部出风口排出，可减少太阳辐射热对室内的影响，节约能源。此种幕墙结构不需要专用机械设备，完全靠自然通风与热压通风实现空气流动，维护和运行费用低，目前应用较为广泛。在夏季，开启上、下风口进行自然通风，降低空气层内的温度；在冬季，关闭风口形成温室，起到保温作用。

4）多层玻璃幕墙

由多层玻璃与空气层相结合，根据选用不同类型组合的玻璃及空气层厚度达到较低的传热系数，以满足节能要求。

综上，第1类和第2类幕墙不适合夏热冬暖地区；外海地区空气非常热湿，且伴有台风天气，从散热及安全角度考虑，第3类幕墙不适合外海地区；因此，本项目采用第4类多层玻璃幕墙。

4.2 常见玻璃的光学性能

常见玻璃的光学性能见表2所示[7]。

根据对以上几种玻璃光学性能的比较，采用Low-E中空多层玻璃更适合本项目的需求。

表2 常见玻璃的光学性能Table 2 Optical properties of common glass

4.3 遮阳措施对热环境的影响

1）遮阳对太阳辐射的作用

外围护结构的保温隔热性能受许多因素的影响，其中一项重要影响指标就是遮阳系数。遮阳系数越小，透过外围护结构的太阳辐射热量越小，防热效果越好。在夏热冬暖地区实测得到的各主要朝向窗口设置遮阳措施后的遮阳系数分别为：西向17%，南向45%，北向60%。由此可见，遮阳对遮挡太阳辐射热的作用是相当大的，玻璃幕墙本身的遮阳系数对保温隔热至关重要[8]。

2）遮阳对室内温度的作用

遮阳对防止室内温度上升有明显作用[2]，在夏热冬暖地区某西向房间试验观测表明，在闭窗的情况下，有无遮阳，室内最大温差达2℃，平均温差约1.4℃。而且有遮阳时，房间温度波辐值较小，室温出现最大值的时间延迟，室内温度场均匀。遮阳可以减小空调房间的冷负荷，所以，对夏热冬暖地区以空调为主的建筑来说，遮阳更是节约电能的主要措施之一。

本项目在办公区、宿舍等人员经常停留的室内设置了内窗帘用于内遮阳，但由于考虑到建筑整体美观及观景问题，展览厅等空间未设置内遮阳，因此，利用幕墙本身的遮阳显得尤为重要。根据数据显示大部分玻璃的遮阳系数在0.4～0.8左右，为了保证节能效果，本项目选用的玻璃遮阳系数为0.38。

4.4 传热系数计算

围护结构传热系数的大小直接影响建筑能耗和建筑的保温隔热性能。传热系数与使用的各层材料有关，其具体计算公式[4]如下：

式中：K 为围护结构传热系数，W/（m2·K）；αn为围护结构内表面换热系数，W/（m2·K）；αw为围护结构外表面换热系数，W/（m2·K）；δ为围护结构各层材料厚度，m；λ为围护结构各层材料导热系数，W/（m·K）；αλ为导热材料修正系数；Rk为封闭空气间层的热阻，（m2·K）/W。

通过以上公式计算得出下面3种幕墙玻璃的传热系数，见表3。

表3 3种Low-E幕墙玻璃的传热系数Table 3 The heat transfer coefficient of three Low-E curtain wall glasses

本项目窗墙面积比大于0.8，由表1可知《公共建筑节能设计标准》要求传热系数≤2.0，人工岛幕墙玻璃选用表3中最后一种，其传热系数为1.57，满足要求。

5 人工岛幕墙的选用

根据上述分析比较，为避免外海岛礁环境的热湿空气进入到室内，同时在结构方面重点考虑抗风压的要求，人工岛采用全封闭幕墙的形式。幕墙材料为12+2.28SGP+12+12A+12 mm钢化中空夹胶Low-E玻璃，传热系数为1.57，满足保温隔热要求，并采用新型高强度、高透明、耐久性强且抗冲撞性好的SGP夹胶增加安全性，其有代表性的节点如图4所示。

图4 人工岛玻璃幕墙局部节点示意图Fig.4 Partial diagram of artificial island glass curtain wall

6 结语

夏热冬暖地区常规的项目很多，但针对外海岛礁环境的较少，人工岛项目地理位置非常特别，因此其外墙的设置要求更为严格，对于设置空调系统的建筑，在保证安全、美观的前提下，应采取相应的保温隔热措施以节省能耗。幕墙采用全封闭式，有利于抗风压和高温高湿的天气，同时采用传热系数及遮阳系数较低的Low-E中空玻璃更有利于节能。