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双层“集热腔”玻璃幕墙的设计实践

来源:2019年会论文集  作者:殷兵利 董彪 杨洪智  日期:2019-4-16
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  摘要;双层玻璃幕墙具有优异的保温、隔热、隔音、防雨等功能,但由于幕墙构造复杂、造价高,对建筑项目的造价成本提出了较高的要求。本文结合高寒地区气候特点,因地制宜,利用传统双层玻璃幕墙的保温原理,创新性地采用门窗构造实现了双层“集热腔”,充分改善了冬季高寒地区室内的气温条件,同时较好地控制了工程造价,为此类幕墙工程的设计提供了新的思路。
  关键词:双层幕墙,保温蓄热,集热腔,节能,幕墙构造

  1、前言

  双层玻璃幕墙具有优异的、、、防雨等功能,已在我国多项工程中成功应用。由于在夏季、冬季和春秋季,对应有隔热、保温和通风换气的功能需要,因此通常在最外层玻璃幕墙上设置通风百叶或电动开启扇、同时在缓冲腔的层间设置较为复杂的进气和出气,幕墙构造复杂、造价较高,通常在一些品质较高或造价充裕的建筑项目中使用。

  我国地缘辽阔、不同地区的气候差异较大。在夏热冬暖地区,时间较长,大气温度较高,外幕墙以、隔热的功能为主;而在严寒或寒冷地区,冬季漫长,外幕墙则以保温、蓄热的功能为主。因此从幕墙节能与造价的平衡角度而言,在严寒或寒冷地区且造价控制较为严格的建筑项目,玻璃幕墙应加强保温和蓄热功能,以提高建筑节能、控制工程造价。四川省若尔盖县下热尔村处于高海拔、严寒地区,该村的小学宿舍楼项目建设就是因地制宜,充分利用当地白天充足的阳光照射,在玻璃幕墙设计中应用“集热腔”原理,高效地实现了的保温、蓄热功能,同时控制了工程造价。

  2、工程概况

  下热尔村小学位于四川省阿坝藏族自治州若尔盖县,地处青藏高原东北边缘、四川省北部,县城海拔3406米。高海拔的地域特点,赋予了这里美丽的同时,也给这片土地上的人们出了一道难题——高寒。若尔盖县属高原寒温带湿润季风气候,常年无夏,年平均气温1。1℃,低于拉萨7。4℃的年平均气温。每年9月下旬土地开始冻结,5月中旬完全解冻,冻土最深达72厘米,高寒的气候曾使生活在阿西乡下热尔村小学的孩子们苦不堪言。

  学校原有的学生宿舍建设于80年代,为砖。由于校舍建设时间长,年久失修,存在一定的安全隐患。且宿舍内没有安全有效的设施,严寒的冬季,孩子们不仅要盖着厚厚的棉被,还要裹上厚厚的棉衣棉裤方能入睡。即使这样,孩子们还经常在半夜被冻醒,整个冬天饱受冻疮的困扰和折磨(图1,2)。

图1 校舍旧址

图2 校舍旧址内部

  2013年,一对上海爱心夫妇携手中国扶贫基金会,提出运用的理念,利用高原特有的优势资源——光照,在不借助其他任何能源的情况下,在造价可控的同时,为孩子们建造一栋全被动式节能宿舍——“暖巢一号”。本项目由中国建筑西南设计研究院有限公司赞助设计,并由院总建筑师钱方担任设计总负责人,旨在为孩子们提供温暖舒适的校舍(图3,4)。

  新建宿舍楼建筑高度13。286米,地上建筑4层。建筑面积1300平方米,双层玻璃幕墙面积300平方米,共有校舍18间,投入使用后,能够解决全校163名学生的住宿问题。

图3 新校舍建成照片

图4 新校舍建成照片

  3、 双层幕墙系统设计

  3.1幕墙系统架构

  本项目位于四川省阿坝州,属于我国寒冷地区。若采用传统的玻璃幕墙进行设计,由于过大将直接影响室内建筑节能效果;若采用传统的双层玻璃幕墙,由于造价较高不能实现本项目的造价控制。因此我们决定因地制宜,利用若尔盖地区白天丰富的光照资源,结合双层幕墙构造,采用“集热腔”原理来设计幕墙构造。在本项目的南立面创新性的采用了内层大洞口断热+外层通高单层玻璃幕墙系统的设计方式。

  白天利用内、外两层玻璃幕墙之间的缓冲空腔形成“集热腔”,高效地空腔内的空气并与室内空气形成交换,提升房间内的气温;夜晚通过户内侧加厚型棉毡保温窗帘和保温墙体进行保温和蓄热,阻挡房间内热量的散失。经过理论分析和工程竣工后的实际测试,本项目双层幕墙系统实现了优异的保温蓄热的要求。

  具体构造为:外层采用单片钢化白玻幕墙系统(窗构造),内层为土建聚氨酯喷涂保温墙体+断热,控制两层墙体之间距离形成“集热腔”。在白天阳光透过外层玻璃幕墙加热“集热腔”内的空气,内的温度积聚上升,热空气透过内层门窗系统进入室内;在夜晚室内毡窗帘关闭,阻止室内热量散失。每间宿舍的室外“集热腔”相互独立、封闭,即提高了腔体内空气的加热效率,又减缓了腔体间空气的,降低热量损失。

  在非寒冷季节,为了满足室内自然通风和换气的功能要求,在外层玻璃幕墙立面上设置开启。开启扇在寒冷季节保持常闭,在非寒冷季节可开启换气。

图5 幕墙典型立面图

图6 幕墙建成典型立面照片

图7 幕墙建成典型立面照片

图8双层幕墙系统图解示意

  3.2 幕墙构造设计

图9 双层幕墙隔断位置(无开启扇)横剖节点

图10 双层幕墙隔断位置(有开启扇)横剖节点

图11 双层幕墙层间竖剖节点

  3.3 幕墙热工性能测试

  项目竣工后,我们经过实地测试,校舍房间可成功实现室外-20℃至-10℃的严冬环境中,室内温度不低于12℃!实现了仅依靠双层玻璃幕墙的“保温蓄热”,不借助任何能源就可以保证孩子们顺利渡过高寒地区寒冷的冬天(图12,13,14)。

图12测试房间位置

图13下热尔小学室外环境温度

图14各宿舍室内温度变化

  4、结语

  本项目于2014年9月完成施工图设计工作,在参建各方共同的努力下,克服重重困难于2016年5月底竣工。项目规模虽然不大,但幕墙设计工作有诸多挑战:尽量控制和节约工程造价、满足建筑节能要求、利用现有铝合金进行设计和施工等。通过我们的理论分析和实地测试,使我们最初确定的双层“集热腔”玻璃幕墙构造经受住了理论和实测的双重考验,结果在一定程度上超乎了我们的想象!这是一段有意义、有温暖的设计经历,看到孩子们开心的笑脸,才是我们的追求。

  参考文献

  [1]中国建筑科学研究院.热工设计规范秒速飞艇平台GB 50176-2016[S].北京:中国建筑工业出版社. 2016

  [2]中国建筑科学研究院.GB 50189-2015[S].北京:中国建筑工业出版社. 2015

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