寒地校园建筑表皮的气候适应性研究★

瞿萧羽 刘子恒

(1.吉林建筑大学城建学院，吉林 长春 130111； 2.长春华大房地产开发有限责任公司，吉林 长春 130000)

寒地校园建筑表皮的气候适应性研究★

瞿萧羽1刘子恒2

(1.吉林建筑大学城建学院，吉林 长春 130111； 2.长春华大房地产开发有限责任公司，吉林 长春 130000)

对寒地建筑表皮的气候适应性进行分析，提出通过采用适宜的墙体蓄热材料及新型墙体保温系统、双层幕墙及太阳能光伏与建筑一体化设计可以增强建筑表皮的气候适应性，减少由于北方严寒地区气候条件造成的建筑能耗，对建设节约型校园和发展绿色建筑具有指导意义。

寒地，气候适应性，建筑表皮

0 引言

气候适应性是建筑对自然环境一种积极的共生策略[1]，气候适应性建筑表皮是建筑围护结构根据外界气候变化进行的动态调节系统。表皮良好的适应性和动态调节性能够适应寒地冬季极端的气候条件，保证表皮在冬季能够高效吸收太阳辐射热，同时阻止室内热量散失，降低室内的采暖空调能耗。随着寒地高校新建校区规模和建筑体量增大，使用人数增多且使用时间的相对集中，导致校园建筑能源消耗突出。对寒地校园建筑采用气候适应性建筑表皮技术，能够保证建筑室内的热舒适度，减少建筑冬季采暖耗热量，节约高校运行成本，利于建设节约型和可持续的校园。

1 建筑表皮的气候适应性研究途径

建筑表皮是减少建筑能耗的重要措施，表皮形式、材料及构造方式决定了建筑能耗。建筑物理学能耗公式为:Q=A(t2-t1)K/d。其中，Q为传热量；A为外界表面积；K为材料的导热系数；d为材料厚度。

要减少能耗可以采取以下措施：减小外界表面积A,降低材料导热系数K，选择热阻大的材料及合理厚度；积极考虑室内外温差变化，变量(t2-t1)是决定耗热量的重要指标，将建筑表皮作为建筑的被动式气候调节系统，通过适应性表皮技术实现对自然气候的积极回应，从而获取表皮研究的途径和方法，建筑能耗影响因素见表1。

表1 建筑能耗影响因素

2 采用适宜的墙体蓄热材料及新型墙体保温系统

2.1新型复合墙体

目前的新型墙体材料已经逐渐向热工性能好、适应气候变化的复合型墙体发展。出现很多新型高蓄热的墙体材料及新型墙体保温系统，吉林建筑大学城建学院新校区示范工程建设主要选用的外墙保温模块系统，集保温与结构一体化设计，其优点是施工速度快，不易产生热桥，不易出现开裂，复合墙体的传热系数K达到0.11 W/(m2·K)。STP外保温围护结构体系适用于混凝土和砌体结构，中国建筑科学研究院能环所节能示范楼,采用STP外保温围护结构体系，导热系数达到0.008 W/(m·K)，蓄热系数达到0.73 W/(m·K)。

2.2TWD外墙

TWD外墙是一种半透明的黑色板材和透光保温材料复合而成的构件，冬季可以高效的吸收太阳辐射热，热量储存后再缓慢释放到内部空间，提高建筑对气候环境的适应力。在赫尔佐格的青年教育中心客房中采用，在室外低温、室内无采暖条件下满足室内的热舒适度要求，可用于寒地校园的学生宿舍、专家公寓等建筑中。

2.3特隆布墙体

特隆布墙体是一种收集太阳能热的外墙系统，冬季新鲜空气从外墙底部进入空腔，被太阳辐射热加热后进入室内，利用温室效应保温，从而降低寒地校园建筑供暖系统的负担；夏季使空气直接上升排到室外来防止热量进入室内，利用烟囱效应促进通风降温除热。墙体通常采用厚度约300 mm的混凝土、砖、石作为储热体，构造简单，可节约高校建筑成本。

3 双层幕墙

3.1双层玻璃幕墙

双层玻璃幕墙具有一定的气候适应性，在应对不同气候变化方面具有相当大的技术优势。严寒地区校园建筑采用玻璃幕墙可明显改善建筑外观，丰富建筑立面效果，使建筑别具一格。目前寒地普遍采用的单层玻璃幕墙严重影响室内热舒适度和能耗，双层幕墙比单层幕墙在采暖期节约能源40%～60%，夏季遮阳通风条件下节约制冷能耗约57%。在寒地极端气候条件下玻璃幕墙更加需要体现复合性和气候适应性。双层幕墙为建筑提供温度缓冲层,其通风原理与特隆布墙体的原理相同，充分利用太阳能及自然通风换气，降低空调能耗。有研究者对寒地教学类建筑进行双层幕墙的改造后测试室内温度变化5 ℃～6 ℃，使用者对经过加双层幕墙改造的房间室内温度和舒适度更满意，改造后对空调采暖需求明显降低，说明双层幕墙在严寒地区的采暖节能方面有很大潜力。

3.2双层玻璃幕墙复合百叶

在双层玻璃夹层中设置百叶，冬季时打开百叶，关闭通风，争取最大化采光；夏季利用百叶遮挡和夹层通风将热量带走，从而实现节能[2]。这种遮阳构造双层幕墙较单层幕墙防热能力好，尤其在西向具有较大的防热优势。如清华大学超低能耗示范楼建筑南立面为窄通道双层通风玻璃幕墙，通风夹层为200 mm，幕墙外侧做遮阳叶片,每个叶片均设置单独的自控系统，根据不同区域功能要求进行自动控制调节，实现最大程度的利用太阳能。

3.3玻璃幕墙工业化

玻璃幕墙采用工业化加工生产、现场安装方式建造，随着近几年装配式建筑的发展，双层幕墙大量采用预制装配系统，双层幕墙将成为建筑工业化发展的一种重要形式。

4 太阳能光伏与建筑一体化设计

4.1光伏技术在工程建设中的优势

光伏和建筑一体化集成设计(BIPV)注重建筑与光伏组件的结合，强调在保证发电量的前提下，最大化保持建筑的外观、性能及功能要求[3]。它将现代技术融入校园建筑中，赋予校园建筑鲜明的现代科技和时代特色，同时为高校提供技术展示平台。

光伏建筑一体化将太阳能发电系统集成在建筑物屋顶、幕墙等建筑构件中，该技术将建筑物打造成独立的太阳能发电站为建筑物提供清洁电力供给，利用半导体界面的光伏效应将光能直接转变为电能。目前主要应用于光伏发电的电池分为两种：较为成熟的晶硅电池和新一代薄膜电池。传统的晶硅电池构造和生产工艺已经定型，广泛应用于工程建设；薄膜电池属于非晶硅结构，其厚度小于1 μm，连晶硅电池厚度的1/100都不到，大大降低了制造成本。

4.2屋顶太阳能系统

屋顶安装光伏电池板及太阳能集热系统，吉林建筑大学城建学院新校区示范工程屋面安装多晶硅太阳能光伏组件和适于东北气候特点的集中式真空管太阳能集热器，实现太阳能的资源性转化。从设计阶段就将光伏考虑进去，实现光伏与建筑同步设计、同步施工，使光伏技术与建筑有机结合。

薄膜发电在与屋面集成设计中具有更大的优势。汉能最新推出的屋面“汉瓦”将柔性薄膜太阳能芯片与屋面瓦融为一体；APEC会议薄膜发电车棚采用汉能的太阳能薄膜发电技术，将高效薄膜发电组件集成在车棚顶，都是薄膜发电在工程建设中的成功范例。

4.3光伏幕墙一体化

太阳能光伏幕墙将光电技术融入玻璃，用具有透光能力的玻璃太阳能光电池取代玻璃幕墙上的玻璃，增加室内自然采光，利用可再生能源进行发电供建筑自身使用。这种复合材料不多占用建筑面积，优美的外观具有特殊的装饰效果。清华大学超低能耗示范楼，建筑南立面的双层玻璃幕墙外侧，采用的单晶硅光电玻璃具有透光性，不影响室内采光，光电玻璃发电供给建筑的外遮阳系统使用。

将非晶硅电池片呈百叶状置于双层玻璃幕墙中空层形成的建筑光伏幕墙，实现太阳能光伏发电与建筑表皮的完美结合，具有比普通幕墙更好的节能效果。通过在太阳能光伏方阵顶部的墙体上设置风口风阀，非供暖季节将太阳能光伏方阵冷却空气风排入大气，供暖季节将太阳能光伏方阵冷却空气引入室内，既能降低太阳能电池温升，提高太阳能电池转换效率，又能提高室内温度，可极大的提高能量利用率。

薄膜发电用于建筑幕墙，通过表皮一体化实现光伏发电来降温降耗，保证与建筑外观的协调美观，可提高室内舒适度并减少采光能耗。薄膜幕墙组件单位面积成本比高质量玻璃幕墙增加30%～50%，因此现阶段寒冷地区薄膜光伏系统在工程建造领域还未大规模应用。

[1] 李保峰.适应夏热冬冷地区气候的建筑表皮之可变化设计策略[D].北京：清华大学博士学位论文，2004:89.

[2] 唐 丽，陈 珅，尹 方.建筑设计与新技术新材料——从世博建筑看设计发展[M].天津:天津大学出版社，2011:212.

[3] 李现辉，郝 斌.太阳能光伏建筑一体化工程设计与案例[M].北京：中国建筑工业出版社，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★:吉林建筑大学城建学院院科字[2013]第010号

瞿萧羽(1983- )，女，硕士,讲师; 刘子恒(1981- )，男，工程师

TU201.5

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