周道，許偉航

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

現(xiàn)代生活不斷提高，夏熱冬暖地區(qū)的公共場所均設(shè)置了空調(diào)系統(tǒng)，而空調(diào)系統(tǒng)是能耗大戶，如何從各個方面降低空調(diào)冷負荷，是設(shè)計師們需要關(guān)注的內(nèi)容。夏熱冬暖地區(qū)外海島礁環(huán)境較常規(guī)地區(qū)更為惡劣，其外墻保溫隔熱系統(tǒng)需與當(dāng)?shù)貧夂蚓o密相連，才能達到各方滿意的效果。因此，本文以外海島礁建筑港珠澳大橋東西人工島為例，對外墻保溫系統(tǒng)進行了分析和探討。

1 環(huán)境的特殊性

我國自西向東經(jīng)度跨越約62°，自南向北緯度跨越約50°，加之不同的地形地貌以及大陸和海洋性氣候并存的特點，使得遼闊的疆域上形成了氣候的多樣性。不同氣候?qū)ㄖ挠绊懘嬖谳^大差異，為保證建筑熱工設(shè)計與地區(qū)氣候相適應(yīng)，并為建筑設(shè)計提供氣候參數(shù)，符合國家節(jié)約能源的方針，GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》將全國劃分為嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和地區(qū)5個氣候區(qū)[5]。

夏熱冬暖地區(qū)主要包括廣東、廣西、福建、海南以及臺灣，其氣候特點是最冷月（1月左右）平均氣溫＞10℃，最熱月（7月左右）平均氣溫25～29℃，日平均溫度≥25℃天數(shù)為100～200 d。對于該區(qū)域，必須充分滿足夏季防熱要求。全國建筑熱工設(shè)計分區(qū)如圖1所示。

港珠澳大橋主體工程東、西人工島項目（以下簡稱人工島或本項目）坐落于珠海的外海，屬于人工填筑建設(shè)完成的海中島，東人工島面積為10.2萬m2，西人工島面積為9.8萬m2。人工島除了有夏熱冬暖地區(qū)的氣候環(huán)境外，還具有獨特的外海環(huán)境。

工程附近陸地氣象站（香港、珠海、澳門）歷史資料統(tǒng)計，三地（香港、珠海、澳門）氣象站記錄的年平均氣溫22.3～23℃之間，年平均雨量為1 800～2 300 mm之間，年降雨日數(shù)（日降雨量≥0.1 mm）140 d左右，盛行風(fēng)向以東南偏東和東風(fēng)為主，年平均霧日6～20 d，年平均雷暴日34～62 d，年平均相對濕度78%～80%。

圖1 全國建筑熱工設(shè)計分區(qū)圖Fig.1 Building thermal design zone map of China

2 人工島對建筑外觀的要求

港珠澳大橋是連接香港、珠海、澳門的超大型跨海通道，全長55 km，其中一段為海底隧道，為解決隧道的通風(fēng)、排煙問題，在隧道兩端分別設(shè)置了東、西人工島。因此，人工島成為集交通、管理、服務(wù)、救援及觀光功能為一體的綜合運營中心，除了滿足功能要求外，造型也是必須考慮的因素。人工島遵從極簡的美學(xué)思維，采用清水混凝土搭配全玻璃幕墻的構(gòu)造，希望達到“堅固、實用、美觀”的效果。玻璃幕墻建筑被稱為高能耗的玻璃盒子，流行于全球近半個世紀，因此，在夏熱冬暖地區(qū)外海環(huán)境下更需要充分考慮其隔熱的特性[1]。

3 熱工性能的要求

GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》中根據(jù)建筑熱工設(shè)計的氣候分區(qū)，對各類公共建筑的圍護結(jié)構(gòu)熱工性能做出了規(guī)定[3]。當(dāng)不能滿足規(guī)定時，需按本標準規(guī)定的方法進行權(quán)衡判斷。通常情況，設(shè)計將圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能控制在本標準規(guī)定的范圍內(nèi)。

人工島屬于甲類建筑，其對應(yīng)的圍護結(jié)構(gòu)熱工性能限值如表1所示。

表1 夏熱冬暖地區(qū)甲類公共建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能限值Table 1 Limit value of thermal performance of public building envelope of class A in hot summer and warm winter areas

4 玻璃幕墻的耗能及節(jié)能措施

人工島的建筑外立面除了清水混凝土的梁和柱之外，其余部分全部為玻璃幕墻，如圖2～圖3所示，因此本文的保溫隔熱措施主要從玻璃幕墻的保溫隔熱方面進行闡述。人工島上建筑外立面玻璃幕墻如圖2、圖3所示。

圖2 人工島外立面圖AFig.2 Elevation A of artificial island

圖3 人工島外立面圖BFig.3 Elevation B of artificial island

4.1 建筑玻璃幕墻的分類概述

建筑玻璃幕墻主要分為4類[6]。

1）單層玻璃幕墻

僅有單層玻璃的幕墻，屬于早期傳統(tǒng)的幕墻形式，熱損失是墻體的5～6倍，其能量消耗占整個建筑總能耗的30%～50%，現(xiàn)較少使用。

2）內(nèi)呼吸玻璃幕墻

又稱封閉式內(nèi)通風(fēng)幕墻，外層幕墻完全封閉，內(nèi)層幕墻上下設(shè)有進出風(fēng)口，依靠機械通風(fēng)系統(tǒng)從下部進風(fēng)口吸入空氣，經(jīng)兩層玻璃幕墻間的空氣層由上部出風(fēng)口和吊頂內(nèi)的風(fēng)管排出，形成室內(nèi)空氣的循環(huán)。由于從進風(fēng)口進入的是室內(nèi)空氣，玻璃幕墻間的空氣層中空氣溫度與室內(nèi)基本相同，這就減少了供暖和供冷的能耗，采用這種形式的通風(fēng)玻璃幕墻對供暖地區(qū)更為有利。

3）外呼吸玻璃幕墻

又稱開敞式外通風(fēng)幕墻，內(nèi)幕墻是封閉的，外幕墻設(shè)有進風(fēng)口和出風(fēng)口，將室外新風(fēng)引入，帶走兩層幕墻間空氣層的熱量后從上部出風(fēng)口排出，可減少太陽輻射熱對室內(nèi)的影響，節(jié)約能源。此種幕墻結(jié)構(gòu)不需要專用機械設(shè)備，完全靠自然通風(fēng)與熱壓通風(fēng)實現(xiàn)空氣流動，維護和運行費用低，目前應(yīng)用較為廣泛。在夏季，開啟上、下風(fēng)口進行自然通風(fēng)，降低空氣層內(nèi)的溫度；在冬季，關(guān)閉風(fēng)口形成溫室，起到保溫作用。

4）多層玻璃幕墻

由多層玻璃與空氣層相結(jié)合，根據(jù)選用不同類型組合的玻璃及空氣層厚度達到較低的傳熱系數(shù)，以滿足節(jié)能要求。

綜上，第1類和第2類幕墻不適合夏熱冬暖地區(qū)；外海地區(qū)空氣非常熱濕，且伴有臺風(fēng)天氣，從散熱及安全角度考慮，第3類幕墻不適合外海地區(qū)；因此，本項目采用第4類多層玻璃幕墻。

4.2 常見玻璃的光學(xué)性能

常見玻璃的光學(xué)性能見表2所示[7]。

根據(jù)對以上幾種玻璃光學(xué)性能的比較，采用Low-E中空多層玻璃更適合本項目的需求。

表2 常見玻璃的光學(xué)性能Table 2 Optical properties of common glass

4.3 遮陽措施對熱環(huán)境的影響

1）遮陽對太陽輻射的作用

外圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能受許多因素的影響，其中一項重要影響指標就是遮陽系數(shù)。遮陽系數(shù)越小，透過外圍護結(jié)構(gòu)的太陽輻射熱量越小，防熱效果越好。在夏熱冬暖地區(qū)實測得到的各主要朝向窗口設(shè)置遮陽措施后的遮陽系數(shù)分別為：西向17%，南向45%，北向60%。由此可見，遮陽對遮擋太陽輻射熱的作用是相當(dāng)大的，玻璃幕墻本身的遮陽系數(shù)對保溫隔熱至關(guān)重要[8]。

2）遮陽對室內(nèi)溫度的作用

遮陽對防止室內(nèi)溫度上升有明顯作用[2]，在夏熱冬暖地區(qū)某西向房間試驗觀測表明，在閉窗的情況下，有無遮陽，室內(nèi)最大溫差達2℃，平均溫差約1.4℃。而且有遮陽時，房間溫度波輻值較小，室溫出現(xiàn)最大值的時間延遲，室內(nèi)溫度場均勻。遮陽可以減小空調(diào)房間的冷負荷，所以，對夏熱冬暖地區(qū)以空調(diào)為主的建筑來說，遮陽更是節(jié)約電能的主要措施之一。

本項目在辦公區(qū)、宿舍等人員經(jīng)常停留的室內(nèi)設(shè)置了內(nèi)窗簾用于內(nèi)遮陽，但由于考慮到建筑整體美觀及觀景問題，展覽廳等空間未設(shè)置內(nèi)遮陽，因此，利用幕墻本身的遮陽顯得尤為重要。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示大部分玻璃的遮陽系數(shù)在0.4～0.8左右，為了保證節(jié)能效果，本項目選用的玻璃遮陽系數(shù)為0.38。

4.4 傳熱系數(shù)計算

圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的大小直接影響建筑能耗和建筑的保溫隔熱性能。傳熱系數(shù)與使用的各層材料有關(guān)，其具體計算公式[4]如下：

式中：K 為圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；αn為圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱系數(shù)，W/（m2·K）；αw為圍護結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)，W/（m2·K）；δ為圍護結(jié)構(gòu)各層材料厚度，m；λ為圍護結(jié)構(gòu)各層材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；αλ為導(dǎo)熱材料修正系數(shù)；Rk為封閉空氣間層的熱阻，（m2·K）/W。

通過以上公式計算得出下面3種幕墻玻璃的傳熱系數(shù)，見表3。

表3 3種Low-E幕墻玻璃的傳熱系數(shù)Table 3 The heat transfer coefficient of three Low-E curtain wall glasses

本項目窗墻面積比大于0.8，由表1可知《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》要求傳熱系數(shù)≤2.0，人工島幕墻玻璃選用表3中最后一種，其傳熱系數(shù)為1.57，滿足要求。

5 人工島幕墻的選用

根據(jù)上述分析比較，為避免外海島礁環(huán)境的熱濕空氣進入到室內(nèi)，同時在結(jié)構(gòu)方面重點考慮抗風(fēng)壓的要求，人工島采用全封閉幕墻的形式。幕墻材料為12+2.28SGP+12+12A+12 mm鋼化中空夾膠Low-E玻璃，傳熱系數(shù)為1.57，滿足保溫隔熱要求，并采用新型高強度、高透明、耐久性強且抗沖撞性好的SGP夾膠增加安全性，其有代表性的節(jié)點如圖4所示。

圖4 人工島玻璃幕墻局部節(jié)點示意圖Fig.4 Partial diagram of artificial island glass curtain wall

6 結(jié)語

夏熱冬暖地區(qū)常規(guī)的項目很多，但針對外海島礁環(huán)境的較少，人工島項目地理位置非常特別，因此其外墻的設(shè)置要求更為嚴格，對于設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)的建筑，在保證安全、美觀的前提下，應(yīng)采取相應(yīng)的保溫隔熱措施以節(jié)省能耗。幕墻采用全封閉式，有利于抗風(fēng)壓和高溫高濕的天氣，同時采用傳熱系數(shù)及遮陽系數(shù)較低的Low-E中空玻璃更有利于節(jié)能。