夏熱冬冷地區(qū)玻璃幕墻宿舍樓物理環(huán)境研究

■ 張軍學(xué) ZHANG Junxue 張一波 ZHANG Yibo 逯 航 LU Hang

0 引言

大玻璃幕墻建筑以龐大的體量、挺拔的高度和壯美的外觀為人們所稱道，然而此類建筑通常需要高能耗才能獲得舒適的物理環(huán)境。尤其是處于夏熱冬冷地區(qū)的玻璃幕墻宿舍樓建筑，有限的資金和嚴(yán)格的物理環(huán)境要求是一對繞不開的矛盾。

1 研究背景

基于以上背景，本文選取南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院宿舍樓為例進(jìn)行物理環(huán)境研究。浦江溧水新校區(qū)為2017年新建成的建筑群，總建筑投資超過1.5億元，建筑面積超過10萬m2，目前已有約4 000名學(xué)生在此校區(qū)學(xué)習(xí)和生活。溧水校區(qū)宿舍樓采用鋼框架結(jié)構(gòu)和超大玻璃幕墻建筑，曲面的玻璃幕墻構(gòu)造、龐大的建筑體量和獨(dú)特的造型給師生帶來巨大的震撼（圖1）。

然而2017年入住后，全鋼框架和超大玻璃幕墻構(gòu)造并沒有帶來舒適的物理環(huán)境。低溫和潮濕的熱環(huán)境，不均勻的光照分布，以及過多遮擋造成的音質(zhì)不佳，都需要進(jìn)行一定程度的改善（圖2）。

圖1 南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院建筑群

圖2 宿舍樓內(nèi)部布局和構(gòu)造

本文以此為切入點(diǎn)，通過室內(nèi)外同步采集數(shù)據(jù)，對南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院宿舍樓進(jìn)行物理環(huán)境量化評估，為物理環(huán)境優(yōu)化提供支持。物理環(huán)境包括聲環(huán)境[1]、光環(huán)境和熱環(huán)境。

2 測試方法

研究采用室內(nèi)外同步采集數(shù)據(jù)。室外采用氣象站自己記錄的氣候數(shù)據(jù)，室內(nèi)用物理環(huán)境測試設(shè)備進(jìn)行記錄。測試時間為2017年11月。

2.1 室外氣象站

該氣象站為自動記錄型，可以以一定頻率記錄室外的各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)，準(zhǔn)確地量化表達(dá)室外的天氣狀況，為對比室內(nèi)研究提供詳實(shí)可行的數(shù)據(jù)（圖3）。各項(xiàng)記錄數(shù)據(jù)包括：空氣溫度、空氣濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨水、光照強(qiáng)度等。

2.2 室內(nèi)測試設(shè)備

圖4和圖5所示為物理環(huán)境常用測試儀器，包括室內(nèi)溫濕度儀、風(fēng)速儀、光照強(qiáng)度測試、聲音測試儀、表面溫度儀以及紅外成像儀等。

3 宿舍樓聲環(huán)境分析

本研究評估的對象是宿舍建筑，宿舍樓的首要要求是聲音強(qiáng)度。由于宿舍樓的聲音要求比專業(yè)建筑（音樂廳等）要求低，建筑師和工程師亦沒有特別重視這方面的設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致新建的宿舍樓音質(zhì)都有較大的問題。表1為選擇一樓走廊、宿舍內(nèi)部和中庭三個部位進(jìn)行的聲音強(qiáng)度測試結(jié)果[2]。

由圖6聲音強(qiáng)度變化曲線可知，一層走廊、室內(nèi)、中庭三處位置的聲音強(qiáng)度變化，沒有隨著距離增加聲音強(qiáng)度減弱，而是呈現(xiàn)類似正弦函數(shù)形式的周期性變化，這是由于三個位置都出現(xiàn)了聲音干擾和回聲現(xiàn)象。走廊兩側(cè)狹窄的距離使得一樓走廊聲音強(qiáng)度變化最接近正弦形式，聲音強(qiáng)度范圍是63～80db，隨著距離的增加，這種效果會更明顯。一樓宿舍內(nèi)部由于距離較遠(yuǎn)，聲音變化幅度會出現(xiàn)低頻周期變化，聲音強(qiáng)度在68～96 db之間，部分角落空間會出現(xiàn)聲音疊加，出現(xiàn)刺耳現(xiàn)象。一樓中庭變化規(guī)律不規(guī)則，出現(xiàn)較長尺度的波峰，判斷影響因素是中庭內(nèi)不規(guī)則裝飾物造成聲音的無序結(jié)果。

總體上，宿舍樓的聲音強(qiáng)度干擾性較大，如果條件允許，需要進(jìn)行必要的改造。

4 宿舍樓光環(huán)境分析

圖3 室外自動型氣象站及其細(xì)部構(gòu)造

圖4 室內(nèi)測試設(shè)備1

圖5 室內(nèi)測試設(shè)備2

浦江宿舍樓設(shè)計(jì)亮點(diǎn)是超大玻璃幕墻，坐南朝北的建筑曲面能最大程度地接收光照，目前根據(jù)調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)，南立面接收光照情況良好，北立面出現(xiàn)不良狀況。由于宿舍樓內(nèi)部布局復(fù)雜，各處光照分布不均勻，本研究選取代表性的測點(diǎn)進(jìn)行光照強(qiáng)度測試[3-4]。

L8和L9兩處出口、入口以及宿舍內(nèi)部的各處測試光照強(qiáng)度見表2，結(jié)果顯示，7處測試點(diǎn)的光照強(qiáng)度極不均勻，L9宿舍樓出口處光照為4 950lx，而位于三樓的304室內(nèi)自然采光只有53lx，L8宿舍樓向光面和背光面的光照強(qiáng)度也有近三倍之差。

表1 聲音強(qiáng)度測試結(jié)果表

表2 主要測試點(diǎn)光照強(qiáng)度表

除關(guān)鍵部位的測試點(diǎn)安排、數(shù)據(jù)采集和結(jié)果分析外，宿舍樓1～6層的光照強(qiáng)度均值變化曲線見圖7。整棟建筑的光照強(qiáng)度隨著高度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，但3層以上光照強(qiáng)度增加變緩。1層光照強(qiáng)度最差，為125lx；6層最高為1 350lx。整體分析可知，除1層外，其余層次都處于采光較好狀態(tài)。

5 宿舍樓熱環(huán)境分析

圖6 一層三個部位的聲音強(qiáng)度變化曲線圖

圖7 宿舍樓光照強(qiáng)度采集曲線圖（1～6層）

熱環(huán)境分析是師生在宿舍樓體驗(yàn)最直接的影響因素[5]。由于整棟建筑并沒有安裝建筑設(shè)備進(jìn)行整體熱環(huán)境調(diào)節(jié)[6-7]，再加上大玻璃幕墻的鋼構(gòu)造，造成宿舍樓整體的熱環(huán)境分布極不均勻。具體結(jié)果與分析見空氣溫濕度、風(fēng)速和表面溫度云圖結(jié)果[8-9]。

5.1 空氣溫度與濕度

宿舍樓內(nèi)部的空氣溫度范圍為4～7.5℃，隨著時間延長，中午13:00～14:00溫度最高，之后再次呈下降趨勢。最高溫度為14:00時刻的第3層，為7.5℃，最低溫度為17:00時刻的第6層。

9:00～10:00時刻，宿舍樓內(nèi)溫度大小排序?yàn)椋?層>4層>2層>1層>5層>6層；11:00～13:00時刻，建筑物內(nèi)部溫度排序?yàn)椋?層>4層>2層>1層>5層>6層；14:00～15:00，溫度變化為：3層>4層>1層>2層>5層>6層；16:00～17:00為4層>3層>2層>1層>5層>6層（圖8）。

宿舍樓整體濕度變化趨勢呈先下降再升高的趨勢，和溫度變化呈互補(bǔ)關(guān)系。濕度最大的為第5層，為58%～62%，分析原因可能是由于室內(nèi)放置較多物品，并與正在裝修施工有關(guān)。濕度最小的為第4層，變化范圍46%～52%，這與第4層為南北通透的環(huán)境，可以隨時進(jìn)行熱濕交換有關(guān)。整棟建筑的各層濕度變化按大小排序?yàn)椋?層>2層>1層>3層>6層>4層。

圖9中2層、6層濕度變化出現(xiàn)較大波動，分析因素包括：樓層內(nèi)部堆積雜物較多、裝修工人正在進(jìn)行裝修、測定選擇誤差和測試人員操作等。

5.2 建筑內(nèi)外風(fēng)環(huán)境分析

圖8 宿舍樓各層空氣溫度變化塊圖

圖10 和圖11為建筑內(nèi)外同一測試環(huán)境下風(fēng)速變化示意圖。室外風(fēng)速約為室內(nèi)風(fēng)速的3倍，室外最大風(fēng)速為17:00的3m/s，最小風(fēng)速為13:00的0.5m/s；室內(nèi)風(fēng)速最大為12:00的1.1m/s，最小為1.5m/s。整棟建筑內(nèi)部的風(fēng)速較小，中庭采光和通風(fēng)的作用不明顯，沒有充分的熱交換作用。特別是整棟宿舍樓建筑的玻璃幕墻開窗比例較小、玻璃幕墻體積較大、不易開啟等都造成了通風(fēng)方面的問題。

5.3 宿舍樓內(nèi)外重點(diǎn)部位表面溫度分析

作為建筑最具有特色的部位——超大玻璃幕墻，其表面溫度是一項(xiàng)關(guān)鍵的熱環(huán)境指標(biāo)。在本部分的實(shí)驗(yàn)測試中，采用紅外成像儀進(jìn)行數(shù)據(jù)方法的采集，通過對玻璃幕墻南北兩個方向的溫度云圖采集，可以直觀地看到整棟幕墻的表面溫度分布。

圖12為向光面（南）的溫度云圖，最高溫度為18.9℃，最低為3.7℃，溫差約為15℃.高溫度部位為窗框，玻璃部位較低，說明兩種材料的熱吸收系數(shù)有較大差距。圖13為背光面（北）的溫度云圖，最高溫度僅為9.5℃，最低已經(jīng)到-5.1℃。

南北兩面的玻璃幕墻溫度云圖有著巨大的差距，造成了建筑內(nèi)部熱環(huán)境的嚴(yán)重不平衡。南側(cè)室內(nèi)的溫度明顯高于北側(cè)，再加上內(nèi)部無熱環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，造成師生普遍不希望在北側(cè)滯留。

此問題為急需解決的難題之一。

為定量分析各層室內(nèi)表面溫度變化情況，選擇1～5層常用宿舍樓層為研究對象，著重從樓頂、地面、東面、西面、南面、北面等部位，分析宿舍內(nèi)部溫度變化情況（圖14）。

圖9 宿舍樓各層濕度變化曲線圖

圖中結(jié)果分析可知，第3層六個部位的表面溫度是最高的，基本都處在峰值位置，第3層室內(nèi)溫度范圍為6～7℃。這是因?yàn)榈?層處于中間樓層，熱量保存具有優(yōu)勢；第1層和第5層是最差的，分析原因是由于第1層和地面熱交換較大，第5層接近頂層熱交換同樣偏高，造成了如圖14所示的變化結(jié)果。

圖10 室外風(fēng)速變化圖

圖11 室內(nèi)風(fēng)速變化圖

圖12 向光面玻璃幕墻表面溫度云圖（南）

圖13 背光面玻璃幕墻表面溫度云圖（北）

圖14 宿舍樓各層房間表面溫度變化曲線圖

圖15 宿舍樓內(nèi)熱舒適度定量計(jì)算圖

表3 為建筑內(nèi)部背陽處和向陽處的材料表面溫度對比表

表3為建筑內(nèi)部個別部位在背陽處和向陽處的溫度對比列表。表中結(jié)果差別明顯，向陽處的各種材料溫度值都明顯大于背陽處。最大的差別在玻璃幕墻上，向陽處玻璃幕墻溫度比背陽處高12℃，差距非常明顯，也再次說明玻璃幕墻是影響熱環(huán)境的主要因素。

5.4 熱舒適度計(jì)算與評估

熱舒適度[10-11]計(jì)算采用PMV-PPD軟件進(jìn)行計(jì)算[12]，具體結(jié)果見圖15。

圖15中的舒適度計(jì)算指標(biāo)中，采用室內(nèi)空氣平均溫度為10℃，表面平均溫度為5℃，風(fēng)速為室內(nèi)最大風(fēng)速1.2m/s，平均相對濕度為55%，其它指標(biāo)為默認(rèn)值。

最終計(jì)算指標(biāo)為：PMV=-2.97和PPD=99%兩項(xiàng)都幾乎已經(jīng)到了極限值，為極度不舒服狀態(tài)，可見超大玻璃幕墻建筑在熱環(huán)境舒適方面需要繼續(xù)改造。

6 結(jié)語

通過對南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院宿舍樓的物理環(huán)境測試（聲學(xué)環(huán)境、光學(xué)環(huán)境以及熱環(huán)境三方面），定量分析各項(xiàng)物理因素的影響效果，為評估建筑物理環(huán)境改造提供實(shí)際支撐。研究結(jié)果總結(jié)如下：①聲環(huán)境方面：第1層走廊、室內(nèi)、中庭三處位置的聲音強(qiáng)度變化呈現(xiàn)類似正弦函數(shù)形式變化；宿舍樓的聲音強(qiáng)度干擾性較大，如果條件允許，需要進(jìn)行必要的改造。②光環(huán)境方面：南立面接收光照情況良好，北立面出現(xiàn)不良狀況；由于宿舍樓內(nèi)布局復(fù)雜，各處光照分布不均勻；1層光照強(qiáng)度最差，6層光照強(qiáng)度最高。整體分析可知，除1層外，其余層次都處于采光較好狀態(tài)。③熱環(huán)境方面：南北玻璃幕墻溫度云圖差距巨大，造成建筑內(nèi)部熱環(huán)境嚴(yán)重不平衡；整棟建筑內(nèi)部的風(fēng)速較小，中庭采光和通風(fēng)不明顯，沒有充分的熱交換作用；熱舒適度指標(biāo)兩項(xiàng)都為極度不舒服狀態(tài)，超大玻璃幕墻建筑在熱環(huán)境舒適方面需要繼續(xù)改造。