建筑設(shè)計(jì)下圖書館建筑節(jié)能研究

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1圖書館建筑節(jié)能設(shè)計(jì)措施及具體方法

1.1降低體型系數(shù)

體型系數(shù)是衡量建筑節(jié)能效果的重要指標(biāo)。體型系數(shù)越小，建筑能耗量越少，節(jié)能效果就越好，因此，圖書館的外形不宜太復(fù)雜，應(yīng)避免或減少平面的凸凹變化。通常圖書館建筑體形系數(shù)＜0.3時(shí)，有利于節(jié)能。當(dāng)?shù)酌娣e一定時(shí)，圖書館層數(shù)越高，體形系數(shù)越小，越有利于節(jié)能。

1.2保持合理的窗墻比

窗墻比是指圖書館窗戶洞口面積與房間立面單元面積的比值。據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過(guò)窗戶流失的熱量占建筑能耗的46%，因此，控制窗墻比是個(gè)有效的節(jié)能手段。而在寒冷地區(qū)采用單層窗、嚴(yán)寒地區(qū)采用雙層窗或雙玻窗條件下，一旦加大窗墻面積比，對(duì)建筑節(jié)能極其不利。

1.3采用高性能的節(jié)能門窗

型節(jié)能門窗，提高外窗氣密性，如窗框選用斷熱型鋁合金、玻璃鋼、PVC等，玻璃選用中空、熱反射、低輻射玻璃等，并處理好與墻柱的交結(jié)，在熱橋部位加設(shè)保溫體。

1.4降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)

傳熱系數(shù)是指在單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)單位面積圖書館建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量。在圖書館建筑輪廓尺寸和窗墻面積比不變的條件下，耗熱量指標(biāo)隨圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)的降低而降低。在計(jì)算圖書館建筑結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)時(shí)，使各圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)盡量小于規(guī)定的相應(yīng)傳熱系數(shù)限值。如果個(gè)別達(dá)不到要求，則應(yīng)采取其他措施調(diào)整，使總的建筑耗熱量指標(biāo)達(dá)到節(jié)能要求。資料顯示，建筑物向外散失的總熱量中，約有70%～80%是通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱向外散失的。墻體是建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主體，因此，外墻體的保溫隔熱是外圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑節(jié)能的重要部分。外墻保溫方式目前主要有兩種：中保溫，即在空心墻空氣層中填充保溫材料；外保溫，即在外墻鋪設(shè)保溫材料及飾面層?？筛鶕?jù)具體情況選擇使用。

1.5采取必要的遮陽(yáng)措施

如采用著色玻璃、陽(yáng)光控制鍍膜玻璃和Low-E玻璃降低玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)；在圖書館外墻和屋頂栽種植被，在外窗設(shè)置可調(diào)節(jié)的活動(dòng)遮陽(yáng)，如窗簾、百葉、熱反射簾或自動(dòng)卷簾等。

2工程概述

天津圖書館是天津文化中心工程中的重要組成部分，天津文化中心工程是天津市委、市政府為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，體現(xiàn)城市發(fā)展定位，完善城市文化功能，整合現(xiàn)有文化資源而建的一項(xiàng)民心工程，她賦予了城市獨(dú)特的文化魅力和創(chuàng)造力，提升了城市形象。天津圖書館，建筑面積5.5萬(wàn)m2，地上5層，地下1層，高30m，藏書600萬(wàn)冊(cè)，日讀者流量5000～8000人次。結(jié)構(gòu)類型為地下框架剪力墻，地上鋼框架支撐結(jié)構(gòu)。功能包括文獻(xiàn)信息資源收集、整理、存儲(chǔ)、學(xué)術(shù)研究、教育培訓(xùn)等，是承載智慧的建筑，是市民學(xué)習(xí)知識(shí)的樂(lè)園。階梯狀的露臺(tái)，如同懸浮在空中的書架等要素，組成了內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)。外墻石材百葉有效切斷陽(yáng)光的直接射入，消除了100m×30m巨大立面的壓迫感，營(yíng)造石材的寧?kù)o氛圍，塑造出透明感十足的新穎的石材立面效果。斜坡狀的裙房，鋪滿草坪，為原本方正的建筑物增添了幾分溫柔恬靜。

3天津圖書館節(jié)能設(shè)計(jì)概述

3.1外墻節(jié)能設(shè)計(jì)

本工程采用外墻外保溫體系。節(jié)能設(shè)計(jì)達(dá)到了《天津市公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)能率為50%。3.2圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要部位保溫做法簡(jiǎn)要說(shuō)明

(1)外墻外保溫采用90mm厚玻璃棉，傳熱系數(shù)Kp=0.553(0.56)W/(m2•K)。

(2)屋面保溫層采用60mm厚擠塑聚苯板，傳熱系數(shù)K=0.503(0.533)W/(m2•K)。

(3)露臺(tái)處上人屋面采用75mm厚超細(xì)無(wú)機(jī)纖維噴涂(密度≥120)，傳熱系數(shù)K=0.537W/(m2•K)。

(4)非采暖樓梯間、走道及非采暖房間的隔墻為200mm厚加氣混凝土砌塊，內(nèi)外均抹20mm厚白灰砂漿，傳熱系數(shù)K=0.899W/(m2•K)；300mm厚鋼筋混凝土墻，內(nèi)抹25mm厚膨脹玻化微珠輕質(zhì)保溫砂漿，傳熱系數(shù)K=1.37W/(m2•K)；雙層石膏板，板內(nèi)側(cè)粘貼50mm厚玻璃棉保溫層，傳熱系數(shù)K=0.862W/(m2•K)。100mm厚加氣混凝土條板，兩側(cè)均抹20mm厚白灰砂漿，傳熱系數(shù)K=1.447W/(m2•K)。

(5)非采暖空間的頂板板底噴涂25mm厚超細(xì)無(wú)機(jī)纖維保溫，表面噴刷頂棚涂料。傳熱系數(shù)K=1.33W/(m2•K)。

(6)變形縫處屋面、外墻的縫隙采用通長(zhǎng)巖棉填塞加以封閉。縫內(nèi)兩側(cè)墻體分別為鋼筋混凝土墻內(nèi)抹35mm厚膨脹?；⒅檩p質(zhì)保溫砂漿，鋁板幕墻內(nèi)填90mm厚玻璃棉保溫層。傳熱系數(shù)K≤1.5W/(m2•K)。

(7)采暖房間的地下室外墻外貼50mm厚聚苯板，內(nèi)砌筑200mm厚加氣混凝土砌塊，或內(nèi)抹25mm厚膨脹?；⒅檩p質(zhì)砂漿保溫，熱阻R≥1.50m2•K/W。

(8)底面接觸室外空氣的外挑樓板粘貼90mm厚玻璃棉，傳熱系數(shù)K=0.53W/(m2•K)。

(9)屋頂女兒墻及外墻挑出構(gòu)件采用周圈外抹20mm厚膠粉聚苯顆粒保溫漿料，熱阻R≥0.57m2•K/W。

(10)建筑外檐門窗框靠墻體部位的縫隙，采用高效保溫材料填塞及嵌縫密封膏密封。

(11)對(duì)伸出外墻預(yù)埋件、支架和其他設(shè)備穿墻孔洞縫隙，采用中性耐候防水密封膠填實(shí)。

(12)首層外檐門選用斷橋鋁合金門、中空玻璃，傳熱系數(shù)K≤2.0W/(m2•K)。西北向出入口加設(shè)軟門簾。

(13)屋頂與外墻交界處，屋頂開口部位四周，采用不小于500mm寬的巖棉保溫材料設(shè)置水平防火隔離帶。

3.2本工程各主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用保溫材料和墻體材料的熱工性能指標(biāo)

(1)選用各圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫材料和墻體材料熱工性能指標(biāo)。

(2)選用外保溫門窗性能指標(biāo)。建筑外檐窗的玻璃及空氣層厚度需根據(jù)規(guī)范，由幕墻和門窗制作生產(chǎn)廠家計(jì)算確定，氣密性能不應(yīng)低于GB/T7106—2008《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)性能分級(jí)及其檢測(cè)方法》中規(guī)定的6級(jí)，1.5≥q1＞1.0，4.5≥q2＞3.0m3/(m•h)；透明幕墻氣密性能不應(yīng)低于GB/T2086《建筑幕墻物理性能分級(jí)》中規(guī)定的3級(jí)，1.5≥ql＞0.5m3/(m•h)，1.2≥qA＞0.5m3/(m•h)，玻璃的可見(jiàn)光透射比≮0.4。

4天津圖書館建筑單體節(jié)能計(jì)算

4.1建筑體形系數(shù)

(1)建筑體積Vo：Vo=75733.88+52507.9+56864.58+36495.5+70076.31=291678.17m3

(2)建筑外表面積Fo：Fo=4000.19+4549.48+3698.35+3717.4+13199.98=29165.4m2(3)體形系數(shù)S：S=Fo/Vo=29165.4/291678.17=0.10

4.2窗墻比計(jì)算

(1)東向：窗墻面積比=2214.99/3294.36=0.67窗面積=137.95+209.63+1346.68+438+82.73=2214.99m2墻面積=3098.56+95.83+26.22+24.15+24.38+24.38=3294.36m2(2)西向：窗墻面積比=2004.13/3254.81=0.62窗面積=465.68+1116.78+342.53+79.14=2004.13m2墻面積=3087.59+92.24+26.22+24.38+24.38=3254.81m2(3)南向：窗墻面積比=2223.38/3368.95=0.66m2窗面積：=1788.32+84.41+191.25+26.13+19.32+80.83+20.88+12.24=2223.38m2墻面積：=3073.11+93.77+60.39+27.84+16.32+24.38+24.38+24.38+24.38=3368.95m2(4)北向：窗墻面積比=2268.24/3359.87=0.67窗面積=2129.70+71.71+66.83=2268.24m2墻面積=3083.19+84.66+79.78+28.06+28.06+28.06+28.06=3359.87m2

4.3遮陽(yáng)系數(shù)的計(jì)算

本工程綜合遮陽(yáng)系數(shù)Sw=窗本身遮陽(yáng)系數(shù)Sc，Sc=Se(玻璃的遮蔽系數(shù))×窗玻璃面積/整窗面積，Se=0.44(查表)，窗玻璃面積/整窗面積=0.8，Sc=0.44×0.8=0.352

4.4圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計(jì)算

4.4.1屋面

圖書館的屋面做法分為上人屋面、種植屋面和露臺(tái)屋面3種，其傳熱系數(shù)的計(jì)算見(jiàn)。

4.4.2外墻面

外墻面分為鋁幕墻外墻面和不透明玻璃幕墻外墻面兩種，其傳熱系數(shù)的計(jì)算見(jiàn)表6、7。外墻為全幕墻(鋁板和不透明玻璃幕墻)包裹鋼結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件，無(wú)結(jié)構(gòu)性熱橋部位，外墻面積為減掉門窗面積后的外墻面積的總和。外墻的傳熱系數(shù)直接取幕墻傳熱系數(shù)。

4.4.3分隔采暖與非采暖

空間的樓板分隔采暖與非采暖空間的樓板傳熱系數(shù)計(jì)算。內(nèi)外表面換熱阻根據(jù)不同情況取值不同詳見(jiàn)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》。

4.4.4分隔采暖與非采暖

空間的隔墻分隔采暖與非采暖空間的隔墻做法分為4種，其傳熱系數(shù)計(jì)算見(jiàn)。

4.4.5采暖

地下室外墻圖書館設(shè)置了1層地下室，有一部分為采暖地下室，因此，地下室外墻做法分為兩種，其傳熱系數(shù)計(jì)算。

4.4.6底板架空和外挑樓板

由于圖書館空間的豐富性，產(chǎn)生了架空空間和外挑空間，而這部分對(duì)于建筑節(jié)能有著較大影響。因此，需對(duì)這部分采取節(jié)能措施，這部分的做法。

4.4.7外檐保溫門窗及玻璃幕墻的傳熱系數(shù)

在窗和幕墻中采用Low-E玻璃可大大降低建筑物的能耗，以輻射率為例，如采用普通的白玻輻射率為0.184，而采用在線熱聚合Low-E鍍膜玻璃輻射率為0.135～0.15，而采用磁控真空濺射Low-E玻璃，其輻射率只有0.108～0.115。使用Low-E玻璃可降低太陽(yáng)光的熱輻射，同時(shí)，也可降低室內(nèi)與室外之間的冷熱交換。天津圖書館建筑的4個(gè)朝向窗戶選用的材料均為斷橋鋁合金Low-E中空玻璃。墻面積=3098.56+95.83+26.22+24.15+24.38+24.38=3294.36m2(2)西向：窗墻面積比=2004.13/3254.81=0.62窗面積=465.68+1116.78+342.53+79.14=2004.13m2墻面積=3087.59+92.24+26.22+24.38+24.38=3254.81m2(3)南向：窗墻面積比=2223.38/3368.95=0.66m2窗面積：=1788.32+84.41+191.25+26.13+19.32+80.83+20.88+12.24=2223.38m2墻面積：=3073.11+93.77+60.39+27.84+16.32+24.38+24.38+24.38+24.38=3368.95m2(4)北向：窗墻面積比=2268.24/3359.87=0.67窗面積=2129.70+71.71+66.83=2268.24m2墻面積=3083.19+84.66+79.78+28.06+28.06+28.06+28.06=3359.87m2楊艷紅，等：建筑設(shè)計(jì)視角下的天津圖書館建筑節(jié)能研究屋頂透明部分與屋頂總面積之比為0.15，選用斷橋鋁合金中空Low-E夾膠安全玻璃，窗的傳熱系數(shù)K≤2.7W/(m2•K)，窗遮陽(yáng)系數(shù)SC≤0.5。

5結(jié)論

通過(guò)以上計(jì)算可知：天津圖書館的體形系數(shù)滿足規(guī)范中建筑物體形設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少建筑物外表面積且建筑的體形系數(shù)小于或等于0.40的規(guī)定。窗墻面積比滿足規(guī)范中建筑每個(gè)朝向的窗(包括透明幕墻)墻面積比均不應(yīng)大于0.70。當(dāng)窗(包括透明幕墻)墻面積比小于0.40時(shí)，玻璃(或其他透明材料)的可見(jiàn)光透射比不應(yīng)小于0.4。建筑各部位的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)亦滿足《天津市公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》DB29—153—2005第3.2.2的規(guī)定。因此，判定天津圖書館建筑為節(jié)能設(shè)計(jì)。圖書館建筑節(jié)能是一個(gè)系統(tǒng)工程，它涉及建筑各個(gè)領(lǐng)域，但是作為建筑師設(shè)計(jì)之初如果采用合理的設(shè)計(jì)方法，選用綠色的建筑材料，考慮到地域氣候等客觀因素，那必將會(huì)減少后期的能源消耗。無(wú)論在經(jīng)濟(jì)方面還是環(huán)境保護(hù)方面，主動(dòng)節(jié)能的理念遠(yuǎn)比用高科技的被動(dòng)技術(shù)手段來(lái)減少建筑能耗的更具意義。

作者：楊艷紅 陸偉偉 楊航 張于峰 單位：天津大學(xué)建筑學(xué)院 天津市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 天津市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院