夏热冬冷地区玻璃幕墙宿舍楼物理环境研究

■ 张军学 ZHANG Junxue 张一波 ZHANG Yibo 逯 航 LU Hang

0 引言

大玻璃幕墙建筑以庞大的体量、挺拔的高度和壮美的外观为人们所称道，然而此类建筑通常需要高能耗才能获得舒适的物理环境。尤其是处于夏热冬冷地区的玻璃幕墙宿舍楼建筑，有限的资金和严格的物理环境要求是一对绕不开的矛盾。

1 研究背景

基于以上背景，本文选取南京工业大学浦江学院宿舍楼为例进行物理环境研究。浦江溧水新校区为2017年新建成的建筑群，总建筑投资超过1.5亿元，建筑面积超过10万m2，目前已有约4 000名学生在此校区学习和生活。溧水校区宿舍楼采用钢框架结构和超大玻璃幕墙建筑，曲面的玻璃幕墙构造、庞大的建筑体量和独特的造型给师生带来巨大的震撼（图1）。

然而2017年入住后，全钢框架和超大玻璃幕墙构造并没有带来舒适的物理环境。低温和潮湿的热环境，不均匀的光照分布，以及过多遮挡造成的音质不佳，都需要进行一定程度的改善（图2）。

图1 南京工业大学浦江学院建筑群

图2 宿舍楼内部布局和构造

本文以此为切入点，通过室内外同步采集数据，对南京工业大学浦江学院宿舍楼进行物理环境量化评估，为物理环境优化提供支持。物理环境包括声环境[1]、光环境和热环境。

2 测试方法

研究采用室内外同步采集数据。室外采用气象站自己记录的气候数据，室内用物理环境测试设备进行记录。测试时间为2017年11月。

2.1 室外气象站

该气象站为自动记录型，可以以一定频率记录室外的各项数据参数，准确地量化表达室外的天气状况，为对比室内研究提供详实可行的数据（图3）。各项记录数据包括：空气温度、空气湿度、风速、风向、雨水、光照强度等。

2.2 室内测试设备

图4和图5所示为物理环境常用测试仪器，包括室内温湿度仪、风速仪、光照强度测试、声音测试仪、表面温度仪以及红外成像仪等。

3 宿舍楼声环境分析

本研究评估的对象是宿舍建筑，宿舍楼的首要要求是声音强度。由于宿舍楼的声音要求比专业建筑（音乐厅等）要求低，建筑师和工程师亦没有特别重视这方面的设计要求，导致新建的宿舍楼音质都有较大的问题。表1为选择一楼走廊、宿舍内部和中庭三个部位进行的声音强度测试结果[2]。

由图6声音强度变化曲线可知，一层走廊、室内、中庭三处位置的声音强度变化，没有随着距离增加声音强度减弱，而是呈现类似正弦函数形式的周期性变化，这是由于三个位置都出现了声音干扰和回声现象。走廊两侧狭窄的距离使得一楼走廊声音强度变化最接近正弦形式，声音强度范围是63～80db，随着距离的增加，这种效果会更明显。一楼宿舍内部由于距离较远，声音变化幅度会出现低频周期变化，声音强度在68～96 db之间，部分角落空间会出现声音叠加，出现刺耳现象。一楼中庭变化规律不规则，出现较长尺度的波峰，判断影响因素是中庭内不规则装饰物造成声音的无序结果。

总体上，宿舍楼的声音强度干扰性较大，如果条件允许，需要进行必要的改造。

4 宿舍楼光环境分析

图3 室外自动型气象站及其细部构造

图4 室内测试设备1

图5 室内测试设备2

浦江宿舍楼设计亮点是超大玻璃幕墙，坐南朝北的建筑曲面能最大程度地接收光照，目前根据调研结果发现，南立面接收光照情况良好，北立面出现不良状况。由于宿舍楼内部布局复杂，各处光照分布不均匀，本研究选取代表性的测点进行光照强度测试[3-4]。

L8和L9两处出口、入口以及宿舍内部的各处测试光照强度见表2，结果显示，7处测试点的光照强度极不均匀，L9宿舍楼出口处光照为4 950lx，而位于三楼的304室内自然采光只有53lx，L8宿舍楼向光面和背光面的光照强度也有近三倍之差。

表1 声音强度测试结果表

表2 主要测试点光照强度表

除关键部位的测试点安排、数据采集和结果分析外，宿舍楼1～6层的光照强度均值变化曲线见图7。整栋建筑的光照强度随着高度呈现逐渐增加的趋势，但3层以上光照强度增加变缓。1层光照强度最差，为125lx；6层最高为1 350lx。整体分析可知，除1层外，其余层次都处于采光较好状态。

5 宿舍楼热环境分析

图6 一层三个部位的声音强度变化曲线图

图7 宿舍楼光照强度采集曲线图（1～6层）

热环境分析是师生在宿舍楼体验最直接的影响因素[5]。由于整栋建筑并没有安装建筑设备进行整体热环境调节[6-7]，再加上大玻璃幕墙的钢构造，造成宿舍楼整体的热环境分布极不均匀。具体结果与分析见空气温湿度、风速和表面温度云图结果[8-9]。

5.1 空气温度与湿度

宿舍楼内部的空气温度范围为4～7.5℃，随着时间延长，中午13:00～14:00温度最高，之后再次呈下降趋势。最高温度为14:00时刻的第3层，为7.5℃，最低温度为17:00时刻的第6层。

9:00～10:00时刻，宿舍楼内温度大小排序为：3层>4层>2层>1层>5层>6层；11:00～13:00时刻，建筑物内部温度排序为：3层>4层>2层>1层>5层>6层；14:00～15:00，温度变化为：3层>4层>1层>2层>5层>6层；16:00～17:00为4层>3层>2层>1层>5层>6层（图8）。

宿舍楼整体湿度变化趋势呈先下降再升高的趋势，和温度变化呈互补关系。湿度最大的为第5层，为58%～62%，分析原因可能是由于室内放置较多物品，并与正在装修施工有关。湿度最小的为第4层，变化范围46%～52%，这与第4层为南北通透的环境，可以随时进行热湿交换有关。整栋建筑的各层湿度变化按大小排序为：5层>2层>1层>3层>6层>4层。

图9中2层、6层湿度变化出现较大波动，分析因素包括：楼层内部堆积杂物较多、装修工人正在进行装修、测定选择误差和测试人员操作等。

5.2 建筑内外风环境分析

图8 宿舍楼各层空气温度变化块图

图10 和图11为建筑内外同一测试环境下风速变化示意图。室外风速约为室内风速的3倍，室外最大风速为17:00的3m/s，最小风速为13:00的0.5m/s；室内风速最大为12:00的1.1m/s，最小为1.5m/s。整栋建筑内部的风速较小，中庭采光和通风的作用不明显，没有充分的热交换作用。特别是整栋宿舍楼建筑的玻璃幕墙开窗比例较小、玻璃幕墙体积较大、不易开启等都造成了通风方面的问题。

5.3 宿舍楼内外重点部位表面温度分析

作为建筑最具有特色的部位——超大玻璃幕墙，其表面温度是一项关键的热环境指标。在本部分的实验测试中，采用红外成像仪进行数据方法的采集，通过对玻璃幕墙南北两个方向的温度云图采集，可以直观地看到整栋幕墙的表面温度分布。

图12为向光面（南）的温度云图，最高温度为18.9℃，最低为3.7℃，温差约为15℃.高温度部位为窗框，玻璃部位较低，说明两种材料的热吸收系数有较大差距。图13为背光面（北）的温度云图，最高温度仅为9.5℃，最低已经到-5.1℃。

南北两面的玻璃幕墙温度云图有着巨大的差距，造成了建筑内部热环境的严重不平衡。南侧室内的温度明显高于北侧，再加上内部无热环境调节设备，造成师生普遍不希望在北侧滞留。

此问题为急需解决的难题之一。

为定量分析各层室内表面温度变化情况，选择1～5层常用宿舍楼层为研究对象，着重从楼顶、地面、东面、西面、南面、北面等部位，分析宿舍内部温度变化情况（图14）。

图9 宿舍楼各层湿度变化曲线图

图中结果分析可知，第3层六个部位的表面温度是最高的，基本都处在峰值位置，第3层室内温度范围为6～7℃。这是因为第3层处于中间楼层，热量保存具有优势；第1层和第5层是最差的，分析原因是由于第1层和地面热交换较大，第5层接近顶层热交换同样偏高，造成了如图14所示的变化结果。

图10 室外风速变化图

图11 室内风速变化图

图12 向光面玻璃幕墙表面温度云图（南）

图13 背光面玻璃幕墙表面温度云图（北）

图14 宿舍楼各层房间表面温度变化曲线图

图15 宿舍楼内热舒适度定量计算图

表3 为建筑内部背阳处和向阳处的材料表面温度对比表

表3为建筑内部个别部位在背阳处和向阳处的温度对比列表。表中结果差别明显，向阳处的各种材料温度值都明显大于背阳处。最大的差别在玻璃幕墙上，向阳处玻璃幕墙温度比背阳处高12℃，差距非常明显，也再次说明玻璃幕墙是影响热环境的主要因素。

5.4 热舒适度计算与评估

热舒适度[10-11]计算采用PMV-PPD软件进行计算[12]，具体结果见图15。

图15中的舒适度计算指标中，采用室内空气平均温度为10℃，表面平均温度为5℃，风速为室内最大风速1.2m/s，平均相对湿度为55%，其它指标为默认值。

最终计算指标为：PMV=-2.97和PPD=99%两项都几乎已经到了极限值，为极度不舒服状态，可见超大玻璃幕墙建筑在热环境舒适方面需要继续改造。

6 结语

通过对南京工业大学浦江学院宿舍楼的物理环境测试（声学环境、光学环境以及热环境三方面），定量分析各项物理因素的影响效果，为评估建筑物理环境改造提供实际支撑。研究结果总结如下：①声环境方面：第1层走廊、室内、中庭三处位置的声音强度变化呈现类似正弦函数形式变化；宿舍楼的声音强度干扰性较大，如果条件允许，需要进行必要的改造。②光环境方面：南立面接收光照情况良好，北立面出现不良状况；由于宿舍楼内布局复杂，各处光照分布不均匀；1层光照强度最差，6层光照强度最高。整体分析可知，除1层外，其余层次都处于采光较好状态。③热环境方面：南北玻璃幕墙温度云图差距巨大，造成建筑内部热环境严重不平衡；整栋建筑内部的风速较小，中庭采光和通风不明显，没有充分的热交换作用；热舒适度指标两项都为极度不舒服状态，超大玻璃幕墙建筑在热环境舒适方面需要继续改造。