太原南站大空间建筑双层表皮保温性能实测分析*

GXF360 2018-04-04

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0 引言

大空间建筑往往也是高能耗建筑，试验证明改变围护结构的热工性能能够降低建筑能耗，而双层表皮在这方面具有良好的改善效果。

此类建筑通常会采用玻璃幕墙作为外围护结构，往往能够取得良好的外观效果和自然采光，然而其带来的高采暖和制冷能耗是其一大弊端。双层幕墙系统在解决这一问题上具有极大的潜力，双层幕墙系统是用双层体系(一般为玻璃) 作围护结构，提供自然通风和采光、增加室内空间舒适度、降低能耗, 从而较好地解决了自然采光和节能之间的矛盾[1]。且在艺术表达上往往能够获得比单层幕墙更加通透的界面和丰富的层次。双层表皮在欧洲国家的公共建筑中使用率较高，其主要是利用两层表皮之间形成的空腔作缓冲，达到保温隔热的效果。然而其效果在国内还缺少一定的实证研究来支撑和验证。

为了验证双层表皮的热工效果，本文选择高采暖能耗的寒冷地区大空间公共建筑太原南站为研究对象。铁路客运站作为全年运营的大空间建筑，高能耗是其一大特点，通过对其双层表皮的温度实测，就实测数据进行分析，验证其在寒冷地区保温效果，初步探讨大空间建筑围护结构的绿色设计策略。

实测时间为冬季，实测使用温湿度记录仪、温度传感器Ibutton(DS1921G)、风速仪(热线式ST732)、温湿度自计仪(AZ8829)和小型气象站等仪器。

1 太原南站简介

太原南站位于山西省太原市，是石太铁路客运高速上的初始段，也是集铁路、城市轨道、交通换乘功能于一体的重要交通枢纽。目前车场规模为10台22线，最高聚集人流量为5 500人，总建筑面积183 952 m2，属于大型客运站。本文主要研究对象为客运用房，建筑面积为60 188 m2，平面设计分为高架候车层、站台层及地下出站层三层，外观如图1所示。

图1 太原南站外观
Fig.1 Appearance of Taiyuan South Station

根据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》[2]，太原市属于寒冷地区，冬季气候干燥、降雨偏少，年平均降水量420～457 mm，年平均相对湿度为53%～60%，11月到次年3月受西伯利亚冷空气控制，盛行偏北气流，1—3月份平均气温-1.23 ℃。其寒冷的气候特征和大体量的建筑空间使得主体客运用房建筑围护结构的保温设计成为节能设计的重点。

太原南站围护结构采用了石材幕墙、组合幕墙、横明竖隐玻璃幕墙、全隐框玻璃幕墙、全玻璃幕墙、铝板幕墙6种形式[3](图2)。为了验证双层表皮作为围护结构的热工效果，以其中的双层组合幕墙为研究对象(图2a)。

a—组合幕墙； b—外立面效果。
1—石材幕墙； 2—组合幕墙； 3—全玻璃幕墙； 4—全隐框玻璃幕墙； 5—横明竖隐玻璃幕墙。
图2 太原南站围护结构
Fig.2 The exterior protected construction of Taiyuan South Station

2 双层表皮保温性能实测与分析

2.1 双层组合幕墻系統及实测方法

双层组合幕墙为双层仿青砖窗花式组合幕墙(图2)，分为室内表皮和室外表皮两部分。室外表皮采用(6+12A+6) mm钢化Low-E中空玻璃和25 mm厚济南青机磨面花岗岩石材，室内表皮采用6 mm单片钢化玻璃和25 mm厚济南青机磨面花岗岩石材。内外幕墙间为600 mm左右空气间层，在冬季能够吸收太阳热辐射，同时形成良好的遮阳效果[4](图3、图4)。

1—组合幕墙室内6 mm透明玻璃； 2—组合幕墙外Low-E中空玻璃；3—组合幕墙室外石材； 4—组合幕墙室内石材。
图3 双层表皮构造节点
Fig.3 Details of joint of double-skin structure

实测内容主要为不同表皮材质及空气间层的室内外温度。为了较好地达到实测目的，选择以下位置进行实测(表1)。

表1 东进站口组合幕墙测点信息

Table 1 Measuring point information

测点位置仪器1外表皮石材Ibutton2空气层1风速仪3内表皮石材Ibutton4外表皮玻璃外侧Ibutton5空气层2风速仪6内表皮玻璃Ibutton7外表皮玻璃内侧Ibutton

2.2 测试时间背景气象

测试时间为2015年1月6—8日，为太原市冬季最寒冷的阶段，室内外温差大，能很好地测试双层表皮的保温效果。太阳辐射时间段约在8∶30—17∶30之间(图5)。从测试日温度分析变化来看(图6)，6∶00左右为全天最低气温，期间最低气温达到-3.7 ℃，测试日的最高气温也在9.2 ℃左右，属典型的寒冷地区气候[5-8]。

a—双层表皮构造透视； b—石材截面； c—玻璃截面。
1—600 mm空气层； 2—25 mm济南青花岗岩石材； 3—6 mm钢化玻璃； 4—25 mm济南青花岗岩石材； 5—(6+12A+6) mm Low-E中空玻璃。
图4 双层表皮透视及截面
Fig.4 Perspective drawing and cross-section of double skin

图5 测试日太阳辐射分析
Fig.5 Test day solar radiation analysis

室外温度； ---室外湿度。
图6 测试日温度分析
Fig.6 Test day Temperature analysis

建筑室内主要采暖设施为地源热泵系统，采用地源热泵与城市热网相结合方式，即复合型地源热泵系统，为建筑提供制冷和采暖。冬季采用地板辐射供暖系统以及新风系统。建筑主体最高点距地面为38.6 m，室内空间有分层喷口送风，并在高度较高的高架层设有内保温设计等[9-13]。

2.3 实测分析

由于组合幕墙的材料较为复杂，为了达到研究目的，因此将分为两个横向截面进行实测分析，分别为S石材截面、G玻璃截面(简称为“S截面”、“G截面”)。

图7为S截面测试数据。测试表明：测点2在空气层的白天最高温度比室外表皮温度高8.5 ℃左右，但比测点3在室内温度低4～6.5 ℃，夜晚最低温度比测点1(在室外)高13 ℃左右，比测点3低6.5～8.5 ℃，全天温度波幅在5 ℃左右，低于室外表皮温度波幅，且基本接近室内表皮温度波幅，整体温度介于室内表皮与室外表皮之间。这说明双层表皮中的空气间层起到了良好的缓冲作用，在室内取暖设备运行的情况下，能够减少建筑外表皮的热损失，起到良好的保温作用。此外，在测点1的最低温度达到-2～-4 ℃时，空测点2温度比测点1高12～13 ℃，测点3比测点1高20～21.5 ℃，其最低温度时温差比最高温度时温差大，这说明石材双层表皮的空气间层在低温的情况下也具有良好的保温性能。

-----测点1; -··-测点2; ---测点3。图7 S截面测试分析
Fig.7 Stone cross-section test and analysis

通过图8的测试数据可以看出，将近48 h的时间段内，测点4与测点7间温差最大，白天最高温度相差7.5 ℃，夜晚最低温度相差11.5 ℃，整体趋势和太阳辐射变化一致且具有滞后性。实测证明：中空玻璃对热量的流失起到良好的阻滞作用，室外表面到室内表面的温度有明显的提升。测点5、测点6和测点7全天温度波幅为3～4.5 ℃，室内表面温度波幅与Low-E中空玻璃内表面温度波幅基本相同，说明在双层表皮中中空玻璃起到了主要的保温作用。

测点4; ……测点7; 测点6; ---测点5。
图8 G截面测试分析
Fig.8 Glass cross-section test and analysis

实测中双层玻璃的空气层为15 mm，双层组合幕墙的空气间层为600 mm，可以说，在双层表皮中使用双层Low-E中空玻璃大大增强了双层表皮的保温性能，使得组合幕墙的整体保温性能得到保障。

综合看来，位于室内的测点3、测点7温度高于室外表皮温度，且最高温度值出现在16∶00左右，最低温度出现在8∶00左右，与室外表皮温度峰值的出现时间有1 h左右的滞后，这说明双层表皮增加了围护结构的综合热惰性，使室内表皮整体都维持在一个远高于室外的温度水平。另外，测点3整体温度比测点5高3 ℃左右，这是因为测点3下垫面为石材表面，而测点7下垫面为玻璃表面，这里也能看出玻璃与石材的室外温度基本一样，但室内温度石材相对较高，说明玻璃在满足采光要求的同时，相对石材来说传热系数较高，容易造成热损失，当其作为围护结构时，面积需要经过模拟和计算来控制。

测点1; ----测点4; -··-测点3; ……测点7; 测点2; ---测点5。图9 S截面及G截面实测综合分析
Fig.9 S&G cross-section test and analysis

2.4 实测结论与分析

通过对实测分析，能够得到以下几点结论。

1)由石材截面测试数据可以看出：石材内表皮最高温度为20 ℃，最低温度为17 ℃，外表皮最高温度为5 ℃，最低温度为-4 ℃，测试时间内，内外表皮同一时段温差最大能达到21 ℃，说明双层的石材表皮具有良好的保温性能。

2)玻璃截面的测试中，玻璃内表皮最高温度为17.5 ℃，最低温度为14 ℃，外表皮最高温度为4.5 ℃，最低温度为-4.5 ℃，同一时段温差达到18.5 ℃，因此双层玻璃的表皮保温效果较好。其次，双层中空Low-E玻璃的内外温差在7～10.5 ℃之间，说明双层中空玻璃具有重要的保温作用，它可以大大弥补和改善玻璃材质本身在保温性能上的不足。

3)综合数据分析能够看到：石材表皮的内外温差最大为21 ℃，玻璃表皮的内外温差最大为18.5 ℃，石材的温差较玻璃大，说明双层石材表皮比双层玻璃表皮具有更好的保温效果，因此在寒冷地区，应选择热惰性大的材料。