【門窗幕墻網】1、前言
雙層玻璃幕墻具有優異的保溫、隔熱、隔音、防雨等功能，已在我國多項建筑幕墻工程中成功應用。由于雙層幕墻在夏季、冬季和春秋季，對應有隔熱、保溫和通風換氣的功能需要，因此通常在最外層玻璃幕墻上設置通風百葉或電動開啟扇、同時在緩沖腔的層間設置較為復雜的進氣和出氣隔斷，幕墻構造復雜、造價較高，通常在一些品質較高或造價充裕的建筑項目中使用。
我國地緣遼闊、不同地區的氣候差異較大。在夏熱冬暖地區，太陽輻射時間較長，大氣溫度較高，外幕墻以遮陽、隔熱的功能為主;而在嚴寒或寒冷地區，冬季漫長，外幕墻則以保溫、蓄熱的功能為主。因此從幕墻節能與造價的平衡角度而言，在嚴寒或寒冷地區且造價控制較為嚴格的建筑項目，玻璃幕墻應加強保溫和蓄熱功能，以提高建筑節能、控制工程造價。四川省若爾蓋縣下熱爾村處于高海拔、嚴寒地區，該村的小學宿舍樓項目建設就是因地制宜，充分利用當地白天充足的陽光照射，在玻璃幕墻設計中應用“集熱腔”原理，高效地實現了雙層玻璃幕墻的保溫、蓄熱功能，同時控制了工程造價。
2、工程概況
下熱爾村小學位于四川省阿壩藏族自治州若爾蓋縣，地處青藏高原東北邊緣、四川省北部，縣城海拔3406米。高海拔的地域特點，賦予了這里美麗的同時，也給這片土地上的人們出了一道難題——高寒。若爾蓋縣屬高原寒溫帶濕潤季風氣候，常年無夏，年平均氣溫1.1℃，低于拉薩7.4℃的年平均氣溫。每年9月下旬土地開始凍結，5月中旬完全解凍，凍土最深達72厘米，高寒的氣候曾使生活在阿西鄉下熱爾村小學的孩子們苦不堪言。
學校原有的學生宿舍建設于80年代，為磚木結構。由于校舍建設時間長，年久失修，存在一定的安全隱患。且宿舍內沒有安全有效的供暖設施，嚴寒的冬季，孩子們不僅要蓋著厚厚的棉被，還要裹上厚厚的棉衣棉褲方能入睡。即使這樣，孩子們還經常在半夜被凍醒，整個冬天飽受凍瘡的困擾和折磨(圖1，2)。
圖1 校舍舊址
圖2 校舍舊址內部
2013年，一對上海愛心夫婦攜手中國扶貧基金會，提出運用節能環保的理念，利用高原特有的優勢資源——太陽能光照，在不借助其他任何能源的情況下，在造價可控的同時，為孩子們建造一棟全被動式節能宿舍——“暖巢一號”。本項目由中國建筑西南設計研究院有限公司贊助設計，并由院總建筑師錢方擔任設計總負責人，旨在為孩子們提供溫暖舒適的校舍(圖3，4)。
新建宿舍樓建筑高度13.286米，地上建筑4層。建筑面積1300平方米，雙層玻璃幕墻面積300平方米，共有校舍18間，投入使用后，能夠解決全校163名學生的住宿問題。
圖3 新校舍建成照片
圖4 新校舍建成照片
3、 雙層幕墻系統設計
3.1幕墻系統架構
本項目位于四川省阿壩州，屬于我國寒冷地區。若采用傳統的玻璃幕墻進行設計，由于窗墻比過大將直接影響室內建筑節能效果;若采用傳統的雙層玻璃幕墻，由于造價較高不能實現本項目的造價控制。因此我們決定因地制宜，利用若爾蓋地區白天豐富的光照資源，結合雙層幕墻構造，采用“集熱腔”原理來設計幕墻構造。在本項目的南立面創新性的采用了內層大洞口中空玻璃鋁合金斷熱門窗+外層通高單層玻璃幕墻系統的設計方式。
白天利用內、外兩層玻璃幕墻之間的緩沖空腔形成“集熱腔”，高效地加熱空腔內的空氣并與室內空氣形成交換，提升房間內的氣溫;夜晚通過窗戶內側加厚型棉氈保溫窗簾和聚氨酯噴涂保溫墻體進行保溫和蓄熱，阻擋房間內熱量的散失。經過熱工理論分析和工程竣工后的實際測試，本項目雙層幕墻系統實現了優異的保溫蓄熱的要求。
具體構造為：外層采用單片鋼化白玻幕墻系統(門窗構造)，內層為土建聚氨酯噴涂保溫墻體+鋁合金斷熱門窗系統，控制兩層墻體之間距離形成“集熱腔”。在白天陽光透過外層玻璃幕墻加熱“集熱腔”內的空氣，腔體內的溫度積聚上升，熱空氣透過內層門窗系統進入室內;在夜晚室內保溫棉氈窗簾關閉，阻止室內熱量散失。每間宿舍的室外“集熱腔”相互獨立、封閉，即提高了腔體內空氣的加熱效率，又減緩了腔體間空氣的對流，降低熱量損失。
在非寒冷季節，為了滿足室內自然通風和換氣的功能要求，在外層玻璃幕墻立面上設置懸窗開啟。開啟扇在寒冷季節保持常閉，在非寒冷季節可開啟換氣。
圖5 幕墻典型立面圖
圖6 幕墻建成典型立面照片
圖7 幕墻建成典型立面照片
圖8雙層幕墻系統圖解示意
3.2 幕墻構造節點設計
圖9 雙層幕墻隔斷位置(無開啟扇)橫剖節點
圖10 雙層幕墻隔斷位置(有開啟扇)橫剖節點
圖11 雙層幕墻層間豎剖節點
3.3 幕墻熱工性能測試
項目竣工后，我們經過實地測試，校舍房間可成功實現室外-20℃至-10℃的嚴冬環境中，室內溫度不低于12℃!實現了僅依靠雙層玻璃幕墻的“保溫蓄熱”，不借助任何能源就可以保證孩子們順利渡過高寒地區寒冷的冬天(圖12，13，14)。
圖12測試房間位置
圖13下熱爾小學室外環境溫度
圖14各宿舍室內溫度變化
4、結語
本項目于2014年9月完成施工圖設計工作，在參建各方共同的努力下，克服重重困難于2016年5月底竣工。項目規模雖然不大，但幕墻設計工作有諸多挑戰：盡量控制和節約工程造價、滿足建筑節能要求、利用現有鋁合金模具進行設計和施工等。通過我們的理論分析和實地測試，使我們最初確定的雙層“集熱腔”玻璃幕墻構造經受住了理論和實測的雙重考驗，結果在一定程度上超乎了我們的想象!這是一段有意義、有溫暖的設計經歷，看到孩子們開心的笑臉，才是我們的追求。
參考文獻
[1]中國建筑科學研究院.民用建筑熱工設計規范GB 50176-2016[S].北京：中國建筑工業出版社. 2016
[2]中國建筑科學研究院.公共建筑節能設計標準GB 50189-2015[S].北京：中國建筑工業出版社. 2015
