建筑设计下图书馆建筑节能研究

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1图书馆建筑节能设计措施及具体方法

1.1降低体型系数

体型系数是衡量建筑节能效果的重要指标。体型系数越小，建筑能耗量越少，节能效果就越好，因此，图书馆的外形不宜太复杂，应避免或减少平面的凸凹变化。通常图书馆建筑体形系数＜0.3时，有利于节能。当底面积一定时，图书馆层数越高，体形系数越小，越有利于节能。

1.2保持合理的窗墙比

窗墙比是指图书馆窗户洞口面积与房间立面单元面积的比值。据统计，通过窗户流失的热量占建筑能耗的46%，因此，控制窗墙比是个有效的节能手段。而在寒冷地区采用单层窗、严寒地区采用双层窗或双玻窗条件下，一旦加大窗墙面积比，对建筑节能极其不利。

1.3采用高性能的节能门窗

型节能门窗，提高外窗气密性，如窗框选用断热型铝合金、玻璃钢、PVC等，玻璃选用中空、热反射、低辐射玻璃等，并处理好与墙柱的交结，在热桥部位加设保温体。

1.4降低围护结构的传热系数

传热系数是指在单位时间内，通过单位面积图书馆建筑围护结构的传热量。在图书馆建筑轮廓尺寸和窗墙面积比不变的条件下，耗热量指标随围护结构的传热系数的降低而降低。在计算图书馆建筑结构传热系数时，使各围护结构的传热系数尽量小于规定的相应传热系数限值。如果个别达不到要求，则应采取其他措施调整，使总的建筑耗热量指标达到节能要求。资料显示，建筑物向外散失的总热量中，约有70%～80%是通过围护结构的传热向外散失的。墙体是建筑外围护结构的主体，因此，外墙体的保温隔热是外围护结构建筑节能的重要部分。外墙保温方式目前主要有两种：中保温，即在空心墙空气层中填充保温材料；外保温，即在外墙铺设保温材料及饰面层。可根据具体情况选择使用。

1.5采取必要的遮阳措施

如采用着色玻璃、阳光控制镀膜玻璃和Low-E玻璃降低玻璃的遮阳系数；在图书馆外墙和屋顶栽种植被，在外窗设置可调节的活动遮阳，如窗帘、百叶、热反射帘或自动卷帘等。

2工程概述

天津图书馆是天津文化中心工程中的重要组成部分，天津文化中心工程是天津市委、市政府为适应经济社会快速发展，体现城市发展定位，完善城市文化功能，整合现有文化资源而建的一项民心工程，她赋予了城市独特的文化魅力和创造力，提升了城市形象。天津图书馆，建筑面积5.5万m2，地上5层，地下1层，高30m，藏书600万册，日读者流量5000～8000人次。结构类型为地下框架剪力墙，地上钢框架支撑结构。功能包括文献信息资源收集、整理、存储、学术研究、教育培训等，是承载智慧的建筑，是市民学习知识的乐园。阶梯状的露台，如同悬浮在空中的书架等要素，组成了内部空间结构。外墙石材百叶有效切断阳光的直接射入，消除了100m×30m巨大立面的压迫感，营造石材的宁静氛围，塑造出透明感十足的新颖的石材立面效果。斜坡状的裙房，铺满草坪，为原本方正的建筑物增添了几分温柔恬静。

3天津图书馆节能设计概述

3.1外墙节能设计

本工程采用外墙外保温体系。节能设计达到了《天津市公共建筑节能设计标准》规定的标准，节能率为50%。3.2围护结构主要部位保温做法简要说明

(1)外墙外保温采用90mm厚玻璃棉，传热系数Kp=0.553(0.56)W/(m2•K)。

(2)屋面保温层采用60mm厚挤塑聚苯板，传热系数K=0.503(0.533)W/(m2•K)。

(3)露台处上人屋面采用75mm厚超细无机纤维喷涂(密度≥120)，传热系数K=0.537W/(m2•K)。

(4)非采暖楼梯间、走道及非采暖房间的隔墙为200mm厚加气混凝土砌块，内外均抹20mm厚白灰砂浆，传热系数K=0.899W/(m2•K)；300mm厚钢筋混凝土墙，内抹25mm厚膨胀玻化微珠轻质保温砂浆，传热系数K=1.37W/(m2•K)；双层石膏板，板内侧粘贴50mm厚玻璃棉保温层，传热系数K=0.862W/(m2•K)。100mm厚加气混凝土条板，两侧均抹20mm厚白灰砂浆，传热系数K=1.447W/(m2•K)。

(5)非采暖空间的顶板板底喷涂25mm厚超细无机纤维保温，表面喷刷顶棚涂料。传热系数K=1.33W/(m2•K)。

(6)变形缝处屋面、外墙的缝隙采用通长岩棉填塞加以封闭。缝内两侧墙体分别为钢筋混凝土墙内抹35mm厚膨胀玻化微珠轻质保温砂浆，铝板幕墙内填90mm厚玻璃棉保温层。传热系数K≤1.5W/(m2•K)。

(7)采暖房间的地下室外墙外贴50mm厚聚苯板，内砌筑200mm厚加气混凝土砌块，或内抹25mm厚膨胀玻化微珠轻质砂浆保温，热阻R≥1.50m2•K/W。

(8)底面接触室外空气的外挑楼板粘贴90mm厚玻璃棉，传热系数K=0.53W/(m2•K)。

(9)屋顶女儿墙及外墙挑出构件采用周圈外抹20mm厚胶粉聚苯颗粒保温浆料，热阻R≥0.57m2•K/W。

(10)建筑外檐门窗框靠墙体部位的缝隙，采用高效保温材料填塞及嵌缝密封膏密封。

(11)对伸出外墙预埋件、支架和其他设备穿墙孔洞缝隙，采用中性耐候防水密封胶填实。

(12)首层外檐门选用断桥铝合金门、中空玻璃，传热系数K≤2.0W/(m2•K)。西北向出入口加设软门帘。

(13)屋顶与外墙交界处，屋顶开口部位四周，采用不小于500mm宽的岩棉保温材料设置水平防火隔离带。

3.2本工程各主要围护结构选用保温材料和墙体材料的热工性能指标

(1)选用各围护结构保温材料和墙体材料热工性能指标。

(2)选用外保温门窗性能指标。建筑外檐窗的玻璃及空气层厚度需根据规范，由幕墙和门窗制作生产厂家计算确定，气密性能不应低于GB/T7106—2008《建筑外门窗气密、水密、抗风性能分级及其检测方法》中规定的6级，1.5≥q1＞1.0，4.5≥q2＞3.0m3/(m•h)；透明幕墙气密性能不应低于GB/T2086《建筑幕墙物理性能分级》中规定的3级，1.5≥ql＞0.5m3/(m•h)，1.2≥qA＞0.5m3/(m•h)，玻璃的可见光透射比≮0.4。

4天津图书馆建筑单体节能计算

4.1建筑体形系数

(1)建筑体积Vo：Vo=75733.88+52507.9+56864.58+36495.5+70076.31=291678.17m3

(2)建筑外表面积Fo：Fo=4000.19+4549.48+3698.35+3717.4+13199.98=29165.4m2(3)体形系数S：S=Fo/Vo=29165.4/291678.17=0.10

4.2窗墙比计算

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

4.3遮阳系数的计算

本工程综合遮阳系数Sw=窗本身遮阳系数Sc，Sc=Se(玻璃的遮蔽系数)×窗玻璃面积/整窗面积，Se=0.44(查表)，窗玻璃面积/整窗面积=0.8，Sc=0.44×0.8=0.352

4.4围护结构传热系数计算

4.4.1屋面

图书馆的屋面做法分为上人屋面、种植屋面和露台屋面3种，其传热系数的计算见。

4.4.2外墙面

外墙面分为铝幕墙外墙面和不透明玻璃幕墙外墙面两种，其传热系数的计算见表6、7。外墙为全幕墙(铝板和不透明玻璃幕墙)包裹钢结构承重构件，无结构性热桥部位，外墙面积为减掉门窗面积后的外墙面积的总和。外墙的传热系数直接取幕墙传热系数。

4.4.3分隔采暖与非采暖

空间的楼板分隔采暖与非采暖空间的楼板传热系数计算。内外表面换热阻根据不同情况取值不同详见《民用建筑热工设计规范》。

4.4.4分隔采暖与非采暖

空间的隔墙分隔采暖与非采暖空间的隔墙做法分为4种，其传热系数计算见。

4.4.5采暖

地下室外墙图书馆设置了1层地下室，有一部分为采暖地下室，因此，地下室外墙做法分为两种，其传热系数计算。

4.4.6底板架空和外挑楼板

由于图书馆空间的丰富性，产生了架空空间和外挑空间，而这部分对于建筑节能有着较大影响。因此，需对这部分采取节能措施，这部分的做法。

4.4.7外檐保温门窗及玻璃幕墙的传热系数

在窗和幕墙中采用Low-E玻璃可大大降低建筑物的能耗，以辐射率为例，如采用普通的白玻辐射率为0.184，而采用在线热聚合Low-E镀膜玻璃辐射率为0.135～0.15，而采用磁控真空溅射Low-E玻璃，其辐射率只有0.108～0.115。使用Low-E玻璃可降低太阳光的热辐射，同时，也可降低室内与室外之间的冷热交换。天津图书馆建筑的4个朝向窗户选用的材料均为断桥铝合金Low-E中空玻璃。墙面积=3098.56+95.83+26.22+24.15+24.38+24.38=3294.36m2(2)西向：窗墙面积比=2004.13/3254.81=0.62窗面积=465.68+1116.78+342.53+79.14=2004.13m2墙面积=3087.59+92.24+26.22+24.38+24.38=3254.81m2(3)南向：窗墙面积比=2223.38/3368.95=0.66m2窗面积：=1788.32+84.41+191.25+26.13+19.32+80.83+20.88+12.24=2223.38m2墙面积：=3073.11+93.77+60.39+27.84+16.32+24.38+24.38+24.38+24.38=3368.95m2(4)北向：窗墙面积比=2268.24/3359.87=0.67窗面积=2129.70+71.71+66.83=2268.24m2墙面积=3083.19+84.66+79.78+28.06+28.06+28.06+28.06=3359.87m2杨艳红，等：建筑设计视角下的天津图书馆建筑节能研究屋顶透明部分与屋顶总面积之比为0.15，选用断桥铝合金中空Low-E夹胶安全玻璃，窗的传热系数K≤2.7W/(m2•K)，窗遮阳系数SC≤0.5。

5结论

通过以上计算可知：天津图书馆的体形系数满足规范中建筑物体形设计应尽量减少建筑物外表面积且建筑的体形系数小于或等于0.40的规定。窗墙面积比满足规范中建筑每个朝向的窗(包括透明幕墙)墙面积比均不应大于0.70。当窗(包括透明幕墙)墙面积比小于0.40时，玻璃(或其他透明材料)的可见光透射比不应小于0.4。建筑各部位的围护结构传热系数亦满足《天津市公共建筑节能设计标准》DB29—153—2005第3.2.2的规定。因此，判定天津图书馆建筑为节能设计。图书馆建筑节能是一个系统工程，它涉及建筑各个领域，但是作为建筑师设计之初如果采用合理的设计方法，选用绿色的建筑材料，考虑到地域气候等客观因素，那必将会减少后期的能源消耗。无论在经济方面还是环境保护方面，主动节能的理念远比用高科技的被动技术手段来减少建筑能耗的更具意义。

作者：杨艳红 陆伟伟 杨航 张于峰 单位：天津大学建筑学院 天津市城市规划设计研究院 天津市城市规划设计研究院