论我国建筑节能发展及建筑设计理念

崔海军

摘 要:我国正积极倡导节约能源、可持续发展。节能型建筑已被建设部纳入今后城市建设的重点发展方向,建筑节能设计已成为今后建筑设计的重要组成部分。但从建筑节能设计的实际情况分析,仍存在一些容易被忽视的问题有待进一步深化认识。本文分析了我国建筑节能的发展方向,并提出建筑设计、细部构造设计等节能设计策略,以充分利用自然能,降低不可再生能源消耗,促进我国建筑可持续发展。

关键词:新能源 建筑节能 规划节能

中图分类号:F280 文献标识码:A

文章编号:1004-4914(2009)07-052-02

随着科学技术的日新月异,能源短缺已不容忽视,节约能源已受到世界性的普遍关注,在我国亦不例外。目前,全世界有近30%的能源消耗在建筑物上,长此以往,将严重影响世界经济的可持续发展。建筑节能是指在建筑物的规划、设计、新建、改建和使用过程中,执行建筑节能标准,采用新型建筑材料和建筑节能新技术、新工艺等,提高建筑围护结构的保温隔热性能和建筑物用能系统效率,在保证建筑物室内热环境质量的前提下,减少供热采暖、照明、热水供应的能耗,并与可再生能源利用、保护生态平衡和改善人居环境紧密结合。

一、建筑节能发展现状及其发展缓慢的原因

1.我国建筑节能发展现状。我国建筑不仅耗能高,而且能源利用效率很低,单位建筑能耗比同等气候条件下其他国家高出2~3倍。仅以建筑供暖为例,北京市在执行建筑节能设计标准前,一个采暖期的平均能耗为30.1瓦/平方米,执行节能标准后,一个采暖期的平均能耗为20.6瓦/平方米,而相同气候条件的瑞典、丹麦、芬兰等国家一个采暖期的平均能耗仅为11瓦/平方米。在400多亿平方米的既有建筑中,城市建筑总面积约为138亿平方米左右,普遍存在着围护结构保温隔热性和气密性差、供热空调系统效率低下等问题,节能潜力巨大。

以占我国城市建筑总面积约60%的住宅建筑为例,采暖地区城镇住宅面积约有40亿平方米,2009年的采暖季平均能耗约为25公斤标煤/平方米,如果在现有基础上实现50%的节能,则每年大约可节省0.5亿吨标煤。空调是住宅能耗的另一个重要方面,我国住宅空调总量年增加约1100万台,空调电耗在建筑能耗中所占的比例迅速上升。

2.建筑节能发展缓慢的原因。多年来,我国开展了相当规模的建筑节能工作,主要采取先易后难、先城市后农村、先新建后改建、先住宅后公建、从北向南逐步推进的策略。但是到目前为止,建筑节能仍然停留在试点、示范的层面上,尚未扩大到整体,究其原因主要有以下几个方面:建筑节能开发建设成本高;开发商追求的是以最小的投资换取最大的空间利益;建筑设计从围护的结构、设计的角度、施工的角度、计算达到的系数等要比一般普通建筑复杂;政府考虑的是GDP在全国所占的位置,对建筑节能工作的重要性和紧迫性认识不足;建筑节能的建筑材料、工艺技术还没有形成体系;国家对建筑节能的规范还没有列入强制执行的范畴;国家及地方缺乏对建筑节能的实质性经济鼓励政策,建筑节能缺乏必要的资金支持。

二、我国建筑节能发展的基本途径

1.墙体节能。墙体是建筑外围护结构的主体,其所用材料的保温性能直接影响建筑的耗热量。我国以实心粘土砖为墙体材料,保温性能不能满足设计标准。因而在节能的前提下,应进一步推广空心砖墙及其复合墙体技术。

2.门窗节能。外门窗是住宅能耗散失的最薄弱部位,其能耗占住宅总能耗的比例较大,其中传热损失为1/3,冷风渗透为1/3,所以在保证日照、采光、通风、观景要求的条件下,尽量减小住宅外门窗洞口的面积,提高外门窗的气密性,减少冷风渗透,提高外门窗本身的保温性能,减少外门窗本身的传热量。其节能措施有:

(1)控制住宅窗墙比。住宅窗墙比是指住宅窗户洞口面积与住宅立面单元面积的比值,JGJ26-1995《民用建筑节能设计标准(采暖居住部分)》对不同朝向的住宅窗墙比做了严格的规定,指出“北向、东向和西向、南向的窗墙比分别不应超过20%、30%、35%”。

(2)提高住宅外窗的气密性,减少冷空气渗透。使用新型的、密封性能良好的门窗材料。而门窗框与墙间的缝隙可用弹性松软型材料(如毛毡)、弹性密闭型材料(如聚乙烯泡沫材料)、密封膏以及边框设灰口等密封;框与扇的密封可用橡胶、橡塑或泡沫密封条以及高低缝、回风槽等;扇与扇之间的密封可用密封条、高低缝及缝外压条等;扇与玻璃之间的密封可用各种弹性压条等。

(3)改善住宅门窗的保温性能。户门与阳台门应结合防火、防盗要求,在门的空腹内填充聚苯乙烯板或岩棉板,以增加其绝热性能;窗户最好采用钢塑复合窗和塑料窗,这样可避免金属窗产生的冷桥,可设置双玻璃或三玻璃,并积极采用中空玻璃、镀膜玻璃,有条件的住宅可采用低辐射玻璃;缩短窗扇的缝隙长度,采用大窗扇,减少小窗扇,扩大单块玻璃的面积,减少窗芯,合理地减少可开启的窗扇面积,适当增加固定玻璃及固定窗扇的面积。

(4)设置“温度阻尼区”。所谓温度阻尼区就是在室内与室外之间设有一中间层次,这一中间层次象热闸一样可阻止室外冷风的直接渗透,减少外墙、外窗的热耗损。在住宅中,将北阳台的外门、窗全部用密封阳台封闭起来,外门设防风门斗,防止冷风倒灌,楼梯间设计成封闭式的,对屋顶上人孔进行封闭处理等措施均能收到良好的节能效果。

3.屋面节能。在不断改进建筑外墙、外窗的保温性能后,还必须进一步加强屋面保温隔热的研究。屋面节能措施的要点,其一是屋面保温层不宜选用密度较大、导热系数较高的保温材料,以免屋面重量、厚度过大;其二是屋面保温层不宜选用吸水率较大的保温材料以防屋面湿作业时因保温层大量吸水而降低保温效果,如选用吸水率较高的保温材料,屋面上应设置排气孔以排除保温层内不易排出的水分。现在,高效保温材料已经开始应用于屋面,一些建筑的屋面保温,采用膨胀珍珠岩保温芯板保溫层代替常规的沥青珍珠岩或水泥珍珠岩做法,就克服了常规作法的诸多缺点。

4.利用太阳能。地球拦截的太阳辐射能相当于目前全球电力消费量的1500倍。而在现有技术、经济条件下可供开发利用的太阳能,只占理论资源量的很小一部分。据美国能源部评估,1990年美国太阳能经济可开发资源量约为22Mtce/年,仅为技术可开发量的0.6%。所以,太阳能的开发利用有巨大的潜力。如果将太阳能源充分加以利用,不仅有可能节省大量常规能源,而且有可能在某些区域完全利用太阳能采暖。

三、关于建筑设计节能策略的几点思考

1.规划与节能设计。在以往的规划设计中,设计人考虑的往往是容积率、日照间距、空间形态、以及建筑与周边环境协调等问题,而很少从节能的角度来指导设计,节能设计只有在单体方案设计阶段才有所重视,从而产生了许多单体设计难以解决的问题。所以,提倡建筑节能首先应该重视规划节能。规划节能是指在规划设计当中充分考虑建筑与外部环境的关系,以节能作为指导规划设计的主要原则,充分利用自然资源,实现从总体上为建筑节能创造先决条件的设计方法。其中,规划节能对于居住建筑尤为重要。

2.建筑单体的通风与节能设计。建筑市场中,住宅开发商为了达到土地最大利用率的目的,往往要求建筑师按容积率的最高值进行设计,甚至超值设计,这样导致许多新建住宅多为一梯六户、一梯八户,甚至一梯十户以上都有。这种住宅单体平面在实际使用中通风将十分不利,特别是在夏季,室内积聚的热量难以散失,必须采用人工通风或空调降温,大大增加了建筑使用的能耗。而且目前的许多住宅设计,建筑立面窗户的设计主要是从立面造型方面考虑——采光面积大,可开启窗户面积小,这样的设计不但对隔热不好,对通风就更加不利。这都是因为忽视建筑单体的通风设计所造成的。

3.建筑外遮阳的运用与节能设计。随着节能技术的推广,业界对建筑外遮阳也越来越重视。建筑外遮阳能有效地阻隔部分太阳光直接照射到建筑物的外围结构,特别是防止太阳辐射穿过窗户直接进入室内,从而有效降低室内温度,达到节能的最终目标。在实际设计中,设计师经常会为了达到造型效果而刻意增加立面上的装饰构板,这些构件由于并非从遮阳方面考虑,所以形式作用大于实际功能。这并不符合设计的经济原则和节能原则。所以笔者认为,建筑立面设计应与建筑外遮阳设计相结合,并注意三方面的问题:一是要明确各种外遮阳的适用性。建筑外遮阳的设置与太阳的位置、建筑物的朝向都有着密切的关系。在窗户遮阳方面,实践证明:水平遮阳能遮挡高度角较大、从上方入射的太阳光,适用于南向的窗户;垂直遮阳能遮挡高度角较小、从侧面斜入射的太阳光,适用于东北向、西北向和正北向的窗户;综合遮阳(或称栅格遮阳)则综合了水平与垂直遮阳的优点,适用于东南向、西南向和正南向的窗户。而对于建筑墙体和屋面的遮阳,目前较为有效的方法是通过栅格遮阳和绿化遮阳。二是要从构件的设计上合理处理好遮阳与隔热的问题。传统的实体构件——水平、垂直和综合遮阳与墙体相连,其吸收的热量会直接传递给外墙,而且容易构成半开放式空间,遮阳构件受太阳辐射后温度上升,其一部分热量通过表面传热由空气带走并向上传递,但由于其它遮阳构件的阻挡,反而容易产生积聚现象,在风的作用下通过窗户导入建筑室内,从而不利于隔热。解决的方法是——在水平遮阳构件的选择上采用通透性的构件,目前较为先进的双层玻璃幕墙系统中,为了利于热空气的上升,其两层玻璃幕墙间的空气夹层往往是一个可连续的整体,即垂直方向上的间隔均为通透的金属构件,确保热空气能上升并带走热量。三是要合理设置遮阳板,避免影响室内空气的流动速度。因为遮阳板的存在会对建筑物周围的风压产生影响,当其角度与风向不一致时,风速将会大大降低。而且,遮阳的设置方式也会对气流产生不同的影响。

4.热桥问题与节能设计。建筑围护结构对建筑保温起到决定性的作用,但其中的热桥问题往往是人们所最容易忽略的。当代建筑由于追求造型的变化,立面上的凹凸进退增多,突出墙体、屋面的构件也越来越多,外飘窗得到了广泛的使用,这些设计手法丰富了建筑造型,却无形中增加了热桥的产生,对建筑节能带来不利的影响。产生热桥的原因主要有两个:一是因为该部位的传热系数比相邻部位的传热系数大得多,热阻小,保温性能较差;二是因为该部位的受热面积远小于其散热面积,从而失热过多,内表面温度较低。围护结构中钢筋混凝土梁、柱、板的相互交接处,外墙与外墙、内墙、以及窗户的连接处,保温门窗中的金属门框,以及突出屋面的女儿墙、排气孔与屋面交接部位等,都是围护结构中热桥形成的主要部位。在寒冷的季节,室内的热能就会通过热桥大量地流失。不妥善处理好这个问题,对于建筑节能会造成很大的影响。因此,在需要考虑冬季保温的地区,必须要做好外墙、屋面以及门窗的保温,构件自身的物理性能应满足节能标准的要求。在防止热桥产生的构造处理方法上,墙体的外保温比内保温更为有效,可避免室内外温差加大,保持较为稳定的室温和舒适度,防止保温层受潮,避免热桥的产生。实践证明,在采暖期采用相同厚度保温材料的外保温要比内保温减少约1/5的热损失,而在夏季,墙体的外保温做法还能减少太阳辐射热和室外热空气与外墙的表面换热,隔热效果也优于内保温做法。对于建筑中使用较多的铝合金门窗,解决热桥的方法是改采用新型的断热桥型铝合金门窗或铝塑复合门窗,且应同时配置三玻中空玻璃或Low-E中空玻璃,这样就能保证门窗达到节能65%的要求。其它的如屋面、外墙角、挑出构件与主墙体的连接位等热桥部位,应严格按照国家规范要求加强建筑局部的保温措施,防止热散失。从总体上讲,防止热桥的产生就要平衡建筑围护结构的传热,控制各组成部分的传热系数相接近,保证各部位的传热均匀。这就需要建筑师熟悉各种建筑材料的物理性能,在设计时对用材要仔细研究,合理配置,从根本上减少热桥的产生,最终达到节能的目的。

四、建筑节能设计的应变策略

建筑节能设计就是从分析地区的气候条件出发,将建筑设计与建筑微气候,建筑技术和能源的有效利用相结合

的一种建筑设计方法,也就是说在冬季最大限度地利用自然能来取暖,多获得热量和减少热损失;夏季最大限度地减少得热和利用自然能来降温冷却。

1.从建筑设计入手,综合分析地区气候特征,充分利用有利的气候条件和防御不利气候因素影响。(1)合理群体规划布局。设计中要充分考虑夏季有利的主导风向(通风致凉)和避免冬季不利的主导风向(避风保暖),综合考虑采光、通风、保温和防晒等因素,合理安排群体布局和建筑朝向。(2)合理控制体形系数。体形系数就是指建筑物与室外大气接触的外表面积F0(m2)和其所包围的体积V0(m3)之比值。也就是说,单位建筑空间的外表面积越大,体形系数越大,能耗就越高,反之亦然。因此,在考虑节能设计时,建筑平面外形不宜凹凸太多,力求完整,避免因凹凸太多增大而提高体形系数。(3)合理控制窗墙比。窗墙比就是建筑外窗总面积与外围护墙体总面积之比值。由于外围护墙体的热工性能比玻璃窗户要好。尽管外窗面积比外墙面积要小得多,但通过外窗得失热量却占外围护结构得失热量的40%左右,因此需根据不同地区气候特征合理控制窗墙比。

2.从细部构造设计入手,有效利用隔热保温、遮阳和自然通风等被动式节能技术,改善建筑室内微环境。(1)外墙体的隔热保温与遮阳。目前,我国正提倡新型复合墙体自保温系统和外隔热保温技术,外保温的优点:建筑室内温度受室外温度波动影响小,有利于主体结构保护和避免热(冷)桥的产生。(2)玻璃门窗的隔热保温与遮阳。外墙玻璃门窗是阻挡夏季太阳辐射热进入室内和冬季室内热量散失的最薄弱环节,其能耗是同面积墙体的4倍,屋顶的5倍,对建筑能耗影响较大。除控制窗墙比外,需增加玻璃门窗的热工性能:一是设计选用单层或多层中空或低辐射玻璃(如Low-E镀膜玻璃)和经热断桥处理的门窗型材,同时加强窗墙间、框扇间的接缝气密性设计。二是增加外墙玻璃门窗遮阳设计,防止夏季太阳辐射热透过玻璃门窗直接进入室内而耗能。(3)屋面隔热保温与遮阳。在夏季,屋面日照时间长,太阳辐射强度大,屋顶外表面温度最高达到60～80℃,顶层室内温度受其影响会提高2～4℃。在冬季,屋顶对外散失热量,又增加了室内的空调热负荷。屋面隔热保温除采用倒置式设计外,蓄水屋面和种植屋面越来越引起人们的重视。(4)自然通风。风压与热压是实现自然通风的两种手段,二者互为补充、密不可分。风压通风是利用建筑的迎风面与具有良好外部风环境的地区,选择有利通风的建筑朝向、控制建筑进深、“引导”自然通风等,可实现良好的风压通风效果。

五、结语

建筑节能是一个复杂的系统工程,建筑节能研究是建筑可持续发展的重要研究课题,涉及方方面面的问题。在我国现阶段,主要提倡运用与经济发展水平相适应的简单节能技术,同时注重太阳能、风能、地能等可再生自然能技术的研究和开发,降低可再生能源的利用成本,逐步从大城市与经济比较发达地区向全国推广运用,实现我国建筑节能既定目标。在设计中要多研究、多尝试、多积累、多总结,在有限的条件下将建筑功能与艺术和技术更好地结合,使建筑设计的各个方面都能体现节能的原则,努力创造低成本、高效率的节能建筑。

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(作者单位:太原市建筑设计研究院 山西太原 030002)

(责编:达锡)