新型节能墙体系统设计和实例

徐 立 蔚云武 倪寿胜

近年来我国经济快速发展,一次能源消耗越来越大,据统计中国煤炭消耗量占世界消耗总量的40%,石油消耗仅次于美国位居世界第二位,能源危机已经成为制约我国经济发展的重要因素。在能源消耗众多形式中,建筑能耗在我国能源消耗总量中的比例逐年上升,推广节能建筑墙体,是建筑节能发展的一个主要趋势。本文介绍两种比较前沿的节能墙体。

1 双(多)层立面墙体系统

双(多)层立面墙体系统是近几年发展起来的,被称为“可呼吸的皮肤”。它主要针对以往玻璃幕墙能耗高,室内空气质量差的问题,利用两层(或多层)玻璃之间留有一定宽度的通风道并配有可随阳光及室内环境调节的百叶。

在冬季,双层玻璃之间形成一个阳光温室,提高了建筑内的表面温度,节省了采暖能耗;在夏季,利用烟囱效应对通风道进行通风,使玻璃之间空气不断被排走,达到降温目的。特别是对于高层现代风格建筑来说,幕墙和大面积玻璃是通常采用的建筑手法,据统计一般玻璃幕墙和墙的能耗比高达 5∶1,造成冬冷夏热的情况,再加上直接开窗容易造成紊流,不易控制室内通风。双层围护结构在除尘、降噪等方面都大大优于直接开窗通风,再加上特性玻璃(如低辐射玻璃、电子变色玻璃、热变色玻璃、光变色玻璃或全信息玻璃等)的应用和自控设备的结合,能发挥更好的节能效果。

双层立面的间距宽度设计主要指标,主要考虑以下因素：1)满足公用垂直系统的要求,双层系统通常把公用垂直系统的通道设在其中,提高建筑的有效使用面积。2)考虑自然通风(烟囱效应)的通风截面要求,这项指标直接影响通风的效果,一般楼高越高,通风量越大,通常自然通风风速在1 m/s以内,换风量根据国家暖通设计规范和卫生标准确定,如办公室新风量30 m3/(h◦人)～50 m3/(h◦人),换气次数是3次/h,会议室 3次/h～8次/h。3)考虑检修通道的宽度,为节约建筑空间高度,通常把通风管道和设备放在夹层中,设计要考虑到检修和维护的需要设置检修通道,为节约空间设计检修通道尽量选择在柱中的位置,避免通道与柱交叉增大通道截面,通常选择外挑结构避开夹层空间,一般情况下此界面宽度为控制宽度,所以要充分优化,包括设备的检修方式和位置的选择,尽可能压缩宽度提高有效使用面积。尽管双(多)层立面墙体系统在生态节能方面有着很大的优势,但是占有一定的使用面积,对建筑施工技术要求高,一次性投入高(尽管其投资能在使用过程逐步收回,但回收期较长,15年左右),维护技术要求高,对此项技术的推广形成阻力,但随着节能要求和玻璃技术的提高,以及相关配套产品的产业化,经济指标会有所提高,此项技术还是很有发展前景的。此项技术的典型建筑是德国汉诺威博览会20层大楼,该建筑位于市展览馆北入口处。核心是24 m×24 m的办公区,对角线方向布置垂直交通和辅房,办公房区域划分灵活,内部设计根据使用要求划分成各种规模的办公单元,各个工作区域都能得到很好的空间质量。具体做法归纳如下：1)外立面的玻璃幕墙对内部空间起了保护作用,有效地阻挡了高层的高速气流对通风的影响;2)内立面安装可开启的大面积推拉窗,内部可获得洁净的自然风,过渡季节节约能源;3)结构柱布置在夹层中间,避免影响内部空间的使用和划分的影响,布置更为自由;4)双层立面之间的夹层内侧安装自动百叶,调节光辐射对室内的影响,而且可以获得清新的空气;5)在楼层底部设风口,塔楼顶部设置出风口和风机,风口处带电动调节阀,可以根据情况实现自动调节;6)办公楼制冷和采暖系统埋设在楼板中,保证了温度平衡,降低了层高,使得整个建筑更为节能。

2 太阳能空气加热墙体系统(简称SAH)

在国外,太阳能空气加热墙体被广泛应用在需要大量通风空气的各类建筑中,尤其在高纬度亚热带和亚寒带冬季需要采暖和通风的工业厂房运用获得很好的经济效应,由于它在建筑中和外墙一体化设计,又被称为太阳能墙体。太阳能空气加热墙体系统实际上是在朝阳的墙上安装太阳能集热板将室外的新鲜空气加热后用于建筑通风,在改善室内空气质量的同时减少建筑供暖负荷。该系统具有原理简单、收集太阳能效率高、造价低和回收成本时间短的优点,极大地节约能源和供暖费用。

太阳能空气加热墙体的组成简单,包括：太阳能集热组件、通风系统、空气处理和控制元件三部分。

1)太阳能集热组件主要是金属的太阳能穿孔集热板、固定支撑骨架和上下防雨雪板,金属太阳能集热板是铝材和镀锌板材料上穿孔,选用转换热能达到80%的高科技涂层,设计选材要考虑集热板的防腐以及冬季除雪霜辅助加热系统;

2)通风系统包括保持一定风速的进风风机和风扇前后用来输送和分配热空气的风管以及通风系统中通常使用的电动风阀;

3)空气处理和控制单元,冬季和过渡季节确保送风温度,夏季有凉爽的新风进入室内。

太阳能空气加热墙体系统优点很多,它是目前世界上最有效的太阳能墙体系统。系统不需要昂贵的玻璃,消除了暖空气在天花板上聚积的现象,颜色多样可供选择。由于加热板与墙体之间有空隙,所以不会把热直接传导在墙体上,减少了冬季冷空气和夏季热辐射的入侵。在阳光充足的冬季白天,可以提高温升16℃～40℃,夏季遮阳可降低外墙温度5℃。即使是多云天气,系统也可以提供大量的热量来预热新风。系统利用太阳能能达到75%～80%,且安装方便,材料设备简单,经济性很高,回收期在1年～6年,对环境无影响,适合在各类建筑上使用。

该系统的主要设计参数的确定：

1)集热板孔洞的密度计算公式：λ=η F/A。其中,λ为孔洞率,一般控制在10%以内;η为不均匀系数,取1.2～1.3;F为设计风机送风量。如λ=4%,集热板孔为1 mm2,每平方米集热板上需要400个孔,每延长米22/23孔,孔间距 50 mm;A为集热板面积。2)集热板与墙体的安装间距是根据送风量确定,且不小于250 mm,宽度按以下公式计算：B=F/(3 600×V×L)。其中,F为设计风机送风量;V为风速,取1 m/s～1.5 m/s;L为风机集风范围宽度。当计算宽度大于600 mm时,可与建筑设计协商采用变截面,可以节约造价和占地面积。

目前世界上最大的太阳墙是位于加拿大的一个飞机制造厂,厂房建筑面积116 000 m2,该地区年平均温度6.1℃,年平均风速4 m/s,年平均太阳辐射量为1.07 MW◦h/m2。该厂房冬季采暖采用天然气加热器供暖,加热器的效率为75%。由于飞机制造厂房有一定洁净要求,按健康标准和工艺要求计算采用风机总风量为1 000 000 m3/h,全天候运行,该厂房工艺设备发热量大,送风温度控制在15℃左右,如送风温度大于20℃,室内温度会超过30℃,部分设备会因过热而保护停机。设计中在朝阳的两个墙面安装8 826 m2的SAH灰色集热板,经实际检测,每平方米空气流量为113 m3,空气温度可平均升高7.5℃。节省能源费用约每年达167 000加元,该系统单位平方米造价35加元相当于人民币220元,系统安装费回收期仅有1.8年。

我国第一个采用此项技术的是2004年山东建筑工程学院和加拿大国际可持续发展中心合作的生态学生公寓,使用了加拿大技术专利的太阳墙技术,显著提高了北向房间的冬季舒适度,降低了采暖能耗。它是在南立面窗间和檐口墙上使用143 m2的太阳墙,风机根据规范要求选择5 800 m3/h的风量,为北侧36间公寓送风,冬季最高送风温度可达35℃。按每年8个月计算,每年产生212 GJ的热量,相当于59 000度电,按0.8元/度计算,每年节约电费47 200元,一年就可收回安装成本,经济效益相当可观。

[1] 李军干,杜红珍.谈建筑节能[J].山西建筑,2008,34(6)：241-242.