建筑节能实用技术应用的研究

2012-08-31江苏王凌杰岳岭

职业技术 2012年6期

江苏王凌杰岳岭

引言

建筑能耗包括空调、采暖、生活热水供应、照明、电器、电梯等方面的能耗，建筑节能的中心就是减少建筑耗能，即在保证建筑热环境舒适性和工艺性要求的条件下，合理使用能源、提高能源利用效率。在我国建筑业快速发展的同时，建筑能耗的总量也在逐年上升。国家建设部科技司研究表明，伴随城市化进程的加快和人民生活质量的改善，我国建筑能耗占全国总能耗的比例最终将上升至35%左右，庞大的建筑能耗比重已经成为我国经济发展的阻碍。我国目前每年建成的房屋97%以上是高能耗建筑，如果不注重降低建筑能耗，将直接加剧能源危机，因此，要实现经济可持续发展和保护环境必须实现建筑节能。

建筑节能应该主要从优化建筑设计、采用新型建筑围护结构材料、提高终端用户用能效率、提高总的能源利用效率等方面着手，鉴于空调系统的能耗在建筑能耗中占有较大的比重，本文拟以空调的观点论述建筑节能几个方面的实用技术措施。

1 节能型建筑材料的选择与应用

在建筑的热量组成中，外界环境通过建筑围护结构渗入室内的热量在总热量中占比较大，通过改善建筑材料结构的热工性能，夏季可减少室外热量传入室内，冬季可减少室内热量的流失，使建筑热环境质量得以改善，从而降低配置空调机组的功率。

建筑围护结构部件(屋顶、墙、地基、隔热材料、密封材料、门和窗、遮阳设施)材料的选择与设计对建筑能耗、环境性能、室内空气质量与用户的热舒适环境有根本的影响。

1.1 选择节能型墙体材料

节能型墙体材料主要是以砂石、页岩、工业固体废渣、建筑余土等非粘土资源为原材料，具有保护土地、节能利废、保温、隔热、轻质高强、经济适用等特性，用于建筑墙体的材料。节能型墙体材料改善了传统砌筑材料导热系数大、吸湿性强等方面的缺点。

墙体材料主要包括砖、板、块三大类，比较实用的砌块一般有加气混凝土砌块、石膏砌块、混凝土小型砌块等。墙板主要产品有GRC板、蒸压加气混凝土板、轻集料混凝土条板、钢丝网架夹芯板、石膏墙板、金属面夹芯板、复合墙板等。

加气混凝土砌块作为一种新型的建筑材料，具有重量轻、保温隔热性能优良、强度高等特点。使用这种材料，可以使整个建筑的自重比普通砖混结构建筑的自重降低40%以上，不仅抗震能力高，而且保温隔热性能好。加气混凝土的导热系数一般为0.128～0.209W/（m·K），仅为粘土砖和灰砂砖的1/4～1/5（粘土砖的导热系数为0.464～0.673W/（m·K）；灰砂砖的导热系数为0.612W/（m·K）），为普通混凝土的1/6左右。实践证明：200mm厚的加气混凝土墙体的保温效果相当于490mm厚的粘土砖墙的保温效果，隔热性能也大大优于240mm砖墙。

石膏类墙体材料具有可循环使用性，无毒无害、具有良好的耐热、耐火性，其导热系数为0.404W/（m·K）左右，也是一种良好的砌筑材料。

国内自主研发新型复合自保温砌块，是由主体砌块、外保温层、保温芯料、保护层及连接主体砌块与保护层并贯通保温层的“保温连接柱销”组成，具有优异的保温性能和性价比。其导热系数为0.21W/（m·K），240mm厚时即可满足节能50%～85%的要求。

泡沫玻璃是采用玻璃纤维下脚料或平板玻璃磨成粉状与发泡剂（石墨、碳黑）混合后，经烘干在发泡炉内发泡，再缓慢退火而成。其密度约为150～220kg/m3，导热系数约为0.042W/（m·K）左右，结构内部空隙完全封闭，不易受潮，既能承重又能隔热防潮，是节能型建筑最理想的材料之一。

1.2 墙体保温措施

墙体保温分为外墙面保温与内墙面保温，由于外保温墙体控制裂缝的产生要比内保温墙体控制裂缝容易得多，因此，国内大多数建筑均采用外墙面保温。彻底的外墙外保温可使建筑物完全处于室内的温度环境下，年温差一般波动不大，受环境温度影响较大的只是外保温层的外表面。

目前施工的建筑中，保温材料的使用以挤密苯板、聚苯板保温材料为主。挤密苯板具有密度大，导热系数小等优点，它的导热系数为0.029W/（m·K），而抗裂砂浆的导热系数为0.93W/（m·K），两种材料的导热系数相差32倍。聚苯板的导热系数为0.042W/（m·K），与抗裂砂浆相差22倍。

实际建筑施工中还可以采用硅酸盐复合绝热砂浆，这是一种新型墙体保温材料，保温隔热性能好，不仅可以直接涂抹，还解决了板材拼接处罩面层开裂现象。

1.3 采用节能门窗和节能玻璃

目前我国市场上的节能门窗主要有：PVC门窗、铝塑复合门窗、玻璃钢门窗等。玻璃钢门窗的型材具有极高的强度和极低的膨胀系数，且热工和物理性能优良，具有广阔的发展前景。

玻璃的性能对门窗节能性影响最大。目前国内外研究并推广使用的节能玻璃主要有：中空玻璃、真空玻璃和镀膜玻璃等。真空玻璃在节能方面要优于中空玻璃，从节能性方面比较，真空玻璃比中空玻璃节电16%～18%；热反射镀膜玻璃不仅具有节能和装饰作用，还可起到防眩、单面透视和提高舒适度等效果，可有效降低空调的运营费用；镀膜低辐射玻璃又称Low-E玻璃，这种玻璃对380nm～780nm的可见光具有较高的透射率，同时对红外光（特别是中远红外光）具有较高的反射率，既可以保证室内的能见度，又能减少冬季室内热量的向外发散，还能控制夏季户外热量过多地进入室内。Low-E中空玻璃和真空玻璃的热工性能比较好，可以在条件具备的建筑项目上优先采用。

从实际应用来看，中空玻璃窗保温性能明显优于单玻窗，即使是保温性能好的PVC塑料单玻窗的传热系数值也可能高达4.8W/（m2·K），而PVC塑料中空玻璃窗传热系数值在2.1～2.7W/（m2·K）之间，铝合金断热中空玻璃窗的K值在2.8～3.5W/（m2·K）之间；PVC塑料Low-E中空玻璃窗传热系数的最小值可达1.4W/（m2·K），铝合金断热Low-E中空玻璃窗的K值可降到1.9W/（m2·K）。

2 太阳能制冷技术的应用

在节约能源、保护环境方面，太阳能的利用起着至关重要的作用。目前我国对太阳能的利用主要是采用太阳能热水器提供生活热水和采暖。而在建筑节能方面，太阳能制冷技术将是今后主要的节能方向。

目前实现太阳能制冷有两条途径：一是太阳能光电转换，将太阳能转变成电能驱动制冷机工作，如光电制冷，热电制冷等；二是光热转换，将太阳能转变成热能，利用热能进行制冷，如吸收式制冷、喷射式制冷、吸附式制冷等。以热制冷主要的应用方向是太阳能吸收式制冷。吸收式制冷以氨或水为制冷剂，是利用溶液浓度的变化来获取冷量的装置。稀溶液在被太阳能加热浓缩成浓溶液的情况下蒸发出制冷剂，制冷剂经冷凝、节流后，在蒸发器内吸收被冷却介质的热量而蒸发，浓溶液吸收制冷剂蒸气再次变成稀溶液，周而复始地完成这一循环过程，即可获取冷量。

但该系统存在一些问题，如蒸发温度不能低于0℃，要降低系统的蒸发温度必须提高驱动热源的温度；在太阳能供给不足或不稳定的情况下要使系统运行，需要其它热源进行加热，此时系统的效率将会变得非常低。一种新型的太阳能吸收制冷系统，可使这些问题得到改善和解决，其系统结构如下图所示。

该吸收式制冷系统在太阳能供给不充足时仍可高效地运行。太阳能主要用于对压缩制冷系统的制冷剂进行过冷，同时压缩制冷系统的高温高压的制冷剂可有效地使吸收制冷系统的稀溶液的温度得到提升，从而对能量进行回收。这一制冷系统由于有了过冷部分的存在，比起常规压缩制冷系统来说，也可节约一些能源。在完全没有太阳能的情况下，系统相当于普通的水冷式压缩制冷系统，较之常规空冷式制冷系统，仍具有极高的能效比。

太阳能吸收式制冷技术与蓄冷技术结合，可改造成太阳能蓄冷系统，尤其适用于民用住宅。白天在太阳能充足的情况下，制冷系统运行将冷量储存起来（储冰或储存冷水），在夜晚，冷量可以逐步释放出来调节房间的温度。这将是今后太阳能制冷技术发展应用的方向之一。

3 采用水源热泵、土壤源热泵技术

水源热泵、土壤源热泵是近年来应用较快的热泵新技术，与空气源热泵不同，水源热泵、土壤源热泵基本不受大气条件的影响，具有运行工况稳定、效率高等特点。

水源热泵主要包括地下水源热泵、地表水水源热泵与水环热泵，它利用江、河、湖、海、地下水来作为水源热泵的冷热源，这些水源温度稳定，冬季水温在10～22℃，高于大气温度，夏季水温18～35℃，低于大气温度。水源热泵的制冷、制热性能系数可达3.5～4.4，高于空气源热泵。

土壤源热泵则是利用土壤作为冷热源。在地下的一定深度下，土壤的温度变化很小，夏季比大气温度低，冬季比大气温度高，因此土壤源热泵工况稳定、制冷、制热性能系数较大。土壤源热泵一般不将制冷系统的冷凝器（或蒸发器）直接埋入地下，而是通过地下换热器与大地进行热量交换，通过水循环实现地下能量与制冷剂的能量交换。土壤源热泵系统地埋管的形式、分布、循环介质流量、土壤的地质状况等因素，直接影响埋管换热器的工作性能，故土壤源热泵地埋管的设计与施工是该热泵技术应用的关键。土壤源热泵还可以与太阳能集热器组合成混合地源热泵系统，在供热过程中更加节能。

4 空调系统能量回收利用

在建筑空调系统中，能量的回收利用也是一项重要的节能措施。如制冷机组冷凝热回收、排风显热回收、冷凝水回收利用等，由于这些节能措施投入成本低，且易于实现，故此在建筑节能中应用广泛。

例如北京国家游泳中心—水立方空调系统对制冷机组冷凝热进行了回收，该空调系统设置了一台小型冷凝热回收型冷水机组将冷凝热用于生活热水的预热和休闲池池水加热。此外，为比赛大厅、跳水池厅、热身池厅、戏水池厅、俱乐部池厅等常年要求的高温高湿区域服务的空调机组采用了低温热管式显热回收空调机组，回收排放的预热，用于预热新风。这些措施的采用都大大得减少了电能的消耗。

对冷凝水回收利用的方法主要是：对水冷机组，空调冷凝水回收后，利用动力泵将其输送至水冷冷凝器进口处，使温度较低的冷凝水与冷却水混合，有效降低冷却水的温度，从而提高制冷系数。对于风冷机组，则可利用喷嘴将冷凝水喷洒在翅片盘管式冷凝器的表面，利用冷凝水的蒸发吸收部分冷凝热。实验表明，采用以上冷凝水回收利用的措施，可使制冷机组的性能系数提高5%～10%。

5 蒸发冷却方法的应用

在我国，屋顶绿化工程作为一项重要的节能技术，越来越多地应用于现代建筑。由于湿润土壤的水分蒸发，可使土壤层的温度维持在15℃～25℃，可有效减少建筑屋顶室内外温差传热（耗散）热量。

本文提出的蒸发冷却方法也可以应用于屋顶。在屋面的保温隔热、防水处理完毕后，考虑在屋面上方布置水管网，各支水管下方安装喷嘴，自来水（或其它硬度符合要求的水）通过喷嘴被分散成细小的水滴，均匀喷洒在屋面上。在炎热的夏季，通过水的蒸发吸热可将屋面冷却，使其表面温度保持在25℃以下，减少由于太阳辐射传入建筑物内部的热量，降低空调系统的负荷。蒸发冷却方法也可应用于建筑物的外墙面。如果从建筑美观方面考虑，也可考虑在屋面上进行水循环，将水直接输送至屋面中间，水在重力作用下流向整个屋面，并在屋面上形成水膜，保证水的蒸发速度。

上海世博会期间，美国馆的一面景观外墙设计成与地面倾斜一定角度，循环水由墙体上部呈水膜状流下。该墙面的表面温度与其它墙面的温度相差近20℃，与室内环境温度相差仅3～5℃，通过景观墙渗入室内的热量极少。美国馆室外排队等候区采用的也是雾化水冷却空气技术，保证了参观者在炎热的室外不致中暑。可以说，美国馆是蒸发冷却技术应用的典型。

另外，蒸发冷却技术也可应用于置换通风工程。置换通风是将新鲜空气直接送入工作区，并在地板上扩散形成一层较薄的空气湖，室内热源产生向上的对流气流，新鲜空气随对流气流向室内上部流动，形成室内空气运动的主导气流，房间顶部设置排风口，将污染空气排出。热源引起的热对流气流，使室内产生垂直的温度梯度。送风口送入室内的新鲜空气的温度通常低于室内工作区的温度，且其送风速度约为0.25m/s，动量很低，对室内主导气流不产生实际的影响。夏季，当室外新鲜空气的温度较高时，可以使空气首先通过蒸发冷却箱，与雾化的水（可以是自来水或深井水）进行热湿交换，降低温度后再送入室内。