建筑节能设计

徐秀丽,杨春辉

(中国建材国际工程集团有限公司,深圳 518054)

建筑节能设计

徐秀丽,杨春辉

(中国建材国际工程集团有限公司,深圳 518054)

建筑节能设计是一项系统庞杂且涉及广泛的工程,也是建筑可持续发展的重要发展方向,涉及方方面面问题。该文从建筑群规划、围护结构设计、新能源利用等方面着手设计,进一步降低不可再生能源消耗,促进我国建筑可持续发展。

建筑群规划; 围护结构节能技术; 建筑节能新技术

建筑节能这个新兴的课题,在建筑设计中要求也日益提高。节能建筑不仅可以使室内的环境质量有所提高,还对环境气候起着一定的积极作用。起初的建筑只是一个遮风避雨的场所,随着时代的进步、人们生活质量的提高,对建筑的更高要求则是舒适度。而建筑的节能设计,是在满足建筑物舒适度的同时,要合理的使用建筑材料,尽可能运用节能型材料,进一步降低建筑的冷热损失。

建筑节能设计实际上就是建筑节能技术的体现。一个国家是否先进,其中一个主要标志是节能技术的发展水平。我国的国策——可持续发展是否能顺利实现,其主要取决于新兴能源的利用和开发。我国建筑节能起步较晚,从建筑的能耗角度,发达国家高端能耗普遍比我国低很多。以1999年为例,美国各种能源消耗总量占全球的26%,其中建筑耗能已接近我国能源消耗总量。美国人口是我国人口的22%,假若我国人均建筑耗能水平达到美国人均水平,那么全球总耗能的40%是我国建筑能耗总量,这是难以想象的。随着国民经济的飞速增长,人们对室内环境舒适度的要求越来越高,建筑节能同样是以人的舒适和健康为基础的。因此,建筑节能新技术的开发和利用,可以降低建筑物对不可再生能源的消耗。要达到建筑物的节能需求,应该尽可能降低建筑物室内能源总需求量,同时要大力开发和利用一些可再生新能源,从而达到节能效果。建筑节能从以下几个方面着手。

1 建筑群的规划、设计

建筑节能设计,首先从建筑群的规划入手。建筑师要从建筑群体的各个领域出发,要与能源、环境、设备、结构等各个专业专家紧密配合,摒除对建筑传统能源的依赖。由此产生了一些新潮的设计理念,如微排建筑、低能耗建筑、零能建筑、绿色建筑等。

在过去的建筑规划设计方案中,建筑师注重的只是建筑的容积率以及各建筑间的间距是否满足日照要求,整个建筑群的空间形态以及建筑物与地理环境是否协调,却很少考虑建筑物是否节能,建筑材料是否使用环保材料。而节能环保意识只是在建筑单体的设计阶段才被重视,这就出现了一些单体建筑很难解决的问题。

在节能设计中,首先是合理选址、合理利用自然环境。根据建筑群体周围的气候条件,结合建筑物本体所在的气候环境特点,在设计过程中,要着重考虑利用地势和周边地理环境塑造出良好的建筑室内微气候,这样可以减少使用建筑材料。现代众多行业中,一些住宅投资方要求最大限度的利用土地,争取更高的投资回报,要求设计师把地块按照最大的容积率布置整个用地,这种最大容积率布置会使住宅的舒适度降低,通风不好,尤其是在夏季。住宅房间内部聚积的热量很难散失,只能采取措施降温,极大的增加建筑物的耗能。当前的许多住宅为了建筑造型牺牲了内部功能,窗户面积开的过大,增加了冷热损失,严重影响了建筑物的通风和隔热。这些不良影响都是由于在设计中忽略了通风所致。

设计建筑时,整体建筑的体量和朝向是合理设计应该把握的主要方向。合理的建筑体形不仅可以获得良好的室内微环境,还可以降低能耗。因此,我国标准规范也规定了建筑的体形系数要求。

2 围护结构节能技术

建筑从发展伊始,其功能即为保温和隔热。随着现代建筑的发展,此功能也在不断向前发展,除了更好的完成建筑内外冷热交换之外,还极大的降低了能耗量。目前围护结构的节能技术取得了相当大的成果,更具时代意义,也更明晰了围护结构在建筑体系中的巨大作用。

对于一栋建筑来讲,围护结构与建筑的冷热损失息息相关,以多层住宅中的6层砖墙、混凝土梁楼板结构为例,如北京地区建筑全部热损失的76%是围护结构所产生的,而哈尔滨地区全部热损失的70%是围护结构所产生的。因此,围护结构的处理安置是减少能量损失的关键。因此,节能从改变围护结构的传热量开始——减小其传热系数。例如,采用热阻大的材料,或者附带保温层的材料作为围护结构的材料,降低窗墙比等措施减少热量的传导。采用中空玻璃,同时采用闭孔的空心材料以减小空气对流。不同性质的建筑应根据不同的环境条件及经济条件等外因,综合考虑后采取不同的措施。

一般情况下,增加围护结构的费用只是总造价的4%左右,而节能效果却能增加近30%。这样既改善了围护结构的传热系数,又降低了建筑的冷热损失,达到了冬季保温、夏季隔热的效果。目前,围护结构的节能技术主要体现在墙体、门窗、屋顶等几个方面。

2.1 墙体的节能技术

在建筑的节能设计中,首先要考虑的是建筑墙体节能技术,传统设计方法通过重置材料只靠增加厚度来达到保温的目的,已经达不到如今对能耗的要求,因此出现了复合墙体,而复合墙体也逐渐成为我们设计中的主要材料。这种墙体是用块材或者钢筋混凝土作为承重结构,同轻质的保温隔热材料组合,或者是框架中用薄壁材料加以保温、隔热等轻质材料组合成墙体。当前的建筑市场中,保温隔热材料主要是岩棉、玻璃棉、挤塑板、保温砂浆等。这些材料的生产和制作都需要采用特殊的工艺和设备。保温砂浆是墙体外部使用的保温材料,这种材料保温性能不稳定,因此,现在许多地方已经禁止使用此种保温方法。墙体的外表面使用板材保温,性能稳定,节能效果良好,我国也在逐步要求外墙保温采用此种方法。

当前,国内外的外墙保温技术迅速发展,节能技术也不断更新。一些新型节能材料应运而生,材料和外墙保温技术相结合,才能更好的达到节能效果。所以,外墙保温技术在大力度推广和应用的同时,相关的技术革新也不容忽视,新型材料的开发也应跟上更新的步伐,才能真正实现建筑节能。

2.2 门窗的节能技术

建筑物的围护结构中,门窗也是节能设计中不可小觑的一份子。一栋建筑中,一般情况下门窗的面积大约占建筑总面积的30%,而门窗的冷热损失可以达到整栋建筑的50%,门窗的设计对于建筑节能也起了很大作用。门窗可以采光、通风,起到围护作用,也可以在建筑外形处理中起到一定的艺术效果。现代建筑风格特点是增大门窗面积来增大采光和通风的面积,还出现了各种全幕墙的玻璃建筑,这种全幕墙的现代建筑对围护结构的要求更高了。目前,对门窗的节能处理主要是改善材料的保温隔热性能和提高门窗的密闭性能。从门窗的材料来看,近年来出现了绝热铝合金型材、铝木复合或者塑木复合UPVC塑料型材(硬质聚氯乙烯)等一些技术含量较高的节能产品。当前使用的硬质聚氯乙烯材料,生产和使用中无污染、热阻大、保温隔热性能好,此种门窗已经在欧洲国家流传已久,我国也正在广泛的使用,并逐步代替铝合金、型钢等高能耗型材。现代建筑中出现的全幕墙建筑充分考虑了建筑玻璃的冷热损失,也是解决能耗的关键前提,因此出现了高技术的中空玻璃、镀膜玻璃等,很好的提高了建筑的节能效果。

2.3 屋顶节能技术

建筑的屋顶也是建筑物保温、隔热的重点。寒冷地区、严寒地区屋顶设计保温层可以防止室内的热损失,夏热冬暖等地区屋顶设计隔热层防止夏季太阳热辐射传递到室内,夏热冬冷地区建筑设计中要兼顾冬季保温、夏季防热。

保温常用的节能屋面为倒置式屋面,聚苯乙烯泡沫设置在屋顶的防水层上面,与传统的屋面做法中防水层与保温层的位置相反。此种屋面构造的蓄热能量较低,建筑内外的热量交换也较低,这种屋面是一种相对较好的节能形式,如果利用生态技术可以达到节能的效果,更符合可持续发展的国策。于是相继产生了一些生态环保的屋面形式,如我国南方地区应用较广泛的通风屋面,利用屋顶花园的种植屋面,利用水的特性的蓄水屋面。

我们南方夏热冬冷地区及夏热冬暖地区广泛应用的通风屋面,其特点是将原来屋面的混凝土屋面结构改变为带有空气隔层的结构形式。此屋面的内表面温差变化比普通的混凝土屋面延迟3～4 h,通风效果良好,散发热量速度快,室内舒适度提高。

种植屋面是指利用屋顶形成一个绿色微气候园的种植屋面,不但可以增加屋顶的休憩功能,还可以调节建筑的温度。种植屋面有种植覆土和种植无土两种类型,因为植物自身的光合作用、呼吸作用及其自身的蒸腾作用,可以起到很好的热量吸收作用,甚至对温度的调节功能比通风屋面更胜一筹。

还有一种节能屋面是蓄水屋面,是通过在屋顶上设置贮水层来达到节能效果的屋面形式,利用水蒸发时需要吸收大量热的特性,在夏季可以阻隔热量传导从而起到隔绝热量的作用。但是此种屋面的贮水池,在设计中要考虑其会增加屋面荷载,要根据具体情况酌情采用。

3 建筑节能新技术

3.1 外墙的保温技术

目前的建筑外墙保温体系中,自保温的外墙体系和复合保温的外墙体系并驾齐驱,对社会经济效益的提升起到了一定作用。从建筑节能角度来看,建筑的节能技术应该是追寻在建筑合理使用寿命中节能功效长期达标,原始材料投入应较低,居住室内环境舒适,建筑正常使用寿命长,本体维修费用应较低,从建设、使用、管理、维修等方面都应具备合理性。当然对不同建筑地点、不同性质的建筑类型、不同建筑高度及不同使用功能的建筑应根据地方特点及建筑的个性要求采用合理的外墙节能体系。

目前,建筑中大量使用的我国自主研发的各种节能型砌块的导热系数已经可以低于0.3 W/(m·K),甚至可以达到0.12 W/(m·K)的水平。我国北方50%的节能标准,采用砌块墙厚300～370 mm;南方65%的节能标准,砌块墙体厚度240 mm,均可以达到节能要求。自保温体系应用广泛,其特点是施工周期短,工程造价及围护费用较低,使墙体使用寿命可以达到建筑主体结构使用寿命,也给建筑造型设计预留了更广泛的发展空间。

3.2 节能型玻璃和节能型门窗

当前市场的节能型门窗生产材质已经从单一的型材发展到了复合型材,建筑玻璃也由原来单一的玻璃发展到了传热系数较低的中空玻璃及镀膜玻璃等,大大提高了门窗的节能效果,减少建筑的热量损失。

3.3 太阳能资源利用

太阳能是一种典型的可持续性能源,近年来被推广使用,是目前人类可以利用的最理想的可再生能源,最丰富的大自然馈赠,洁净无污染。因此,全世界都在开发太阳能技术,太阳能光能电能转换技术的研发,使建筑物应用太阳能技术变成了现实。在欧美一些工业发达的国家对太阳能技术的应用非常重视,推出了各种“太阳屋计划”。而我国取得的太阳能研发成果也是振奋人心的,由天津市奇信太阳能科技有限公司研发的太阳能集热器在国内的太阳能领域成为了先驱者;太阳能建筑——北京北苑太阳能示范工程,此栋建筑的全部能源来自于太阳能,如今已运转良好,成为了我国太阳能技术应用建筑的成功先例。

在建筑中充分利用以太阳能为代表的可持续能源,尽量取代传统的污染性能源,同时考虑多功能转换、余热回收和自然空调等。多功能转换一是使建筑构件成为多种能量形式的转换器,如将太阳能转换为热能或电能以供利用,二是建筑物实现多种使用功能的转换利用以节省资源。所谓“自然空调”,一是保护自然的生态环境,发挥绿色植物调温调湿、防尘、减噪和改善大气质量的功效;二是利用建筑材料和深层土壤的热惰性,通过有效的气流组织,对进入室内的空气进行调温调湿,以改善室内物理环境。因此,自然空调是一种既节能又没有污染的空调方式。

4 结 语

总之,建筑的节能设计是涉及广泛的系统工程,建筑的节能技术也涉及了诸多领域、诸多部门,需要各个部门的协调发展,才能更好的达到节能的效果。不仅要各个领域的技术支持,更需要政府部门强有力的支持,去过德国的人都会觉得德国城市绿化环境好、空气质量高,究其原因,德国全社会对能源、对环境有一种近乎敬畏的态度。德国政府、民间机构及社会民众的节能意识非常强。在推动生态节能建筑方面,德国更是不遗余力。因此,借鉴西方一些发达国家的经验,中国当前应该抓紧推广建筑节能技术,创造一个良好的人文环境。

[1] 张评衔.建筑节能及太阳能建筑[J].工程建设与设计,2009,57(7):20-23.

[2] 崔希骏.节能建筑外窗的配置研究[J].门窗,2007,1(5):10-18.

[3] 房志勇.建筑节能技术[M].北京:中国建材工业出版社,1998.

[4] 沈 雪,杨秋伟,李小琪.建筑节能及太阳能建筑应用研究综述[J].门窗,2012,6(5):42-45.

Design of Building Energy Conservation Design

XU Xiu-li,YANG Chun-hui
(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Shenzhen 518054,China)

The building energy conservation design is a complicated system engineering,and also is an important research topic of building sustainable development,involving all problems aspects.From complex plan,retaining structures design to new energy using,this paper reduces consumption of non-renewable energy and promotes the sustainable development of our country building.

complex plan; retaining structure energy conservation technology; building energy conservation new technology

2014-06-16.

徐秀丽(1982-),工程师.E-mail:xxl@ctiec.net

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.027