建筑节能新技术在工民建中的应用研究

王振南（郑州工业应用技术学院，河南　郑州　451100）



建筑节能新技术在工民建中的应用研究

王振南
（郑州工业应用技术学院，河南郑州451100）

摘要：工业与民用建筑是建设施工量最大、数量最多的建筑物，开展对其建筑节能方面的研究具有重要意义.本文针对建筑节能新技术展开论述，从节能建材新技术和太阳能应用新技术两方面对节能减排技术在工民建中的应用进行深入研究，为建筑节能技术的应用和推广提供技术支撑.

关键词：工民建；建筑节能新技术；节能建材；太阳能应用

1　引言

我国的建筑行业在21世纪发展迅速，工业与民用建筑作为建设量最大的建筑工程，建筑数量增长迅猛.然而随着工民建数量的不断增多，建筑能耗问题也逐渐显现出弊端.我国的建筑行业能耗一直居高不下，数据显示，我国现有建筑400多亿m2，但其99%属于高耗能建筑.在节能减排成为社会发展主流的今天，研发和推广建筑节能技术具有广阔的市场应用前景.

本文对建筑节能技术在工民建中的应用进行研究，基于物理传热学相关知识，探讨节能建材新技术和太阳能应用新技术在建设施工中的实际应用问题.

2　建材节能新技术

工民建的外墙面、门窗和屋顶是热量传递、扩散、交换面积最大的建筑构件，实现建筑的节能化必须从这三个部位入手进行研究.夏季时，要减少外界热量向室内的传递，达到室内制冷效果；冬季时，要减少热量向外传递，达到室内保温的目的.建筑材料的制造、选择和使用是减少室内外热量交换的重要途径，通过建材与屋面的紧密结合，实现节能环保的目标.

2.1新型墙体砌块材料

新型墙体砌块材料使用空心加气砲块，砲块热介质被中间的空气隔断，显著降低了热量传递性能，减少室内外热流通交换量，保温性能良好.此外，制造砌块材料的原材料来源多是以废弃混凝土为骨料，水泥粉煤灰等为添加剂而制成，充分利用了建筑垃圾和生产废弃物，实现了节能降耗、资源循环利用目的.

再生混凝土空心砲块是新型节能墙体砌块材料的典型代表，应用广泛.它以混凝土为再生骨料，加入粉煤灰、矿渣、砂石、冶炼渣、硅酸盐水泥等制成，中空加气.不仅具有墙体材料应有的强度，抗震抗裂，具有良好的保温隔热效果，重量轻易于运输和施工，还可以起到建筑废料充分回收利用、解决建筑垃圾污染破坏环境的突出问题.表1为某再生混凝土空心砲块的具体参数[1].

表1　再生混凝土空心砲块性能参数

以废弃混凝土块制造的再生混凝土空心砲块墙体材料，比市场上天然骨料的原料价格要低20～30元/m3，加上所使用的其它材料如粉煤灰、矿渣、水泥等，使得混凝土空心砲块的整体造价要比一般的空心砲块低10%～20%左右，显著降低了建筑成本.此外，混凝土空心砲块由于中间填充了空气，降低了整体的导热系数，降低了热量传递，再加上混凝土加气性优于天然骨料，使得混凝土空心砲块的隔热保温性能显著优于一般空心砲块.应用于墙体材料时，由于自重较轻，减少了对墙体的压力，外墙可以进行其它的美化加工，为墙体的观赏性施工提供空间.

2.2高效节能窗

外墙面上的窗户是工民建筑物中大面积传热构件，占据墙面相当大的比例.窗户的采光要求导致窗户材质的选择受到很大限制，基本上只能用玻璃，因此只能改变玻璃的制作工艺，制造出符合要求的节能窗.类似于空心砲块的制造技术思想，在玻璃中添加气体进行填充，利用气体的隔热性能实现玻璃的保温隔热效果，这就是基于中空玻璃的高效节能窗.

高效节能窗是双层玻璃的一种，两层玻璃中间装有透明隔热层，透明层使用BOPET簿膜若干层进行分布，将分隔层空间进行等距排列支撑，周边密封粘结，形成“玻璃—BOPET薄膜层—玻璃”的干燥气体夹层玻璃.该节能窗具有优良的隔热保温效果，以图1为图示进行分析：

图1　高效节能窗双层玻璃导热示意图

如图1所示，双层窗内层玻璃的外侧温度为Ta，外层玻璃的内侧温度为Tb，玻璃导热系数为k1，空气导热系数为k2，则单位时间单位面积的热量传导为：

对于一般厚度为2d的单层玻璃，其热量传导为：

通过两者的比较，可知制作双层玻璃虽然工艺复杂会增加一些费用，但它减少的热量损失相当可观，当建筑要求L/d=4时，双层玻璃比同样多的玻璃材料制成的单层玻璃节约热量97%左右.主要是双层玻璃间的干燥气体层导热系数较玻璃层小一个数量级（某些惰性气体的导热系数更低），显著降低了热量传导量，达到阻隔传热的目的.

2.3屋顶绿化技术

屋顶同样是建筑物外部很大的传热平面，屋顶绿化技术成为人们逐渐应用的节能减排方式[2].屋顶面除了具有支撑防水等基本功能外，现代化节能技术又赋予了屋顶面新的功能，即以绿化方式营造全新的屋顶整体环境效果.由绿色植物在屋顶面构筑绿色空间，借助于绿色植物能够改善环境的天然特性，不仅降低热量在屋顶的传递，又可以加快室内气体的流通交换，改善气体环境.

屋顶绿化技术的植草水泥以火山岩菜为骨料，配合一定的添加剂，调和硅酸盐水泥，混合草种后成型种植.火山岩衆骨料内含植物生长所需养分，骨料质轻多孔，孔隙率高，气体流通顺畅，还可保持水土和营养，有利于种子的生长.植草水泥通过灌溉护理，两三周便可长成一片绿荫，种子成活率高，四季常青，全年绿化期可达十个月以上，青草寿命可达7～10年左右.此外，由于草坪草根深在混凝土缝隙中深藏，外部载荷对其影响较小，可以承受巨大的压力而不损坏.

植草水泥在绿地广场或屋顶的应用逐渐广泛，屋顶绿化技术的节能减排优势也逐渐显现出来.根据测试结果，使用了屋顶绿化技术后室内气温普遍降低3-5摄氏度，空气的流通量增加也较为明显，PM2.5等颗粒物也有一定程度的降低.屋顶绿化技术可以在夏季降低空调的使用率，显著节约能源.由于新型植草水泥不需要在建筑物屋顶堆积土壤，所以它不仅可以绿化屋顶，还可以在建筑垂直立面上进行铺设，这样就增加了建筑物绿化效果的立体感，增强外墙的保温隔热效果，显著改善室内空气流通环境，营造全方位的绿色氛围.

3　太阳能应用新技术

太阳能作为一种可再生资源，取之不尽用之不竭，大力开发太阳能资源对实现节能减排具有重大意义.被动式采暖、窗的集热采光和屋面太阳能利用是工民建太阳能利用的主要方面.工民建施工过程中，合理反射幕墙光线，将自然光引进室内，有效利用自然光线的柔和特征，不仅可以减轻阳光直射的伤害，又可以降低照明用电带来的费用.工民建的屋顶可以架设太阳能热水器，进行集热供暖，窗户可以配合太阳光的入射方向，选择引入光线和阻挡光线，灵活利用自然光.通常，工民建筑物要同时考虑保温隔热、通风换气和遮阳等因素，因此夏季要有适当的措施进行遮阳，并借助建筑物结构自行降温和通风；冬季可以很好的采光，提高室内温度，降低空气相对湿度.

3.1被动式采暖

利用冬季太阳直射南半球，太阳高度角低的特点，通过建筑自身的构架特点收集光线、储存热量和向室内空间释放热量的一整套采暖系统称为被动太阳能采暖.该方法在建设中就将太阳能的利用考虑在内，使得房屋建设和太阳能利用有机结合，具有显著的节能效益.依照获取太阳能方式的不同，被动式太阳能采暖系统可分为直接受益式、间接附加式和Trombe Wall式三种[3].

直接受益式是指室内构件将透过窗户进入房间的太阳光进行吸收，当室内气温低于构件时，这些构件就将吸收的热量释放出来，利用热辐射使整个房间的温度上升，达到采暖效果.室内的地板、墙面和家具等都是吸收热量的构件，这种方法无需额外设施就可以完成热量的收集和释放.该方式构造简单，房间升温较快，投资少管理方便，易于推广和应用.

间接附加式是在建筑南侧附加阳光间，阳光间南侧安装大面积玻璃来收集太阳光，利用太阳能对阳光间的空气进行加热，阳光间的热量通过通风口传递到相邻房间，从而达到热交换传递采暖的目的.阳光间作为收集和散布热量的中转站，对热量进行缓冲处理.夜晚可以关闭通风口来切断热量交换，从而减小室温的波动.除了捕获热量外，阳光间还可以种植花草，供人们活动使用.

Trombe Wall式，Trombe Wall是一种利用建筑物外部围护对热量的吸收贮存来进行采暖的方式.该方式使用涂有深色涂层的墙面作为向阳集热面，吸收太阳光的热量并减少辐射散失热，白天吸收热量，夜晚时放出热量，从而达到温度调节作用.白天阳光照射时，集热外墙面外玻璃或塑料薄片间的空气层被加热，通过通风口将热量从集热墙顶部流向室内进行供暖；夜晚时集热墙体内部存贮的热量通过通风口进入室内，开始释放热量对室内进行供暖.

3.2窗的集热采光

窗户是收集太阳光的重要部件，短波辐射作为高温辐射源可以透过玻璃射入室内，热量在室内通过各种设施的吸收从而成为新的低温热源.低温热源释放出的长波辐射不能穿透玻璃而被阻挡在室内，使室内气温不断上升，因此实现了保温功能.窗的集热采光方式分为直接受益窗和双层玻璃加百叶窗两种[4].

直接受益方式不需要额外的集热设施，构造方式简单易于实施，与建筑物结构相似，施工建设灵活方便.落地窗模式是将门与阳台向南面的窗户改为一体化的落地窗，增大透热的面积，浅阳台可以使房间充分接收到太阳辐射而直接得到热量.低窗台模式的设置是将窗台、窗户、上檐的空间围合，立面造型丰富，结构设置简单.冬季可以将更多的辐射引入室内，夏季可以利用上檐将强烈的太阳辐射遮挡在室外.

双层玻璃加百叶窗方式是在双层玻璃中间增设威尼斯窗镜，该镜是弧形反射镜，可以有效聚集太阳光，提高太阳能的收集率.玻璃外安装了百叶窗，可以灵活调节角度，冬季可以反射引入需要的阳光，夏季可以反射阳光到室外.此外，百叶宽度为百叶间距的2倍，以保证采光效果.

3.3屋面集热

屋面集热系统可以紧贴在屋顶上，还可以选择架空安置，不影响建筑物的侧立面.屋顶面日照条件好，接收到的太阳光照持续且稳定，不容易受到周围环境遮挡影响，这为屋面集热提供特有的优势.如今，太阳能热水系统已经走进千家万户，在农村地区也发展迅速，成为太阳能技术应用最成功的途径.

图2　太阳能集热器在建筑屋面上的安装示意图

如图2所示，表示太阳能集热器安装在具有一定坡度的建筑屋面上的情况.分为结构层、防水层、保温层、集热器、热风通道、采光保温盖板几层组成.该方式是在有防水处理的屋面上铺设具有防渗功能的隔热保温层，其上再安装太阳能集热器的集热部件，顶部架设采光保温盖板.

这种安装方式利用了整体集热器的大面积吸热特点，降低了成本，还提高了屋面面积利用率，提高了单位面积发热量，降低了后期维护频次和难度.太阳能与工民建筑物的一体化设计较为复杂，需要兼顾和协调的关键点较多.首先，建筑外观设计和太阳能集热器的搭配要符合建筑学美学原则，太阳能系统的嵌入不能显得过分生硬，使系统与建筑美观协调，实现相应的功能，达到真正的一体化；然后太阳能系统与建筑物的一体化不仅局限于屋顶面，还可以将其扩展到整个建筑外表面，在墙面、窗户以及阳台等可以接收到阳光照射的地方.

4　结语

节能建材新技术和太阳能应用新技术作为最主要的建筑节能新技术，在工民建施工建设中应该得到大力的推广和应用.在不同地区的实际应用中，要结合当地的气候环境特征，使节能技术与建筑设计和施工建设有机结合，并不断创新出富有地域特色的节能技术，研发和应用新型节能建筑材料和工艺，适应科技进步和时代发展的潮流，推动建筑节能减排事业不断向前发展.

参考文献：

〔1〕蒋杰.基于新型节能建材的绿色建筑技术的经济研究[D].西南交通大学,2014.

〔2〕王伟,杨豪中,陈媛.建筑节能技术在新农村建设中的应用分析与研究[J].西安建筑科技大学学报:自然科学版,2014(3):412-415.

〔3〕徐明磊.青岛市居住建筑节能技术应用研究[D].天津大学,2006.

〔4〕顾放,王卉.天津地区居住建筑节能设计技术发展研究[J].建筑学报,2013(9):176-179.

收稿日期：2015-11-30

中图分类号：TU201.5

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2016）01-0091-03