围护结构节能技术浅谈

2018-01-31余奉卓曹双华

上海节能 2018年8期

余奉卓曹双华杨兵吕静

上海理工大学环境与建筑学院

1 引言

据相关数据显示，2015年在我国的能源消费中，建筑能源消费总量为8.57亿t标准煤，占全国能源消费总量的20%。当今城市化发展的进程越来越快，全国建筑能耗总量每年以5%的增速增加[1]，建筑节能问题迫在眉睫。其中，通过围护结构的传热损失占建筑总损失的70%～80%，因此，围护结构的节能将是建筑节能的重要途径之一。围护结构是指建筑物及房间各面的围护物，通常情况下，是指外墙、屋面、窗户、地面等。外墙是围护建筑物，使之形成室内、室外的构件；外门窗是联系室内外空间的屏障，在室外环境良好时建立室内外的联系，在环境恶劣时阻断其联系，保障室内环境。

在我国每年近20亿m2的竣工房屋面积中，97%是高能耗建筑，节能建筑只有3%[2]，建筑节能水平相对滞后。与发达国家相比，我国多数地区的围护结构热工性能，差距明显：外窗传热系数为发达国家2～3倍，外墙的传热系数为3～5倍，屋面为3～6倍，门窗的空气渗透为3～6倍[3]，因此围护结构的节能水平有较大的提升空间。

2 建筑围护结构节能技术

围护结构的节能是开发高效经济的保温、隔热材料和先进的构造技术，以提高结构的保温、隔热性能和门窗的气密性能等，从而改善建筑物的围护结构性能，达到隔热保温的效果（夏季防止热量进入室内，冬季阻止室内热量散出室外），减少室内采暖和制冷设备的负荷，实现节能的最终目标。本文分别就墙体节能技术、门窗节能措施、屋面隔热保温技术与被动式太阳能建筑四个方面进行介绍。

2.1 墙体节能技术

墙体是围护结构的重要组成部分，墙体的传热损失约占围护结构的25%，因此墙体的节能措施十分重要。目前主要是提高墙体的保温隔热性能来达到节能目的。

外墙保温按材料组成的不同可以分为两类，墙体自保温技术和复合墙体保温技术。墙体自保温是由单一的低热导率材料构成，无外保温层，仅依靠材料自身的性能达到节能的技术。墙体自保温技术所用的材料目前有：空芯砖、混凝土承重空芯砌块和加气混凝土砌块等。复合墙体技术目前可以分为外墙外保温、外墙内保温和外墙夹心保温3类，其中膨胀聚苯板（EPS）薄抹灰外保温是目前应用最广泛的保温技术。

外墙隔热技术有通风外墙，管道嵌入式墙体等。通风外墙的通风形式有自然通风，主动通风。Patania等对通风外墙进行完整的热流体动态分析，利用FLUENT对三种不同材料外饰面板的通风外墙进行数值模拟与比较研究，提出了在强对流的情况下最适合的通风外墙[4]；刘琳等采用CFD模拟，分析了利用室内排风的主动通风式外墙的传热过程，比较研究了不同空气间层通风量与外墙面温度对墙体隔热性能的影响，结果表明该墙体具有很好的隔热特性[5]。

沈翀等提出了嵌入冷却管道的外墙，采用综合数值模式模拟夏季通过管道嵌入式外墙的共轭传热，分析在中国三个典型城市不同朝向的表现，结果表明此结构可以降低传热，提高舒适性[6]。

2.2 门窗节能措施

外窗的能耗占围护结构的总能耗的40%至50%，因此外窗的节能显得格外重要。对外窗的节能主要从三个方面入手：控制渗透量，传热量和太阳辐射。

控制渗透量，改善外窗的密闭性。可以使用聚氨酯发泡材料填充窗框与洞口的空隙；使用发泡胶条在玻璃与窗框之间的密封；提高窗框材料的规格精确度和和组装精确度等。

减少传热量，提高外窗的保温性。可以采用中空玻璃：由两层玻璃组成，中间充入干燥的惰性气体，如氩气，并使其内部保持一个稳定合理的气压，达到传热系数低，保温隔热性能良好的目的。

采用low-e玻璃来减少太阳的辐射。low-e玻璃是在玻璃表面镀一层表面辐射率极低的薄膜，对红外线具有很高的反射率。夏季时，阻挡室外的远红外热辐射进入室内，减低室内的冷负荷。冬季时，将室内的热辐射反射回屋内，以降低热量散失。

结合门窗的气密性、保温性和减少辐射等性能，节能门窗与遮阳一体化可以是节能门窗的一个发展方向。夏磊等提出了内置可调遮阳膜的中空玻璃窗，论述了该中空玻璃窗的构造形式、工作原理和控制模式[7]；盖凯凯研究了LOW-E真空中空复合玻璃，用Design Builder软件计算采用不同组合玻璃时的建筑全年的能耗，证明了此复合玻璃的优势[8]。

2.3 屋面隔热保温技术

屋面能耗在围护结构的总能耗中占比8%～10%，它的保温隔热对建筑的节能也有着重要的意义。蓄水屋面、绿化屋面与通风屋面是屋面隔热节能技术中具有广阔发展前景的技术，因此针对这三类屋面提出相应的优化方法。

蓄水屋面:在屋面上蓄积一定高度的水，太阳辐射因为水的蒸发吸热而消耗，从而降低屋面的温度，减少传热量。从砖蓄水深度方面来研究蓄水屋面的隔热保温性能，通过实验对比分析三种屋面温度的变化规律及特征，实验结果表明水深为8cm时性能最佳[9]；蓄水屋面存在着补水，夏季夜晚降温慢和水质变坏的问题，一种结合了遮挡、绿化和蒸发冷却并带有通气孔的新型蓄水屋面漂浮盖板可以解决此类问题。同时为了利用雨水，提出把蓄水屋面水池与中水系统相连取代溢流管的设计方法[10]。

绿化屋面：主要由植被层，保温层，防水层等组成。屋面的种植环境特殊，抗旱、耐瘠薄的植物是绿化屋面的首选，而佛甲草绿化屋面隔热性能良好、内表面温度波幅较小，可以将此类绿化屋面进行推广[11]；绿化屋面的防水问题复杂，运营维护投入大，采用硫化型橡胶防水卷材（三元乙丙、EPDM等），以及刚性防水与柔性防水相结合的防水方案，可以解决防水层渗漏的问题[12]。

通风屋面：带有通风空气间层的双层屋面结构形式，利用风压和热压将间层的空气带走，减少传入室内的热量，达到隔热目的。增强空气间层的隔热性能是通风屋面可以优化的一个方向。采用在平屋顶通风道上表面或下表面贴铝箔的措施，利用CFD针对不同工况进行数值模拟分析，发现铝箔在间层中任何位置放置都可以提高屋顶的隔热能力[13]；在通风间层增加低发射率的金属片，进行数值模拟研究，得出双层屋顶最佳效率的参数是：0.15反射率的金属片，5cm的保温层，10cm宽的腔体和超过30°的倾角[14]。

近年来，共享经济十分流行，共享单车的出现有效打通了城市交通最后一公里，给市民的出行带来了极大便利，得到了广大市民的认可，但随之而来的涉自行车事故数量不断攀升，问题日益凸显，给城市道路交通管理带来了新的挑战。我们统计单车事故得出，事故发生造成伤亡一大原因就是，骑行者没有任何安全措施的保护。由此可见，骑行佩戴头盔的重要性。而计划在新领域推动本来普及度就不高的骑行头盔，产品本身则显得至关重要。

3 被动式太阳能建筑

除了以上相关技术，被动式太阳能建筑也有着广阔应用的空间。被动式太阳能建筑不使用机械设备,只依靠加强建筑物的遮挡功能,通过建筑上的方法,达到隔热保温，使室内环境舒适的环保型建筑[15]。该技术是在20世纪80年代德国低能耗建筑的基础上发展而来的，也称为“被动房”。它构造简单，经济性优越，运行费用较低，主要有直接受益式、附加阳光间式和蓄热集热墙式三类。

直接受益式的设计比较普遍，与普通住房建筑几乎没有差别。它主要是通过较大面积的南向玻璃窗,使太阳射入房间内的热量尽可能的增大，室内温度升高。采用这种方式的建筑，窗户的设计是关键。李静等运用数值模拟的方法，对昆明地区某直接受益式太阳房的温度场进行模拟，得出结论：改变南面玻璃幕墙的窗墙比可以改变室内温度分布不均的情况[16]；于涛等运用DeST-h对北京地区的农宅模拟，结果表明：直接受益式太阳房南墙窗墙比以0.3～0.5最佳，玻璃选择普通6mm的单层玻璃并增加窗帘保温，围护结构应设计外保温[17]。

附加阳光间式设计的基本结构是在房屋南侧设立阳光间，其围护结构的全部或部分由玻璃等透光材料构成，阳光间与房间之间的公共墙上开有门、窗等孔洞。阳光间得到阳光照射被加热，通过空气对流将热量传送到建筑主体。李恩等以拉萨地区附加阳光间为基础建立模型，研究结果表明：阳光间进深1.2m为佳、外窗不适用单玻璃、外墙应有保温设计[18]；陈明东等将附加阳光间与节能火墙耦合，得出耦合房屋节能率为72.8%，证明了可行性[19]。

集热蓄热墙式设计主要是利用南向蓄热墙的蓄热能力和延迟传热的性能吸收太阳辐射，将热量传送至建筑空间。王臣臣等提出在该墙体空气夹层中悬挂百叶窗帘的百叶型太阳能集热墙，测试了不同叶片角度下集热蓄热墙对室内热环境的影响。经过对比分析，叶片角度为45°时，集热效果最好[20]；庄智等利用模型计算，得出适当增大体型比、百叶角度和风口尺寸有助于提高新型百叶太阳集热器的热性能的结论[21]。