试论建筑节能的重要性

2018-03-22彭亚娟

四川建筑 2018年1期

彭亚娟

(四川省建筑科学研究院，四川成都 610081)

[定稿日期]2017-10-18

建筑节能具体指在建筑物的规划、设计、新建(改建、扩建)、改造和使用过程中，执行节能标准，采用节能型的技术、工艺、设备、材料和产品，提高保温隔热性能和采暖供热、空调制冷制热系统效率，加强建筑物用能系统的运行管理，利用可再生能源，在保证室内热环境质量的前提下，减少供热、空调制冷制热、照明、热水供应的能耗。建造过程中的能耗，包括建筑材料、建筑构配件、建筑设备的生产和运输以及建筑施工和安装中的能耗。使用过程中的能耗，包括房屋建筑和构筑物使用期内采暖、通风、空调、照明、家用电器、电梯和冷热水供应等的能耗。

我国是一个发展中大国，又是一个建筑大国，每年新建房屋面积高达17～18×108m2，超过所有发达国家每年建成建筑面积的总和。随着全面建设小康社会的逐步推进，建设事业迅猛发展，建筑能耗迅速增长。所谓建筑能耗指建筑使用能耗，包括采暖、空调、热水供应、照明、炊事、家用电器、电梯等方面的能耗。其中采暖、空调能耗约占60 %～70 %。我国单位面积采暖所耗能源相当于纬度相近的发达国家的2～3倍。这是由于我国的建筑围护结构保温隔热性能差，采暖用能的2/3白白跑掉，而每年的新建建筑中真正称得上“节能建筑”的还不足1×108m2。

由于我国是一个发展中国家，人口众多，人均能源资源相对匾乏。国民经济要实现可持续发展，推行建筑节能势在必行、迫在眉睫。目前，我国建筑用能浪费极其严重，而且建筑能耗增长的速度远远超过我国能源生产可能增长的速度，如果听任这种高耗能建筑持续发展下去，国家的能源生产势必难以长期支撑此种浪费型需求。在建筑中积极提高能源使用效率，就能够大大缓解国家能源紧缺状况，促进我国国民经济建设的发展。减少建筑的冷、热及照明能耗是降低建筑能耗总量的重要内容，一般可从以下几方面实现。

1 气候地理环境条件与节能设计

进行节能建筑设计，就应先做好准备工作，对建筑所在地的气候条件、地形地貌、地质水文资料进行调查和了解。根据调查的结果决定节能设计的基本方案。因为我国许多地区都是夏热冬冷，地理环境的复杂多样性，因此，节能建筑的设计首先应该考虑如何充分利用建筑所在地区的自然环境资源和条件，在减少常规能源利用的前提下，按照节能的设计方法和建筑技术措施，创造出有利于人们生活和工作的居住环境。

(1) 气候条件的影响。由于建筑所在地理环境的特殊性，建筑具有一定的地域性特征，而其中气候条件所起的作用最为重要。所以，要制定出科学的节能建筑设计方案，就必须要了解当地太阳辐射强度、冬季日照率、降水、冬夏两季主导风向频率等气候因素，并了解建筑所在地小区域环境的微气候条件。通过对这些气候条件的了解掌握，设计出与当地气候相适应的节能建筑。

(2)地形条件的影响。一般来说，建筑所在地区的地形地貌，会直接影响建筑室内外热环境和空调能耗的大小，进而影响建筑的能源消耗情况。因此，对不同地形地貌的建筑环境要区分对待，设计出不同的节能方案。

如在江河湖泊环境下，因为地表水陆分布、地势起伏、表面覆盖材料等不同，受太阳辐射作用下和地表长波辐射的影响，会产生水陆风，进而形成气流的流动，影响到建筑的受能情况。因此，在设计时要充分水陆风的影响，以取得建筑穿堂风的效果为设计的重要环节之一，这可以改善夏季热环境对建筑的影响，节约空调能耗。如果在山区地带，就要充分考虑该地区的山谷风现象，因为通常情况下建筑周围的种局地热力环流表现得较为明显。因此，在设计时应重点考虑夏季防热、通风，兼顾冬季向阳、避风。在建筑的选址朝向上，要尽量选择通风的位置。合理地利用山谷风这一自然能源以实现建筑节能的最大效果。

(3)地表环境的影响。一般来说，居住区表面覆盖的植被或水泥地面都直接影响到建筑采暖和空调能耗的大小。在通常情况下，市区大气透明度远小于郊区，市区中直接辐射量小，而散射辐射量增大，造成总辐射量下降。而且，市区覆盖层的太阳辐射反射系数小，加上市区建筑物会对反射率造成一定的影响，大大降低了居住区覆盖层长波辐射与天空的热量交换量，使得大部分热量仍留在地表和居住区近，地下垫面内。而城市居住区植被少，地表长波向上辐射受到限制，大气长波辐射向下而产生大气逆辐射，就有可能造成市区温差变小，平均温度上升。此外，由于建筑物和铺砌的坚实路面大多为不透水层，降雨后雨水流失快，雨水蒸发到空气中，形成高温高湿闷热气候，居住区的建筑为降温就会大量使用常规能源，造成能源的大量消耗。因此，节能居住小区规划设计时，应有足够的绿地和水面，严格控制建筑密度，尽量减少水泥地面，利用植被和水域减弱热岛效应，进而改善居住区的湿热环境，减少因降温所需的能源消耗量。

2 利用太阳能是建筑节能的重要途径

根据我国太阳能资源的利用的三级区划，即以地区总辐射年总量为分区指标的一级区划；以各月日照时数大于6 h的天数这一要素为指标的二级区划；以太阳能日变化的特征值为指标的三级区划。建筑节能设计应该根据建筑所在地的太阳能资源划分，进行科学的研究分析，采用较为科学的设计方案。日照环境的设计主要是对建筑的日照间距和建筑适宜的朝向来确定的。

(1) 建筑的日照间距为保证阳光不受遮挡，并可以直接照射到建筑室内，在建筑的规划设计中，就必须在建筑物之间留出一定的距离，也就是建筑物的日照间距。影响建筑物的日照间距的因素有许多方面，包括当地日照标准、地理纬度、建筑朝向、建筑物的高度、长度以及建筑用地的地形等。因此，在建筑节能设计时，在节约用地的前提下，应该综合考虑各种因素来确定建筑的日照间距。根据以往经验，夏热冬冷的地区建筑要保证日获得日照l h的要求，日照间距系数就应该控制在1.2以上，按2 h的标准则日照间距系数应大于1.3。由于不同城市的纬度、土地资源及经济发展水平等条件的不同，规定日照间距的标准也有所差异，但是总体上是控制在1.1～1.3H(H为建筑高度)，即日照间距系数为1.1～1.3的范围以内，以保证建筑的采暖。在居住区平面规划中，要保证建筑群体错落排列，以利于改善日照时间。具体来说，可以把建筑设计成高层点式住宅，一是加大建筑的南北进深，增加电梯服务量，减少交通面积，二是缩小建筑物之间的间距系数并能充分保证采光日照量，达到节约用地、节约能源的目的。

(2) 适宜的朝向。建筑物主立面的方位角称为朝向，一般由建筑与周围道路之间的关系确定。建筑朝向的选择要考虑两个方面，首先是在冬季能获得足够的日照，主要房间要避开冬季风向，其次，在夏季能有效防止太阳辐射与暴风雨的袭击。

3 建筑外墙保温系统优缺点及保温材料在建筑中的应用

3.1 墙体保温形式

墙体保温通常有三种形式，即外墙外保温、外墙内保温和夹心保温。

3.1.1 外墙内保温优缺点

外墙内保温优点：(1)将保温材料复合在承重墙内侧，技术不复杂，施工简便；(2)绝热材料强度要求低，技术性要求比外保温低；(3)造价相对较低。

外墙内保温缺点：(1)难以避免“热桥”的产生。墙体内表面易产生结露、潮湿、甚至发霉现象；(2)防水和气密性差；(3)不利于建筑物维护结构的保护；(4)内保温板材出现裂缝是一种普遍现象。

3.1.2 外墙外保温优缺点

外墙外保温优点：(1)适用范围广；(2)保护主体结构，延长建筑物寿命；(3)基本消除了“热桥”的影响；(4)使墙体潮湿状况得到改善；(5)有利于室温保持稳定，改善室内热环境质量；(6)有利于提高墙体的防水和气密性；(7)便于对旧建筑的节能改造；(8)可相对减少保温材料用量；(9)增加房屋使用面积。

外墙外保温缺点：(1)保温层在墙体外侧，所处环境恶劣，对保温体系各材料要求较严格；(2)材料要求配套及彼此相容性好；(3)对保温系统的耐候性和耐久性提出了较高要求；(4)施工难度大，要有素质较好的施工队伍和技术支持。

3.1.3 夹心保温优缺点

夹心保温优点：(1)将绝热材料设置在外墙中间，有利于较好的发挥墙体本身对外界的防护作用；(2)对保温材料的强度要求不严格。

夹心保温缺点：(1)易产生热桥；(2)内部易形成空气对流；(3)施工相对困难；(4)墙体裂缝不易控制；(5)抗震性差。

3.2 保温材料

虽然市场上外墙保温材料产品种类丰富，但是无机活性保温材料除了A级不燃的防火性能及良好的保温隔热效果，还具有优异的无网保温系统构造。产品在施工简便、与建筑物同寿命、抗水抗裂抗空鼓等领域占据着越来越重要的地位。

3.2.1 无机保温材料

无机类保温材料的性能整体来说保温效果差，吸水性高，容重较大。

(1) 陶瓷保温板：导热系数0.08～0.10，A级防火，容重大，强度高，不吸水，保温效果差。

(2) 珍珠岩等浆料：导热系数0.07～0.09，防火性好，耐高温，保温效果差，吸水性高。

(3) 发泡水泥：导热系数在0.05～0.07，强度低，低质量发泡水泥板一捏就碎，吸水率较高，易收缩、开裂，保温系统易发生开裂、渗漏甚至脱落等质量通病。

(4) 岩棉板：导热系数0.041～0.045，A级防火，强度低，吸湿性大，一旦墙体渗水，保温层会形同虚设，岩棉板在施工的时候需要穿防护服，否则会皮肤过敏，所以人工费较高。

3.2.2 有机保温材料

有机类保温材料的性能整体来说保温效果好，防火等级差，有机保温材料最多只能达到A2级防火，不可能达到A1级。

(1) 膨胀聚苯板(EPS板)：导热系数0.037～0.04，价格便宜，强度稍差。

(2) 挤塑聚苯板(XPS板)：导热系数0.028～0.03，强度高，耐潮湿，价格较贵，施工时表面需要处理。

(3) 胶粉聚苯颗粒保温浆料：导热系数0.06～0.08，阻燃性好，废品回收，对基层平整度要求不高，可节省找平工序，施工时每次抹灰厚度不宜超过20 mm。

(4) 聚氨酯复合板：导热系数0.02～0.024，防水性非常好，保温效果为目前所有保温材料中最好的一种，强度高，遇火碳化，无滴落物，但价格也是最贵的。

(5) 酚醛树脂复合板：导热系数0.024～0.028，遇火碳化，无滴落物；但是酚醛树脂板表面强度非常低，不利于保证其粘结的可靠性，而且酚醛板又比较脆、易粉化等，不利于外保温体系的抗裂性。若采用锚栓，将会开裂破坏酚醛泡沫板的整体性，目前未找到较好的解决方法，很多地方已禁止使用酚醛板。

4 室内装饰中的技术性节能措施

解决现代室内装饰中的节能问题,离不开新技术手段的支持。在美国的建筑中,应用现有技术的气候敏感设计,可以减少采暖和供冷能耗的60 %,以及照明能量需求的50 %以上[3]。可见,利用采光与照明、空气调节与通风、保温与隔热等专业的现代科学技术最新成果,并结合传统节能技术,采取综合的节能技术措施是十分必要的,也是可行的。

4.1 采用节能设备,智能化管理,回收再利用能量

4.1.1 新型太阳能集热装置

用于营造室内人工环境设备的能量转化效率的高低,是影响节能效率的关键。目前,很多家用太阳能装置存在较多缺点,如所需照射时间长、水温比较低、容易受到外界自然气候的影响(如阴天、冰雹砸击、冬季爆管)。而最新研发出的新型太阳能集热装置—HSE-TJ太阳能集热蒸汽节能系统,利用光学原理将凸透镜和凹面镜完美结合,完全克服了传统太阳能装置的以上缺点,实现稳定提供高温热水或蒸汽的功能,是一种新型的能源设备。太阳能采集过程中,阳光先经过凸透镜折射,聚焦在集热环上,另外一部分散射光经过凹面镜的反射,也聚焦在集热环上。经过这样两次聚焦,可以充分利用太阳能,集热环上的温度可以达到500℃以上。

自来水经铜管流过高温集热环加热后迅速升温,在太阳辐射强烈时段产生高温蒸汽,在其他时段可以产生高温热水。高温蒸汽可以直接输往用汽场所,热水可以储存在热水箱中或者直接输往用热水场所。在太阳跟踪器的自动控制下,太阳能采集装置的集热面就可以在白天自动地正对太阳辐射线,保证集热面能始终垂直于太阳辐射线,使太阳能的利用率最高。

4.1.2 能量回收

说到家庭节能,大家往往会想到太阳能热水器等,但是很少有人会想到,沐浴、洗碗等过程流失掉的热水中所蕴含的热能也可以回收。这种节能环保的新技术叫“双向集热技术”,核心技术是自主开发的特殊热能交换器。就是把沐浴后废水中的余热收集进热能交换器中,新的冷水流经热能交换器时,热量传递到水中,温度升高,从而节省把冷水加热过程中消耗的能源,此技术可以让卫浴设备有效节能50 %以上。

4.2 利用再生能源

利用可再生能源代替矿物能源为室内环境提供能量，室内装饰设计与施工过程中,应采取相应配套措施,优先考虑采用太阳能、风能、水能等这类清洁的、可再生的能源。可再生能源不但可以在室内营造更加洁净和舒适的环境氛围,而且不会对室外环境产生危害,从而间接地实现室内节能和营造室内环境两者之间的良性互动关系。在当今比较前卫的生态实验建筑里,建筑师们积极开发了许多利用水的可能性，把水作为能量输送和储存载体。例如在英国康沃尔的零能耗住宅,住宅地下室的水槽被用来储藏热量。而在广州某餐馆设计中,一道别致的水墙既成为建筑新奇的皮肤,也对屏蔽太阳热辐射和降低环境温度起到了决定性作用。

4.3 室内装饰中积极采取节能建筑技术措施

4.3.1 阳光照明技术

阳光照明技术当建筑物进深较大时,仅靠侧窗采光是不能满足内部采光要求的,这就要通过一定的技术手段把太阳光引入房间内部。另外考虑到人体健康等原因,地下建筑也需要天然光的引入,可采取以下技术措施来实现。

(1)采光搁板：采光搁板从某种意义上讲是水平放置的导光管,它主要是为解决大进深房间内部的采光而设计的。它的入射口起聚光作用,一般由反射板或棱镜组成,设在窗的顶部,与其相连的传输管道截面为矩形或梯形,内表面具有高反射性的反射膜,这一部分通常设在房间吊顶的内部,尺寸大小可与管线、结构等相配合。为了提高房间内的照度均匀度,在靠近窗口的一段距离内,向下设有出口,而把光的出口开在房间内部,这样就不会使窗附近的照度进一步增加。实验证明,配合侧窗,采光搁板能在一年中大多数时间提供充足(大于100 lx)均匀的光照。若房间开间较大,可并排地布置多套采光搁板系统[4]。

(2)反射高窗：反射高窗是在窗的顶部安装一组镜面反射装置。阳光射到反射面上经过一次反射,到达房间内部的天花板,利用天花板的漫反射作用,反射到房间内部。反射高窗可减少直射阳光的进入,充分利用天花板的漫反射作用,使整个房间的照度和照度均匀度均有所提高。太阳高度角随着季节和时间不断变化,而反射面在某个角度只适用于一种光线入射角,当入射角度不恰当时,光线很难被反射到房间内部的天花板,甚至有可能引起眩光,因此反射面的角度一般是可变的。

4.3.2 遮阳技术

遮阳技术阳光在带来光明的同时也带了热量,在平均天空条件下,天然光每提供150 lm的照度,就会带入1W的热量。因此在夏季室外温度高的地区,白天太阳辐射强度高,且超出舒适范围的时间,需要设遮阳板或遮阳卷帘。这样既能防止夏季阳光直射而使室内温度过高,同时又能满足室内自然光度的要求。

4.3.3 特种玻璃技术

特种玻璃技术现在的科技进步为设计师提供了更多可选择的玻璃种类,电子玻璃能够根据照射到它表面的光强度自动改变透明度。使用防紫外线胶片制作的光致变色玻璃,可阻挡99%以上的紫外线进入室内,当这种玻璃能在商业规模上取得普及时,遮阳百叶可能就不再需要了。在既有建筑门窗及玻璃幕墙节能改造中,玻璃贴膜被广泛应用。以威尔斯顿系列功能膜为例,它具有隔热率高、节能环保的特点。与窗帘和百叶窗不同,一层威尔斯顿功能膜相当于30cm砖墙的隔热效果,阻隔高达50%～90%可能通过玻璃窗户进入屋内的热量。

实验证明,在室外温度38～39 ℃时,应用威尔斯顿系列功能膜的房间比普通玻璃房间的室内温度低4～6 ℃。威尔斯顿系列功能膜夏天可阻隔50 %以上的太阳光辐射热,冬天阻止室内热能散发外流,从而节省开空调或暖气耗电所带来的高额电费,是全球最新一代优质材料。