夏热冬暖气候区绿色建筑关键技术研究与应用

赵士怀 张志昆

(福建省建筑科学研究院 福建福州 350025)

1 项目研究背景

资源的过度消耗和环境的持续恶化，是当前人类面临的重大挑战。近二十年来我国整体城镇化进程突飞猛进，建筑行业得以飞速发展，然而，建筑体量的大幅度增长和相对落后的建筑理念、技术和产品之间的矛盾日益突出，所带来的资源消耗和环境破坏日益显著。我国建筑能耗已占社会总能耗的27%以上，建筑垃圾数量已占到城市垃圾总量的1/3，建筑所造成的水污染和生态破坏更是触目惊心。如何切实有效地降低建筑的资源消耗，平衡建筑建造与环境保护之间的关系，成为我国亟需解决的问题。

从20世纪80年代开始，我国致力于推进建筑节能工作，并将其作为落实节能减排基本国策的主要抓手之一。国家和地方政府陆续推出民用建筑的强制性节能标准，建筑节能工作取得显著成效。为扩展建筑节能内涵，促进建筑与环境的全方位协调发展，我国于2006年开始逐步推广绿色建筑三星认证体系。建筑节能作为绿色建筑核心，开始向更高能效的方向发展。绿色建筑材料研发和产业化是绿色建筑发展的基础，已得到行业的高度重视。绿色建筑技术应用与区域的气候、资源特点紧密相关。然而，夏热冬暖气候区绿色建筑技术研究相对于我国其它气候区较为滞后，存在以下主要问题：①绿色建筑技术体系未经过深入研究，绿色建筑技术的选用存在盲目性；②与气候相适应的建筑节能围护结构体系未做系统研究，限制了南方特色的节能围护结构体系的发展；③影响建筑室内外热环境的因素和改善热环境的综合措施未得到全面研究，改善人居舒适环境的措施难以得到实施；④既有建筑特别是高耗能的既有大型公共建筑和政府办公建筑的节能改造技术，未得到系统性研究与集成，能耗居高不下；⑤可再生能源建筑应用技术，由于缺乏深入研究而推广缓慢，一些项目存在设计不合理、运行不畅等问题，制约了建筑能效的进一步提高；⑥绿色生态建材产品研发薄弱，部分绿色生态产品的性能指标不尽人意，可供市场选择的种类也十分有限，质量也参差不齐；⑦缺乏绿色建筑创新平台，未能有效组织科研、高校、高新技术企业科技人员开展绿色建筑集成创新和技术攻关；⑧社会对绿色建筑理念的认识仍有偏差，缺乏作为引导意义的绿色建筑示范项目。以上问题严重地阻碍了夏热冬暖气候区绿色建筑的全面实施和深入发展，开展以建筑节能为主要内容的绿色建筑关键技术研究，以及绿色建材产品研发和产业化，成为绿色建筑发展的必然趋势和迫切需求。

福建省建筑科学研究院联合建设行业的科研、高校、设计、施工和产品生产企业，集合优势力量，围绕我国建筑领域节能减排重大需求和绿色建筑发展目标，依托福建省科技重大专项《建筑节能关键技术研究与应用示范》(项目编号：2008HZ0003-1)、省科技创新平台建设《福建省绿色建筑技术重点实验室》(项目编号：2010J1006)、《福建省绿色低能耗建筑综合示范楼》建设任务以及建设领域等多个科技项目，从建筑热工理论、建筑围护结构、建筑环境、既有建筑节能改造、可再生能源建筑应用、新材料制备技术等入手，深入系统地开展了夏热冬暖气候区绿色建筑技术与产品的研究，形成科技项目《夏热冬暖气候区绿色建筑关键技术与产品的研究应用》并取得一系列创新性成果；成果获得大面积推广应用，取得良好的经济效益和社会效益。项目获福建省2016年科技进步一等奖，是福建省住房与城乡建设系统历年获得的最高省级科技奖。项目负责人是福建省建筑科学研究院赵士怀教授级高工。

2 项目研究成果

2.1 优化建立了适宜于夏热冬暖气候区的低能耗被动式绿色建筑技术体系

项目创新性研究提出适宜于夏热冬暖气候区的绿色节能围护结构体系、改善建筑室内外热环境技术、既有建筑节能改造技术、可再生能源建筑应用技术，为绿色建筑与节能设计、评价，以及推广应用提供了技术支持和依据。

2.1.1绿色建筑节能围护结构体系

研究提出围护结构体系中自保温墙体、反射隔热涂料、门窗与遮阳、轻质绿化屋顶的设计方法、节能指标和技术参数，以及提高节能性能的技术措施。

(1)在自保温结构体系研究方面，项目对自保温混凝土复合砌块进行定义和分类，在国际上首次提出基于非匀质材料的自保温混凝土复合砌块的当量导热系数λeq和当量蓄热系数Seq等热工性能关键参数，简化相应的计算，并提出检测方法；提出自保温混凝土复合砌块应用于墙体的节能设计方法，以及砌体热阻Rma和热惰性指标Dma等相关节能指标的计算方法，如图1所示。应用核心成果，主编行业标准《自保温混凝土复合砌块应用技术规程》《自保温混凝土复合砌块》等。

图1 自保温混凝土砌块热传导分析图及主要参数计算方法

(2)在围护结构隔热研究方面，项目解决了建筑反射隔热涂料应用的关键技术。在国际上首次提出基于全年能耗动态模拟的建筑反射隔热涂料等效热阻计算方法，给出使用于夏热冬暖地区和夏热冬冷地区建筑外墙及屋面的等效热阻值；系统提出建筑围护结构使用建筑反射隔热涂料的节能设计方法。应用核心成果，主编行业标准《建筑反射隔热涂料应用技术规程》。

(3)在门窗节能研究方面，项目在国内首次研究发现外窗保温和隔热性能对夏热冬暖气候区南区和北区居住建筑节能不同的影响规律，提出夏热冬暖气候区门窗节能设计指标，编入行业标准《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》；主编完成地方标准《福建省居住建筑节能设计标准》，在夏热冬暖地区首次从围护结构性能、通风、遮阳、绿化等方面提出了福州、厦门居住建筑节能60%的综合技术措施和节能设计指标。

2.1.2改善建筑室内外热环境技术

项目基于福建省气候特点，系统研究了改善福建省住宅小区室外热环境的建筑迎风面积比、架空率、小区围墙的可通风面积比、绿地率、遮阳设施比率等关键参数的推荐值及相关建筑设计方法。研究自然通风与辅以电扇、空调节能运行模式。

项目研究提出小区获得最佳自然通风效果的指标：

(1)迎风面积比0.1～0.38，架空率40%～50%，围墙可通风面积比在0%～10%和70%～80%区间。

(2)采用分散式绿地有利于缓解热岛效应，且绿地率宜控制在30%～40%。

(3)室外乔木、廊、亭等遮阳设施遮阳率控制在45%左右时，降温效果和经济性最优。

项目提出建筑最优节电效果的“自然通风+风扇调风”与“风扇调风+空调”运行新模式，“风扇调风+空调”方式在夏热冬暖地区不同地区的平均节电率在40%以上，如图2所示。电扇调风改善热环境的思路和研究成果编入国标《民用建筑热工设计规范》(修编)。主编行业标准《建筑遮阳热舒适、视觉舒适性能检测方法》、地方标准《福建省绿色建筑设计规范》等，指导绿色建筑适宜、被动技术的推广应用。

图2 夏热冬暖地区最优空调-风扇运行模式的节能效果分析

2.1.3既有建筑节能改造技术

项目在福建省首次从建筑外围护结构、空调通风系统、供水系统、供配电与照明系统等方面，研究提出既有公共建筑和居住建筑节能改造评估、设计、施工、试验、质量验收和运行维护全套技术。开发出“建筑能耗及环境实时监测系统”和“建筑能耗监测与分析软件”，完成公共建筑能耗监测试点工程2个。成果应用于“全国特奥会福建省体育中心一场二馆改造工程”“福建省住建厅办公楼”“厦门中国银行大厦”等节能改造项目中。主编地方标准《福建省既有公共建筑节能改造技术规程》《福建省公共建筑能耗监测系统技术规程》《福建省既有居住建筑节能改造技术规程》等。

2.1.4可再生能源建筑应用技术

项目提出适合医院、学校、住宅等典型建筑的太阳能热水系统设计方法和运行模式；首次对福建省各类型地源系统的适宜性进行分析，建立地埋管换热试验平台，提出各类型地源热泵系统的设计方法与技术措施。开发“可再生能源建筑应用数据监测系统”与“可再生能源示范项目监测数据管理中心平台”，成果应用在“福州海峡奥林匹克体育中心”“海峡国际会展中心”“福州新西客站”等工程、以及福州、泉州等6个可再生能源应用示范市县工程，并提供技术支持。主编地方标准《福建省地源热泵系统应用技术规程》《建筑太阳能光伏系统应用技术规程》《福建省农村家用太阳能热水器设计与安装图集》等。

项目主编完成技术标准和图集20部。其中行业标准4部，省级标准12部，省级标准图集4部；参编完成国家和行业标准14部，出版建筑遮阳专著3部；在科技期刊发表论文64篇(其中核心期刊15篇)。构建和完善了夏热冬暖气候区绿色建筑技术标准体系，为绿色建筑建造提供了重要的技术支撑。

2.2 完成多种绿色建材产品的开发和推广应用

研发出多彩建筑反射隔热涂料节能技术、透水混凝土技术、自保温混凝土复合节能砌块、工业化ECP挤出成型水泥墙板，以及窗与遮阳一体化、新风节能控制器等26种新技术和新产品；获发明专利7项，实用新型专利13项，受理发明专利6项；有力地支撑和推动了夏热冬暖气候区绿色建筑的发展。

2.2.1高性能PCB自保温混凝土复合砌块

通过调整组分石渣粉与聚苯乙烯颗粒掺量、改变砌块肋厚度和排孔形状、尺寸等措施，使砌块当量导热系数从0.5 W/(m·K)降低至0.2 W/(m·K)，降低60%，墙体传热系数降低50%，节能性能大幅度提高，如图3所示。产品广泛应用在建筑节能工程中。获发明专利《一种轻质高强石渣粉混凝土节能砌块及其制备方法》《具有多重静止空气间层构造的自保温混凝土砌块》以及节能环保脱模剂等3项。

图3 PCB砌块生产线及产品(插图)性能改良

2.2.2透水铺装系列产品及成套施工工艺

研制包括水泥透水砖、透水水泥混凝土、聚合物透水混凝土等系列产品，其中高强透水砖添加剂、高强透水混凝土添加剂以及无砂透水混凝土添加剂具有自主知识产权。提出透水铺装产品配套施工工艺，给出其垫层、找平层、面层的最优设计参数。产品在海绵城市建设中得到广泛应用。获发明专利《一种高强透水砖添加剂及其制备方法》《一种生态蘑菇砼》2项，申请发明专利2项已受理，主编地方标准《透水砖路面(地面)设计与施工技术规程》1部。

2.2.3ECP挤出成型水泥墙板体系

墙板由工业废弃物、纸品、秸秆等环保材料制成，可通过弓形连接件及化学螺栓与主体结构进行柔性连接，具有装饰效果丰富、施工工期短、安全、可循环利用等特点，填补了国内工业化墙板围护结构系统的空白。产品在“台湾环球屏东购物中心”等工程中应用。获发明专利《一种高性能混凝土挤出隔墙板及制备方法》，以及泡沫石膏复合墙体等2项，实用新型专利2项。

2.2.4研发出多彩建筑反射隔热涂料

通过精心的涂层设计及试验，使研发的产品不但隔热性能优于普通单色涂料，且具备了丰富的装饰效果，解决了市面上反射隔热涂料色相单一、装饰效果受限的问题。申请发明专利3项已受理。

2.2.5“窗与遮阳一体化”系列产品

产品与常规外遮阳装置相比，具有结构简单、用材少、安全性高、维护方便以及性价比高的特点，产品在住建部办公大楼等多个工程项目中应用。获得实用新型专利6项。

2.2.6“户式通风系统与窗式通风器”和“新风节能控制装置”产品

“新风节能控制装置”通过预设温度(典型地域舒适温度)和室外温度的比对，对空调和新风机的启闭进行自动控制，最大限度地达到新风节能效果；电路易于实现，成本低。获得实用新型专利《新风节能控制装置》《门窗、幕墙窗式通风器》2项。

ECP挤出成型水泥墙板及户式通风系统实物图如图4所示。

图4 ECP挤出成型水泥墙板(左)及户式通风系统(右)

2.3 开展绿色建筑关键技术与绿色建材产品的综合应用示范

项目采用适宜夏热冬暖地区气候特点的先进绿色建筑技术、产品及项目研究成果，建设完成绿色低能耗、公共建筑节能改造和规模化光伏应用3个省级和国家级示范工程，长期对外开放，成为福建省绿色建筑技术和产品、节能改造、可再生能源建筑应用的试验、示范、展示和交流基地。

2.3.1福建省绿色与低能耗建筑综合示范楼(省级示范工程)

示范工程位于福建省建筑科学研究院闽侯铁岭基地，建筑面积7500m2，集合南方绿色建筑形式，采用自然通风、自然采光、门窗与遮阳一体化、立体绿化、自保温墙体、新型水源多联机空调系统、雨水收集与室外透水铺装系统、太阳能光热与光伏系统、节水设备、智能化监测系统等绿色建筑适宜技术和绿色节能建材产品，经测评示范楼综合节能率为70.99%，实测电耗50.76kWh/(m2·a),与福建办公建筑平均能耗相比，降低40%，同时低于国家能耗标准引导(先进)值。为福建省首个三星级绿色公共建筑，获得“全国绿色建筑创新奖二等奖”，现已作为福建省适宜性绿色建筑技术和产品的测试和推广教育平台，长期对社会开放参观。示范工程如图5所示。

图5 绿色与低能耗建筑综合示范楼

2.3.2福建省既有公共建筑节能改造示范工程(省级示范工程)

示范工程为福建省建筑设计院办公大楼，建筑面积9102m2，原建筑于20世纪90年代初期投入使用，经综合诊断与论证后，采用高性能玻璃外窗、固定及活动外遮阳装置、屋顶绿化、屋顶太阳能光伏系统、高效空调系统与照明、节水器具等技术与产品进行整体节能改造。实际运行数据表明，改造后年节电量35.7万kWh，节电率17.6%；节约水费8622元，节水率30%；节省标准煤128t，减少310t CO2和9.4t SO2排放。示范工程如图6所示。

图6 既有公共建筑节能改造示范楼

2.3.31MW屋顶光伏系统(国家级示范工程)

示范工程位于福建省建筑科学研究院闽侯铁岭基地，光伏系统安装于厂房屋顶，面积7142m2，装机容量1053.6kWp，实现并网运行，发电用于生产和办公。2013年6月1日至2015年8月26日累计发电量为120.3万kWh。

2.4 组建绿色建筑创新科技平台

依托项目研发的绿色建筑技术成果和人才优势条件，项目负责单位-福建省建筑科学研究院联合科研、高校、设计、企业等各方力量，向福建省科技厅、福建省住建厅等上级主管部门申请并获得批准，组建了“福建省绿色建筑技术重点实验室”(2013年5月通过省科技厅验收)、“福建省海峡绿色建筑发展中心”“福建省绿色建筑创新联盟”“‘6·18’虚拟研究院建筑建材分院”和“福建省建筑工业化产业联盟”共5个绿色建筑创新科技平台，构筑了绿色建筑技术创新的长效机制。

(1)开展了以绿色建筑技术为核心的节能、节地、节水、节材和环保等领域科技攻关和工程应用研究，新增了科技研发能力，建立了开放的绿色建筑公共实验室，培养了一批绿色建筑专门化科技人才。

(2)开展了绿色建筑技术咨询、评估、评审和设计等服务，以及全省绿色建筑技术培训和宣传。

(3)整合了福建绿色建筑各个领域的有利资源，促进绿色建筑产业之间的相互衔接；通过组织交流会，探讨当前发展绿色建筑存在的问题，向政府部门提出解决的对策。

(4)与高校、设计、高新企业建立了发展绿色建筑战略伙伴关系，已同40余家单位签订了产值达2亿元的绿色建筑产业项目开发协议。

3 项目研究成效

科技项目《夏热冬暖气候区绿色建筑关键技术与产品的研究应用》集成福建省科技重大专项、科技创新平台建设及建设领域等多个科技项目，针对夏热冬暖气候区建筑节能与绿色建筑发展的共性问题，开展绿色建筑关键技术研究、产品开发和工程示范应用，取得主要创新成果有：

(1)确立了夏热冬暖气候区低能耗被动式节能技术体系。

(2)研发了夏热冬暖气候区绿色建筑新技术、新产品共26种。获发明专利7项，实用新型专利13项。

(3)构建了夏热冬暖气候区绿色建筑技术标准体系。主编完成技术标准和图集20部，参编14部。

(4)完成3个省级示范工程建设。

(5)建设完成科技创新平台5个。

项目成果在工程上大面积推广应用并取得显著经济社会效益：

成果在“福州海峡奥林匹克体育中心”“福州海峡国际会展中心”“全国特奥会福建省体育中心”“厦门东南国家航运中心”“泉州见龙亭住宅小区”(经济适用房)等福建省数十项重点工程、大型工程、既有公共建筑节能改造和国家级可再生能源应用市(县)示范工程中推广，累计应用建筑面积达3397万m2，其中推广节能技术建筑面积2172万m2，节能改造153万m2，可再生能源1072万m2。

项目所构建的绿色建筑标准体系在“十二五”期间累计实施绿色建筑面积3260万m2，获得绿色建筑评价标识的项目达107个；构建的建筑节能标准体系近三年累计实施节能建筑面积2.5亿m2。

建立PCB聚苯颗粒节能砌块(年产能10万m3)、粉煤灰(陶粒)空心砌块(年产能25万m3)、透水砖、反射隔热涂料、ECP挤出成型水泥墙板、窗与遮阳一体化产品等6个产品生产线，近三年累计新增产值27 961万元，利税7434万元。

成果推广近三年累计节约标煤8万吨，减少CO2排放20万吨。

福建省建筑科学研究院赵士怀教授级高工率领70多人科研团队完成了该项目研究，历时近10年时间。以刘加平院士为组长的专家组对项目评审结论为：“该项目研究总体达到国际先进水平，其中在夏热冬暖气候区自保温混凝土复合砌块技术体系、建筑反射隔热涂料节能技术体系等方面达到国际领先水平”。项目成果引领和支撑了夏热冬暖气候区绿色建筑的发展，对福建省“十二五”节能减排目标的完成做出了积极贡献，也为“十三五”绿色建筑发展目标的实现奠定了技术基础。项目获福建省2016年度科学技术进步奖一等奖，实现福建省建设系统科研新突破。