浅析建筑围护结构节能设计优化

【摘要】建筑物的围护结构对能源消耗贡献很大，尤其是使用大量玻璃外墙的办公楼对能源消耗更大，据统计，建筑物能源使用量占全球的35%以上。建筑围护结构主要包括外墙的各种构件，如墙、屋顶、窗户和遮阳元件。建筑围护结构的设计影响相邻空间的视觉和热舒适性，无法满足室内空间的视觉和热舒适性要求，会导致居住者依赖机械调节系统和电气照明系统增加建筑能耗。因此，优化围护结构系统将大大有助于建筑节能。研究结果表明，提供适当的遮阳设备是通过减少太阳热量获取来实现能源效率目标的最大贡献者，因为它会显著改变集成建筑的其他组件的性能，即暖通空调和人工照明系统，因此，在设计遮阳元件时必须充分考虑其节能设计。

【关键词】建筑围护结构;建筑节能;能源评估;能量优化;生命周期;被动系统

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

1、概述

近几年，建筑能耗增长越来越快，世界各地产生的总能量大部分用于暖通空调，全球住宅和商业部门的能源消耗也在增加，全球住宅和商业建筑的交付能耗预计在2015年至2040年期间平均每年增加1.4%，是全球平均增幅的两倍多，这一增长的大部分是由于电力份额和天然气使用的增加，以及电器和能源密集型设备使用的增加，以取代部分煤炭消费。

决定建筑能耗的两个因素是建筑的主动系统（暖通空调、照明、设备等）和被动的建筑设计策略（形式、朝向、围护结构设计、施工等），在所有上述因素中，建筑围护结构对各种研究中确定的总能耗贡献很大。商业、住宅、医院、办公室、车间等不同应用类型的建筑消耗的能量不同，建筑位置、气候条件、朝向形状、阳光直射面积以及其他因素也是影响建筑节能的重要因素。监测建筑物的能源性能是一项挑战，因为大多数建筑物没有安装或没有运行能源信息系统。在封装方面，借助热能储存，使用合适的相变材料、相变材料混合导热增强剂来冷却和加热建筑物是一个优化的选择，通过改变几何形状、相变温度、平均粒径、化学稳定性及其加热冷却循环，对建筑节能效果显著。

香港的一项研究发现，建筑围护结构的设计占办公楼峰值冷负荷的36%，另一项研究模拟了阿布扎比的办公楼，发现建筑围护结构占建筑总冷负荷的30%（太阳能、玻璃和织物）。

建筑围护结构由构成外部立面的不透明墙、窗洞、屋顶和遮阳装置等元素组成，是建筑结构骨架支撑的建筑表皮，热能通过它传递，它在封闭的空调空间和外部环境之间充当热障。不同的建筑围护结构部件，例如墙壁、屋顶、玻璃和遮阳装置对不同气候条件下建筑的能量性能有不同的影响，通过最大限度地减少建筑围护结构的热传递，可以大大减少空间供暖和制冷所需的能源。

2、建筑能源评估

在推动能源效率的过程中，建筑能源评估考虑了不同类型的标准、规范和方法。

a.评估：评估建筑物在标准化预定义条件下的年度能源使用情况。

b.运行额定值：运行额定值代表实际的能源性能，没有任何预定义的值，但通过建筑物使用的所有能源的加权和实际评估，以米或其他方式测量。

兩种方法都是基于计算的，基于测量的方法可以应用于既有建筑，为了提高建筑能效，许多国家开发了评估既有建筑能源性能的增强现实方法。

2.1 影响建筑能源利用的因素

不同的参数影响建筑物的能源利用，主要考虑如下：

a.外部因素（几何位置、建筑朝向、阳光辐射等）。

b.内部因素（建筑类型、形状、机械、人员）。

2.2 建筑形状和几何位置对建筑能量优化的影响

不同的几何位置和建筑形状会影响建筑物接收的总太阳能（传导、对流和辐射）及其总能耗，建筑的热辐射消耗可以将冷却所需的能量提高到25%。在建筑物的设计过程中，考虑其外表面和总建筑体积之间的比率最小值是非常重要的，这有利于半球形状的理想情况。研究人员已经开始研究建筑物的不同形状和结构参数问题，针对平行六面体形状、六边形或八边形基础平面、弯曲或椭圆形基础平面或没有任何特定几何形状等的建筑物性能，改变形状因子获得针对特定几何环境考虑的最佳尺寸设计，以找到最佳模型。影响加热和冷却要求调节的不同参数如下：

（1）紧凑指数

（2）几何形状因子

（3）特定区域的天气或气候

（4）建筑形态在建筑生命周期中的优势。

2.2.1紧凑指数

紧凑性指数可以表示为建筑立面的体积与外表面的比率，通过可能损失或增加热量表面尽可能小的条件来评价一个非常紧凑的建筑。

2.2.2形状系数

根据土木工程的概念，建筑的长度和其他参数之间总是有适当的关系。建筑长度与建筑深度之比表示为形状因子，不仅是建筑的方向和几何位置，形状因素也代表了在每个基点暴露的立面的百分比，形状和方向的组合优化有利于建筑设计，因此，可能的好处是节省大约36%的热能，已经发现，面向南向的建筑立面的最长墙对于正常的矩形房屋具有最合适的位置。形状系数为1/2的建筑模型（相对而言，朝向南向的外墙表面暴露在阳光下较少），需要8.2%的更多能量来加热和冷却建筑。如果屋顶隔热效果更好，由于屋顶覆层阻止了太阳辐射产生的热量，这一能耗百分比将大幅增加（26.7%）。

2.2.3气候和形状优化

在非常寒冷的天气区域，随着建筑面积的增加，越来越多的热量通过建筑围护结构逸出，因此在寒冷的气候区域，聚集和累积的太阳辐射会增加建筑表面接受主动和被动太阳辐射的面积。通过增加形状因子，即同样体积的建筑外表面越多，紧凑性指数越低，与供暖所需能量的增加成正比。在炎热的气候条件下，固定类型的建筑性能无法确定，因为气候和形状之间的关系不是直接的，存在修正因子来确定相关性。

2.2.4建筑形状对生命周期成本的依赖性

该周期包括设计的初步阶段、数月或数年的建设期、占用期、使用和维护以及拆除期，这个过程测量和评估系统中的人力、物力和精力的不同程度，随着时间流向这个过程。建筑物的最佳形状和设计是通过建筑物的几年建造和使用寿命来执行和实现的，这对于计算是非常有用的数据。曲线形建筑、多边形建筑等不同的优化形状是几年研究的成果，建筑形状对能源使用和能源需求，影响生命周期成本和生命周期环境成本。

建筑方向主要基于紧凑度因子、形状因子的不同参数，其中主动和被动太阳能加热影响建筑能耗。在建筑设计中，除了直接太阳能供暖之外，被动供暖是最重要的。许多研究人员将他们的重点放在建筑物的被动加热和冷却上。建筑物正面接收到的直接太阳辐射量取决于墙内的方位角，这对于建筑物的方位角非常重要。

最佳建筑朝向有以下积极方面：初期是一项低成本措施，降低能源需求，更复杂的无源系统使用较少，增强了其他复杂被动技术的性能，日光量越多，对人造光的能量需求就越少。因此，建筑物的内部热负荷降低。

2.2.5建筑外部和内部热负荷主要取决于建筑围护结构

根据外部气候条件确定内部气候条件，因此需要额外的能源用于供暖和制冷。对元素操作和包络的正确选擇会对某些能量需求产生积极影响，对其他需求产生消极影响。因此，有必要对建筑的整体性能进行评估。

2.2.6建筑物上的阴影

遮阳主要用于减少太阳直接辐射和进入建筑物的被动辐射，这些遮阳物件是将最高水平的辐射传输到建筑内部的元件，遮光不仅用于控制炎热气候下的最大太阳辐射量，还用于增加表面积。当在建筑立面空腔处提供时，这种遮阳布置提供了最有效的效果。

3、被动系统

房间内的循环和散热，这些方法被用于通过湿气来散热以及从房间中移除湿气，该系统成本低，效率低。在发展中国家，电力的广泛供应消除了供暖和制冷的障碍。被动冷却系统是环保的，与现代空调和其他设备相比，耗电量更少。如今，随着更多技术的发展，被动冷却再次成为研究的焦点。

4、上釉

玻璃窗是确保进入建筑物的能量和离开建筑物的能量的过程，在炎热的气候条件下，安装玻璃是为了减少热量进入建筑物，同时通过自然方式照亮该区域，这是一种有效的节能方式。而在寒冷地区，玻璃被用来将热量聚集到建筑物上，使建筑物自然升温，通过这一过程实现了节能。在光能和光线方面提供能量节约的玻璃窗可分为以下玻璃类型。

吸热玻璃：这种玻璃或类似玻璃的材料允许太阳能辐射进入建筑物提高其温度，并通过对流和辐射使热量在整个房间内循环，以减少通过玻璃的直接辐射，这主要用于寒冷的气候条件下。

热反射玻璃：这种类型的材料使用多层或反射涂层或薄膜，有时使用了不止一层来阻挡太阳辐射进入建筑物，对炎热气候区有效。

低辐射玻璃：这种类型的材料涂层或薄膜降低了传热系数，也可以方便冬季节能。

5、不透明墙组件

作为建筑围护结构的一部分，墙体占据了热量损失和增加的很大一部分，热传递系数是整个不透明墙组件的热属性，在评估建筑物的能源性能时，应严格考虑该属性。精确设计墙体保温材料的最佳厚度，改善建筑围护结构的隔热性能，将大大降低建筑运行所需的能源，以此作为降低建筑能耗的一种方式，同时考虑了建筑寿命期间的保温成本和能源。

6、屋顶总成

屋顶是暴露在太阳辐射下最多的建筑围护结构元件，因此，也是建筑物（单层）热量增加的最大贡献者。通过在钢筋混凝土板上方提供75毫米厚的聚氨酯泡沫保温材料，并使用一层凉爽的瓷砖和砂浆作为外部饰面，对屋顶进行优化，这种屋顶配置将整个屋顶总成年能耗降低了0.4%，这主要是由于冷却负荷减少了1%。

7、最佳化

不同的方法可以找到家庭、官方和商业建筑所使用的能源，但是需要一个广义的优化来预测能源消耗，或者从基础设计假设构建到后假设，以最小化能源消耗。其中，旧建筑主要是基于建筑角度和地域以及定位的约束，新建筑更多的是优化了设计等考虑与节能和高效。如今，不同的设计和热负荷以及建筑相关的软件可用于优化能耗和减少能源使用。

8、节能建筑的最新进展

建筑设备设计的最新进展带来了显著的效率提升，并且还有进一步提高的巨大潜力。最新设计的双层玻璃窗、PCM板、屋顶保温、屋顶园艺等，在该领域取得了很大进步，并且贡献了巨大的能量增益。涂有含有特殊颜料的材料的凉爽屋顶反射阳光，吸收的热量比标准屋顶少，开发的新型荧光颜料，这些类型的屋顶系统会变得更加“凉爽”，这种颜料的反射阳光量几乎是标准颜料的四倍。PCM与建筑材料和砂浆混合，低能耗电子电气设备，低能耗照明和天花板末端照明等都为建筑节能做出了贡献。

结论：

优化建筑围护结构可以对建筑节能做出显著贡献，对于建筑节能的审查，要综合考虑内部和外部因素，以及内部因素的不同标准。能源假设、建筑设计和实施以及拆除、不同类型建筑的能量计算等，不仅基于热力运行，还基于其他各种节能设计。建筑物的可持续设计应用降低了能耗、供暖和制冷负荷的能源需求，以及建筑物的总成本。不同的设计因素如建筑朝向、形状、紧凑性等，会影响建筑的总能耗。通过隔热、上釉、保护层等措施，可以最大限度地减少太阳辐射传热，实现建筑节能优化。

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作者简介：刘桂洪（1969.07-），男，学士/高级工程师，从事建设工程方面的研究。