建筑节能环保设计中新技术和新材料的应用研讨

2023-09-20何文方振华

智能建筑与智慧城市 2023年9期

关键词：围护结构建筑节能墙体

何文，方振华

（中建新疆建工土木工程有限公司）

1 引言

我国建筑行业的能耗已经占据了全国能耗的30%左右，所以建筑节能理念和可持续发展之间存在着非常密切的关联。特别是从整个社会的能耗状况来看，近年来的各类新建筑能耗不断提升，改善建筑行业内部能源利用率过低的现状对于社会经济发展至关重要。

2 现代建筑的设计与能耗特征

2.1 建筑特征

从目前的商业建筑或是民用建筑运作模式来看，建筑规模越来越大，满足了更多人的生活需求。以常见的商业建筑为例，商业建筑已经从单纯的购物休闲建筑转变为功能复杂多样的一体型建筑，所以建筑能耗构成相对复杂且能耗较高，但也正因如此，整栋建筑具有良好的节能潜力。对于现代建筑而言，能耗最高的部分无疑是电能消耗，照明系统又占其中之最。尽管现代建筑的平面布局变得更加紧凑，但从节能的角度来看，导致建筑能耗过高的原因，是因为对可再生能源的使用缺乏重视。从短期效应来看，舍弃可再生能源的应用是为了节省短期成本，但长期来看，由于不能从建筑层面提供能源减耗配置，在运行管理方面必然存在不同程度的缺陷。

2.2 绿色建筑开始成为发展趋势

绿色建筑并不简单指的是普通绿化，而是指建筑对环境的影响被控制在最小水平，并充分利用现阶段的自然资源，在不破坏生态环境的前提下为人们提供基本的空间需求。目前的绿色建筑始终遵循可持续发展原则和平衡理念，在传统的建筑优势基础上，结合能源利用和智能化控制为一体，充分展现出环境保护和技术创新层面的和谐统一[1]。

3 建筑节能环保设计当中的新技术和新材料应用

3.1 围护结构设计

围护结构设计是建筑设计中必须要考虑的关键。在某些气候炎热的区域，自然通风房间和空调房间都要考虑建筑隔热，否则会导致室内温度过高或空调系统负荷过大。与此同时，室内生产或生活产生的热量要通过通风的方式排放，用于改善室内的微气候。从当前的建筑类型来看，建筑标准层面积相对较大，无论是商用建筑还是民用建筑的屋顶，都采用平屋顶形式，从屋面传入建筑室内的太阳辐射相对较高。钢筋混凝土楼板与防水层结构的配置，使得大部分建筑都没有设立专门的保温层。按照《公共建筑节能设计标准》的相关要求。外部围护结构应该具备一定的蓄热特性，屋面吸收太阳辐射后并不直接传入室内，而是经过屋顶材料吸收再转变为能通过材料传输的热流。除此以外，考虑到热量的对流辐射形式，并不是马上体现在室内空气环境当中，所以除屋顶构造之外，还要考虑墙体构造。

以常见的钢混结构为例，仍然要按照公共建筑节能设计标准的技术要求控制墙体传热系数。过高的墙体传热系数会直接导致墙体的保温隔热性能下降，导致夏季区域内部空气过热，室内热物理环境恶劣。对此需根据不同的墙体材料确定对应的太阳辐射和传入室内的空气温度[2]。

门窗也是围护结构的重要组成部分，一般情况下，现代建筑的门窗整体节能性能都比较良好，也是外围护结构当中质量相对稳定的部分。因为门窗的传热过程比较简单，仅仅涉及构件导热。以外窗为例，外窗的传热系数一般都小于相应的技术规定阈值，因此可考虑使用存在节能功能的外窗保障窗户构造的热工性能，使室外的太阳辐射能够在一定阻挡之后再进入室内，防止室内空气加热速度过快，提高空调能耗。

3.2 能源系统

能源系统是当前节能技术应用的整合组成部分，目前的建筑大多采用温湿独立控制系统，通过独立调节热湿比等参数，满足不同区域的温度和湿度，克服传统空调系统中难以同时满足温度和湿度要求的情况。特别是对商用建筑而言，还会涉及智能控制系统的使用，按照智能节能技术和材料的集成优化思路，可以设置专门的能源设备系统、水资源利用系统、自然通风系统等。在部分建筑当中还会配置相应的备用能源，实现光对电或风对电等多种形式的综合利用，即便在室外温度较高或较低时，也可以持续对室内环境进行综合调整，以满足建筑能耗要求[3]。智能控制系统主要针对大型商用建筑，相关人员可以直接通过系统分析动态能耗，改变设备管理模式。

3.3 被动通风系统

被动通风系统本质上是被动自然通风系统，是在综合分析我国部分特殊区域的气候条件基础上。充分利用室外空气带走室内余热或余湿，减少空调的使用时间，降低能耗，但本身不影响室内环境的舒适度。从被动通风系统的设计原则来看，假设在温度比较炎热的夏季，则室外空气温度远远高于人体的舒适温度，单纯靠室内的墙体制冷量已经无法满足温度要求，对此需采用主动空调形式，而不是完全依靠被动通风系统。但是，在外部气候相对温和的时间段，则室外空气温度较低，那么就可以大量引入外部冷空气带走建筑物内的热空气。在夜间温度非常低时，外部空气温度远远低于室内温度，引入外部空气可以直接冷却室内的墙体，楼板等多重围护结构，让墙体温度大幅下降，减少室内光照而导致的温度过高。设计阶段，会根据实际自然通风状态下的人体热舒适水平和热舒适时间段评估自然通风的时效性和总时长配置。

需要注意的是，在商用建筑和民用建筑的通风配置方面会存在比较明显的差异，因为商用建筑和民用建筑的使用时间段有区别。商用建筑的高频率使用时间是日间上班时间，而民用建筑的高频率使用时间则是夜间。但无论处于哪一时间段，都需要考虑通过排风系统调节室内外温度[4]。

3.4 可再生能源系统

这里所指的能源系统指的是可再生能源系统，包括太阳能光电系统、风能系统和日光照明系统三个部分。

在太阳能光电系统的配置过程当中，会选择对应的太阳能电池组件，设置好开路电压、短路电流、工作电压和系统电压等多个方面的参数。

风能发电系统在当前的商用建筑或民用建筑当中应用频率较低，但是在一些大型公共建筑方面得到了比较广泛的应用。

日光照明系统则要考虑到具体的房间光照要求，让照明系统在绝大多数气象条件下都能保持稳定的工作模式，尤其是给室内提供足够的日间或夜间照明[5]。

在部分情况下，能源设备系统还要考虑整个建筑的暖通空调以及节能配置要求。若新风设计不能满足具体的技术标准，那么就会导致新风盲区的出现，影响人员舒适度或造成空调结露。因此在后期的建筑设计环节，可以考虑在新风管路上安装对应的定风量阀，定风量决定新风系统的设计。对于一些使用频率很高的室内环境，那么则需要调整电动风阀以增加新风送风量，同时也能预防结露现象（部分高标准建筑可以安装冷吊顶单元或吊顶式诱导器）（见图1）。

图1 首都国际机场T3航站楼应用新型康平吊顶辐射板

4 建筑节能环保设计发展策略

4.1 绿色施工体系建设

绿色施工体系建设是今后建筑节能环保设计发展阶段的最主要策略，涉及多个专业和多学科知识的深度融合。从具体的环境方面看，需要做好环境保护和污染预防，减少资源消耗和废弃物的产生，重点监督环境行为，并宣传环境保护方针策略。与此同时，企业所采取的各项建筑节能措施都需要以节能环保方面的法律法规作为参考依据，控制污水排放、控制光污染、控制固体废弃物排放、控制现场扬尘等[6]。最后则要根据不同的施工阶段，从人员配置等方面做好详细安排，尤其是要针对各类环境事故突发事件做好应急处理措施和检查纠正措施。

4.2 节能建筑管理模式

节能建筑管理模式可以借助信息化平台提升管理水平和服务质量，在各类设备的使用过程中监督系统运行参数，实现节约能源，改善自然环境和生活环境的最终目的。如水资源配置，按照合理利用水资源的具体要求，制定相应的节水方案和用水方案，完善建筑内部的节水运行机制。对于一些绿化要求较高的建筑来说，还可以考虑使用自然植物提升空气质量、增加湿度、净化空气等。