新型節能墻體系統設計和實例

徐 立 蔚云武 倪壽勝

近年來我國經濟快速發展,一次能源消耗越來越大,據統計中國煤炭消耗量占世界消耗總量的40%,石油消耗僅次于美國位居世界第二位,能源危機已經成為制約我國經濟發展的重要因素。在能源消耗眾多形式中,建筑能耗在我國能源消耗總量中的比例逐年上升,推廣節能建筑墻體,是建筑節能發展的一個主要趨勢。本文介紹兩種比較前沿的節能墻體。

1 雙(多)層立面墻體系統

雙(多)層立面墻體系統是近幾年發展起來的,被稱為“可呼吸的皮膚”。它主要針對以往玻璃幕墻能耗高,室內空氣質量差的問題,利用兩層(或多層)玻璃之間留有一定寬度的通風道并配有可隨陽光及室內環境調節的百葉。

在冬季,雙層玻璃之間形成一個陽光溫室,提高了建筑內的表面溫度,節省了采暖能耗;在夏季,利用煙囪效應對通風道進行通風,使玻璃之間空氣不斷被排走,達到降溫目的。特別是對于高層現代風格建筑來說,幕墻和大面積玻璃是通常采用的建筑手法,據統計一般玻璃幕墻和墻的能耗比高達 5∶1,造成冬冷夏熱的情況,再加上直接開窗容易造成紊流,不易控制室內通風。雙層圍護結構在除塵、降噪等方面都大大優于直接開窗通風,再加上特性玻璃(如低輻射玻璃、電子變色玻璃、熱變色玻璃、光變色玻璃或全信息玻璃等)的應用和自控設備的結合,能發揮更好的節能效果。

雙層立面的間距寬度設計主要指標,主要考慮以下因素：1)滿足公用垂直系統的要求,雙層系統通常把公用垂直系統的通道設在其中,提高建筑的有效使用面積。2)考慮自然通風(煙囪效應)的通風截面要求,這項指標直接影響通風的效果,一般樓高越高,通風量越大,通常自然通風風速在1 m/s以內,換風量根據國家暖通設計規范和衛生標準確定,如辦公室新風量30 m3/(h?人)～50 m3/(h?人),換氣次數是3次/h,會議室 3次/h～8次/h。3)考慮檢修通道的寬度,為節約建筑空間高度,通常把通風管道和設備放在夾層中,設計要考慮到檢修和維護的需要設置檢修通道,為節約空間設計檢修通道盡量選擇在柱中的位置,避免通道與柱交叉增大通道截面,通常選擇外挑結構避開夾層空間,一般情況下此界面寬度為控制寬度,所以要充分優化,包括設備的檢修方式和位置的選擇,盡可能壓縮寬度提高有效使用面積。盡管雙(多)層立面墻體系統在生態節能方面有著很大的優勢,但是占有一定的使用面積,對建筑施工技術要求高,一次性投入高(盡管其投資能在使用過程逐步收回,但回收期較長,15年左右),維護技術要求高,對此項技術的推廣形成阻力,但隨著節能要求和玻璃技術的提高,以及相關配套產品的產業化,經濟指標會有所提高,此項技術還是很有發展前景的。此項技術的典型建筑是德國漢諾威博覽會20層大樓,該建筑位于市展覽館北入口處。核心是24 m×24 m的辦公區,對角線方向布置垂直交通和輔房,辦公房區域劃分靈活,內部設計根據使用要求劃分成各種規模的辦公單元,各個工作區域都能得到很好的空間質量。具體做法歸納如下：1)外立面的玻璃幕墻對內部空間起了保護作用,有效地阻擋了高層的高速氣流對通風的影響;2)內立面安裝可開啟的大面積推拉窗,內部可獲得潔凈的自然風,過渡季節節約能源;3)結構柱布置在夾層中間,避免影響內部空間的使用和劃分的影響,布置更為自由;4)雙層立面之間的夾層內側安裝自動百葉,調節光輻射對室內的影響,而且可以獲得清新的空氣;5)在樓層底部設風口,塔樓頂部設置出風口和風機,風口處帶電動調節閥,可以根據情況實現自動調節;6)辦公樓制冷和采暖系統埋設在樓板中,保證了溫度平衡,降低了層高,使得整個建筑更為節能。

2 太陽能空氣加熱墻體系統(簡稱SAH)

在國外,太陽能空氣加熱墻體被廣泛應用在需要大量通風空氣的各類建筑中,尤其在高緯度亞熱帶和亞寒帶冬季需要采暖和通風的工業廠房運用獲得很好的經濟效應,由于它在建筑中和外墻一體化設計,又被稱為太陽能墻體。太陽能空氣加熱墻體系統實際上是在朝陽的墻上安裝太陽能集熱板將室外的新鮮空氣加熱后用于建筑通風,在改善室內空氣質量的同時減少建筑供暖負荷。該系統具有原理簡單、收集太陽能效率高、造價低和回收成本時間短的優點,極大地節約能源和供暖費用。

太陽能空氣加熱墻體的組成簡單,包括：太陽能集熱組件、通風系統、空氣處理和控制元件三部分。

1)太陽能集熱組件主要是金屬的太陽能穿孔集熱板、固定支撐骨架和上下防雨雪板,金屬太陽能集熱板是鋁材和鍍鋅板材料上穿孔,選用轉換熱能達到80%的高科技涂層,設計選材要考慮集熱板的防腐以及冬季除雪霜輔助加熱系統;

2)通風系統包括保持一定風速的進風風機和風扇前后用來輸送和分配熱空氣的風管以及通風系統中通常使用的電動風閥;

3)空氣處理和控制單元,冬季和過渡季節確保送風溫度,夏季有涼爽的新風進入室內。

太陽能空氣加熱墻體系統優點很多,它是目前世界上最有效的太陽能墻體系統。系統不需要昂貴的玻璃,消除了暖空氣在天花板上聚積的現象,顏色多樣可供選擇。由于加熱板與墻體之間有空隙,所以不會把熱直接傳導在墻體上,減少了冬季冷空氣和夏季熱輻射的入侵。在陽光充足的冬季白天,可以提高溫升16℃～40℃,夏季遮陽可降低外墻溫度5℃。即使是多云天氣,系統也可以提供大量的熱量來預熱新風。系統利用太陽能能達到75%～80%,且安裝方便,材料設備簡單,經濟性很高,回收期在1年～6年,對環境無影響,適合在各類建筑上使用。

該系統的主要設計參數的確定：

1)集熱板孔洞的密度計算公式：λ=η F/A。其中,λ為孔洞率,一般控制在10%以內;η為不均勻系數,取1.2～1.3;F為設計風機送風量。如λ=4%,集熱板孔為1 mm2,每平方米集熱板上需要400個孔,每延長米22/23孔,孔間距 50 mm;A為集熱板面積。2)集熱板與墻體的安裝間距是根據送風量確定,且不小于250 mm,寬度按以下公式計算：B=F/(3 600×V×L)。其中,F為設計風機送風量;V為風速,取1 m/s～1.5 m/s;L為風機集風范圍寬度。當計算寬度大于600 mm時,可與建筑設計協商采用變截面,可以節約造價和占地面積。

目前世界上最大的太陽墻是位于加拿大的一個飛機制造廠,廠房建筑面積116 000 m2,該地區年平均溫度6.1℃,年平均風速4 m/s,年平均太陽輻射量為1.07 MW?h/m2。該廠房冬季采暖采用天然氣加熱器供暖,加熱器的效率為75%。由于飛機制造廠房有一定潔凈要求,按健康標準和工藝要求計算采用風機總風量為1 000 000 m3/h,全天候運行,該廠房工藝設備發熱量大,送風溫度控制在15℃左右,如送風溫度大于20℃,室內溫度會超過30℃,部分設備會因過熱而保護停機。設計中在朝陽的兩個墻面安裝8 826 m2的SAH灰色集熱板,經實際檢測,每平方米空氣流量為113 m3,空氣溫度可平均升高7.5℃。節省能源費用約每年達167 000加元,該系統單位平方米造價35加元相當于人民幣220元,系統安裝費回收期僅有1.8年。

我國第一個采用此項技術的是2004年山東建筑工程學院和加拿大國際可持續發展中心合作的生態學生公寓,使用了加拿大技術專利的太陽墻技術,顯著提高了北向房間的冬季舒適度,降低了采暖能耗。它是在南立面窗間和檐口墻上使用143 m2的太陽墻,風機根據規范要求選擇5 800 m3/h的風量,為北側36間公寓送風,冬季最高送風溫度可達35℃。按每年8個月計算,每年產生212 GJ的熱量,相當于59 000度電,按0.8元/度計算,每年節約電費47 200元,一年就可收回安裝成本,經濟效益相當可觀。

[1] 李軍干,杜紅珍.談建筑節能[J].山西建筑,2008,34(6)：241-242.