建筑節能實用技術應用的研究

江蘇 王凌杰 岳嶺

引言

建筑能耗包括空調、采暖、生活熱水供應、照明、電器、電梯等方面的能耗，建筑節能的中心就是減少建筑耗能，即在保證建筑熱環境舒適性和工藝性要求的條件下，合理使用能源、提高能源利用效率。在我國建筑業快速發展的同時，建筑能耗的總量也在逐年上升。國家建設部科技司研究表明，伴隨城市化進程的加快和人民生活質量的改善，我國建筑能耗占全國總能耗的比例最終將上升至35%左右，龐大的建筑能耗比重已經成為我國經濟發展的阻礙。我國目前每年建成的房屋97%以上是高能耗建筑，如果不注重降低建筑能耗，將直接加劇能源危機，因此，要實現經濟可持續發展和保護環境必須實現建筑節能。

建筑節能應該主要從優化建筑設計、采用新型建筑圍護結構材料、提高終端用戶用能效率、提高總的能源利用效率等方面著手，鑒于空調系統的能耗在建筑能耗中占有較大的比重，本文擬以空調的觀點論述建筑節能幾個方面的實用技術措施。

1 節能型建筑材料的選擇與應用

在建筑的熱量組成中，外界環境通過建筑圍護結構滲入室內的熱量在總熱量中占比較大，通過改善建筑材料結構的熱工性能，夏季可減少室外熱量傳入室內，冬季可減少室內熱量的流失，使建筑熱環境質量得以改善，從而降低配置空調機組的功率。

建筑圍護結構部件(屋頂、墻、地基、隔熱材料、密封材料、門和窗、遮陽設施)材料的選擇與設計對建筑能耗、環境性能、室內空氣質量與用戶的熱舒適環境有根本的影響。

1.1 選擇節能型墻體材料

節能型墻體材料主要是以砂石、頁巖、工業固體廢渣、建筑余土等非粘土資源為原材料，具有保護土地、節能利廢、保溫、隔熱、輕質高強、經濟適用等特性，用于建筑墻體的材料。節能型墻體材料改善了傳統砌筑材料導熱系數大、吸濕性強等方面的缺點。

墻體材料主要包括磚、板、塊三大類，比較實用的砌塊一般有加氣混凝土砌塊、石膏砌塊、混凝土小型砌塊等。墻板主要產品有GRC板、蒸壓加氣混凝土板、輕集料混凝土條板、鋼絲網架夾芯板、石膏墻板、金屬面夾芯板、復合墻板等。

加氣混凝土砌塊作為一種新型的建筑材料，具有重量輕、保溫隔熱性能優良、強度高等特點。使用這種材料，可以使整個建筑的自重比普通磚混結構建筑的自重降低40%以上，不僅抗震能力高，而且保溫隔熱性能好。加氣混凝土的導熱系數一般為0.128～0.209W/（m·K），僅為粘土磚和灰砂磚的1/4～1/5（粘土磚的導熱系數為0.464～0.673W/（m·K）；灰砂磚的導熱系數為0.612W/（m·K）），為普通混凝土的1/6左右。實踐證明：200mm厚的加氣混凝土墻體的保溫效果相當于490mm厚的粘土磚墻的保溫效果，隔熱性能也大大優于240mm磚墻。

石膏類墻體材料具有可循環使用性，無毒無害、具有良好的耐熱、耐火性，其導熱系數為0.404W/（m·K）左右，也是一種良好的砌筑材料。

國內自主研發新型復合自保溫砌塊，是由主體砌塊、外保溫層、保溫芯料、保護層及連接主體砌塊與保護層并貫通保溫層的“保溫連接柱銷”組成，具有優異的保溫性能和性價比。其導熱系數為0.21W/（m·K），240mm厚時即可滿足節能50%～85%的要求。

泡沫玻璃是采用玻璃纖維下腳料或平板玻璃磨成粉狀與發泡劑（石墨、碳黑）混合后，經烘干在發泡爐內發泡，再緩慢退火而成。其密度約為150～220kg/m3，導熱系數約為0.042W/（m·K）左右，結構內部空隙完全封閉，不易受潮，既能承重又能隔熱防潮，是節能型建筑最理想的材料之一。

1.2 墻體保溫措施

墻體保溫分為外墻面保溫與內墻面保溫，由于外保溫墻體控制裂縫的產生要比內保溫墻體控制裂縫容易得多，因此，國內大多數建筑均采用外墻面保溫。徹底的外墻外保溫可使建筑物完全處于室內的溫度環境下，年溫差一般波動不大，受環境溫度影響較大的只是外保溫層的外表面。

目前施工的建筑中，保溫材料的使用以擠密苯板、聚苯板保溫材料為主。擠密苯板具有密度大，導熱系數小等優點，它的導熱系數為0.029W/（m·K），而抗裂砂漿的導熱系數為0.93W/（m·K），兩種材料的導熱系數相差32倍。聚苯板的導熱系數為0.042W/（m·K），與抗裂砂漿相差22倍。

實際建筑施工中還可以采用硅酸鹽復合絕熱砂漿，這是一種新型墻體保溫材料，保溫隔熱性能好，不僅可以直接涂抹，還解決了板材拼接處罩面層開裂現象。

1.3 采用節能門窗和節能玻璃

目前我國市場上的節能門窗主要有：PVC門窗、鋁塑復合門窗、玻璃鋼門窗等。玻璃鋼門窗的型材具有極高的強度和極低的膨脹系數，且熱工和物理性能優良，具有廣闊的發展前景。

玻璃的性能對門窗節能性影響最大。目前國內外研究并推廣使用的節能玻璃主要有：中空玻璃、真空玻璃和鍍膜玻璃等。真空玻璃在節能方面要優于中空玻璃，從節能性方面比較，真空玻璃比中空玻璃節電16%～18%；熱反射鍍膜玻璃不僅具有節能和裝飾作用，還可起到防眩、單面透視和提高舒適度等效果，可有效降低空調的運營費用；鍍膜低輻射玻璃又稱Low-E玻璃，這種玻璃對380nm～780nm的可見光具有較高的透射率，同時對紅外光（特別是中遠紅外光）具有較高的反射率，既可以保證室內的能見度，又能減少冬季室內熱量的向外發散，還能控制夏季戶外熱量過多地進入室內。Low-E中空玻璃和真空玻璃的熱工性能比較好，可以在條件具備的建筑項目上優先采用。

從實際應用來看，中空玻璃窗保溫性能明顯優于單玻窗，即使是保溫性能好的PVC塑料單玻窗的傳熱系數值也可能高達4.8W/（m2·K），而PVC塑料中空玻璃窗傳熱系數值在2.1～2.7W/（m2·K）之間，鋁合金斷熱中空玻璃窗的K值在2.8～3.5W/（m2·K）之間；PVC塑料Low-E中空玻璃窗傳熱系數的最小值可達1.4W/（m2·K），鋁合金斷熱Low-E中空玻璃窗的K值可降到1.9W/（m2·K）。

2 太陽能制冷技術的應用

在節約能源、保護環境方面，太陽能的利用起著至關重要的作用。目前我國對太陽能的利用主要是采用太陽能熱水器提供生活熱水和采暖。而在建筑節能方面，太陽能制冷技術將是今后主要的節能方向。

目前實現太陽能制冷有兩條途徑：一是太陽能光電轉換，將太陽能轉變成電能驅動制冷機工作，如光電制冷，熱電制冷等；二是光熱轉換，將太陽能轉變成熱能，利用熱能進行制冷，如吸收式制冷、噴射式制冷、吸附式制冷等。以熱制冷主要的應用方向是太陽能吸收式制冷。吸收式制冷以氨或水為制冷劑，是利用溶液濃度的變化來獲取冷量的裝置。稀溶液在被太陽能加熱濃縮成濃溶液的情況下蒸發出制冷劑，制冷劑經冷凝、節流后，在蒸發器內吸收被冷卻介質的熱量而蒸發，濃溶液吸收制冷劑蒸氣再次變成稀溶液，周而復始地完成這一循環過程，即可獲取冷量。

但該系統存在一些問題，如蒸發溫度不能低于0℃，要降低系統的蒸發溫度必須提高驅動熱源的溫度；在太陽能供給不足或不穩定的情況下要使系統運行，需要其它熱源進行加熱，此時系統的效率將會變得非常低。一種新型的太陽能吸收制冷系統，可使這些問題得到改善和解決，其系統結構如下圖所示。

該吸收式制冷系統在太陽能供給不充足時仍可高效地運行。太陽能主要用于對壓縮制冷系統的制冷劑進行過冷，同時壓縮制冷系統的高溫高壓的制冷劑可有效地使吸收制冷系統的稀溶液的溫度得到提升，從而對能量進行回收。這一制冷系統由于有了過冷部分的存在，比起常規壓縮制冷系統來說，也可節約一些能源。在完全沒有太陽能的情況下，系統相當于普通的水冷式壓縮制冷系統，較之常規空冷式制冷系統，仍具有極高的能效比。

太陽能吸收式制冷技術與蓄冷技術結合，可改造成太陽能蓄冷系統，尤其適用于民用住宅。白天在太陽能充足的情況下，制冷系統運行將冷量儲存起來（儲冰或儲存冷水），在夜晚，冷量可以逐步釋放出來調節房間的溫度。這將是今后太陽能制冷技術發展應用的方向之一。

3 采用水源熱泵、土壤源熱泵技術

水源熱泵、土壤源熱泵是近年來應用較快的熱泵新技術，與空氣源熱泵不同，水源熱泵、土壤源熱泵基本不受大氣條件的影響，具有運行工況穩定、效率高等特點。

水源熱泵主要包括地下水源熱泵、地表水水源熱泵與水環熱泵，它利用江、河、湖、海、地下水來作為水源熱泵的冷熱源，這些水源溫度穩定，冬季水溫在10～22℃，高于大氣溫度，夏季水溫18～35℃，低于大氣溫度。水源熱泵的制冷、制熱性能系數可達3.5～4.4，高于空氣源熱泵。

土壤源熱泵則是利用土壤作為冷熱源。在地下的一定深度下，土壤的溫度變化很小，夏季比大氣溫度低，冬季比大氣溫度高，因此土壤源熱泵工況穩定、制冷、制熱性能系數較大。土壤源熱泵一般不將制冷系統的冷凝器（或蒸發器）直接埋入地下，而是通過地下換熱器與大地進行熱量交換，通過水循環實現地下能量與制冷劑的能量交換。土壤源熱泵系統地埋管的形式、分布、循環介質流量、土壤的地質狀況等因素，直接影響埋管換熱器的工作性能，故土壤源熱泵地埋管的設計與施工是該熱泵技術應用的關鍵。土壤源熱泵還可以與太陽能集熱器組合成混合地源熱泵系統，在供熱過程中更加節能。

4 空調系統能量回收利用

在建筑空調系統中，能量的回收利用也是一項重要的節能措施。如制冷機組冷凝熱回收、排風顯熱回收、冷凝水回收利用等，由于這些節能措施投入成本低，且易于實現，故此在建筑節能中應用廣泛。

例如北京國家游泳中心—水立方空調系統對制冷機組冷凝熱進行了回收，該空調系統設置了一臺小型冷凝熱回收型冷水機組將冷凝熱用于生活熱水的預熱和休閑池池水加熱。此外，為比賽大廳、跳水池廳、熱身池廳、戲水池廳、俱樂部池廳等常年要求的高溫高濕區域服務的空調機組采用了低溫熱管式顯熱回收空調機組，回收排放的預熱，用于預熱新風。這些措施的采用都大大得減少了電能的消耗。

對冷凝水回收利用的方法主要是：對水冷機組，空調冷凝水回收后，利用動力泵將其輸送至水冷冷凝器進口處，使溫度較低的冷凝水與冷卻水混合，有效降低冷卻水的溫度，從而提高制冷系數。對于風冷機組，則可利用噴嘴將冷凝水噴灑在翅片盤管式冷凝器的表面，利用冷凝水的蒸發吸收部分冷凝熱。實驗表明，采用以上冷凝水回收利用的措施，可使制冷機組的性能系數提高5%～10%。

5 蒸發冷卻方法的應用

在我國，屋頂綠化工程作為一項重要的節能技術，越來越多地應用于現代建筑。由于濕潤土壤的水分蒸發，可使土壤層的溫度維持在15℃～25℃，可有效減少建筑屋頂室內外溫差傳熱（耗散）熱量。

本文提出的蒸發冷卻方法也可以應用于屋頂。在屋面的保溫隔熱、防水處理完畢后，考慮在屋面上方布置水管網，各支水管下方安裝噴嘴，自來水（或其它硬度符合要求的水）通過噴嘴被分散成細小的水滴，均勻噴灑在屋面上。在炎熱的夏季，通過水的蒸發吸熱可將屋面冷卻，使其表面溫度保持在25℃以下，減少由于太陽輻射傳入建筑物內部的熱量，降低空調系統的負荷。蒸發冷卻方法也可應用于建筑物的外墻面。如果從建筑美觀方面考慮，也可考慮在屋面上進行水循環，將水直接輸送至屋面中間，水在重力作用下流向整個屋面，并在屋面上形成水膜，保證水的蒸發速度。

上海世博會期間，美國館的一面景觀外墻設計成與地面傾斜一定角度，循環水由墻體上部呈水膜狀流下。該墻面的表面溫度與其它墻面的溫度相差近20℃，與室內環境溫度相差僅3～5℃，通過景觀墻滲入室內的熱量極少。美國館室外排隊等候區采用的也是霧化水冷卻空氣技術，保證了參觀者在炎熱的室外不致中暑。可以說，美國館是蒸發冷卻技術應用的典型。

另外，蒸發冷卻技術也可應用于置換通風工程。置換通風是將新鮮空氣直接送入工作區，并在地板上擴散形成一層較薄的空氣湖，室內熱源產生向上的對流氣流，新鮮空氣隨對流氣流向室內上部流動，形成室內空氣運動的主導氣流，房間頂部設置排風口，將污染空氣排出。熱源引起的熱對流氣流，使室內產生垂直的溫度梯度。送風口送入室內的新鮮空氣的溫度通常低于室內工作區的溫度，且其送風速度約為0.25m/s，動量很低，對室內主導氣流不產生實際的影響。夏季，當室外新鮮空氣的溫度較高時，可以使空氣首先通過蒸發冷卻箱，與霧化的水（可以是自來水或深井水）進行熱濕交換，降低溫度后再送入室內。

6 結束語

建筑節能在其它方面還有很多方法可以利用，如增加綠化面積，通過植被的光合作用和蒸騰作用使太陽輻射熱能轉化，降低環境溫度；采用熱電冷聯產技術、空調蓄冷技術，提高系統性能及建筑節能效果；在太陽能制冷方面，還有太陽能吸附式制冷與太陽能噴射制冷，但這些制冷技術正處于實驗階段，全面推廣應用尚需時日。

我國建筑節能起步較晚，建筑能耗要比發達國家高很多，另一方面，也意味著降低建筑能耗的空間也很大。為此，不斷地開發和利用建筑節能技術，提高建筑物的能源利用效率至關重要。

[1]張軍，孟令克.外墻保溫技術在住宅中的應用[J].低溫建筑技術.2004，(4)：84-85．

[2]萬忠民,舒水明,胡興華.華中科技大學學報(自然科學版)[J].新型高效太陽能吸收式制冷循環.2006,9:85-87.

[3]王默晗,姚易先,郝紅宇.制冷與空調[J].淺談太陽能制冷技術的發展及應用.2007,1:100-104.