建筑節能設計

徐秀麗,楊春輝

(中國建材國際工程集團有限公司,深圳 518054)

建筑節能設計

徐秀麗,楊春輝

(中國建材國際工程集團有限公司,深圳 518054)

建筑節能設計是一項系統龐雜且涉及廣泛的工程,也是建筑可持續發展的重要發展方向,涉及方方面面問題。該文從建筑群規劃、圍護結構設計、新能源利用等方面著手設計,進一步降低不可再生能源消耗,促進我國建筑可持續發展。

建筑群規劃; 圍護結構節能技術; 建筑節能新技術

建筑節能這個新興的課題,在建筑設計中要求也日益提高。節能建筑不僅可以使室內的環境質量有所提高,還對環境氣候起著一定的積極作用。起初的建筑只是一個遮風避雨的場所,隨著時代的進步、人們生活質量的提高,對建筑的更高要求則是舒適度。而建筑的節能設計,是在滿足建筑物舒適度的同時,要合理的使用建筑材料,盡可能運用節能型材料,進一步降低建筑的冷熱損失。

建筑節能設計實際上就是建筑節能技術的體現。一個國家是否先進,其中一個主要標志是節能技術的發展水平。我國的國策——可持續發展是否能順利實現,其主要取決于新興能源的利用和開發。我國建筑節能起步較晚,從建筑的能耗角度,發達國家高端能耗普遍比我國低很多。以1999年為例,美國各種能源消耗總量占全球的26%,其中建筑耗能已接近我國能源消耗總量。美國人口是我國人口的22%,假若我國人均建筑耗能水平達到美國人均水平,那么全球總耗能的40%是我國建筑能耗總量,這是難以想象的。隨著國民經濟的飛速增長,人們對室內環境舒適度的要求越來越高,建筑節能同樣是以人的舒適和健康為基礎的。因此,建筑節能新技術的開發和利用,可以降低建筑物對不可再生能源的消耗。要達到建筑物的節能需求,應該盡可能降低建筑物室內能源總需求量,同時要大力開發和利用一些可再生新能源,從而達到節能效果。建筑節能從以下幾個方面著手。

1 建筑群的規劃、設計

建筑節能設計,首先從建筑群的規劃入手。建筑師要從建筑群體的各個領域出發,要與能源、環境、設備、結構等各個專業專家緊密配合,摒除對建筑傳統能源的依賴。由此產生了一些新潮的設計理念,如微排建筑、低能耗建筑、零能建筑、綠色建筑等。

在過去的建筑規劃設計方案中,建筑師注重的只是建筑的容積率以及各建筑間的間距是否滿足日照要求,整個建筑群的空間形態以及建筑物與地理環境是否協調,卻很少考慮建筑物是否節能,建筑材料是否使用環保材料。而節能環保意識只是在建筑單體的設計階段才被重視,這就出現了一些單體建筑很難解決的問題。

在節能設計中,首先是合理選址、合理利用自然環境。根據建筑群體周圍的氣候條件,結合建筑物本體所在的氣候環境特點,在設計過程中,要著重考慮利用地勢和周邊地理環境塑造出良好的建筑室內微氣候,這樣可以減少使用建筑材料?，F代眾多行業中,一些住宅投資方要求最大限度的利用土地,爭取更高的投資回報,要求設計師把地塊按照最大的容積率布置整個用地,這種最大容積率布置會使住宅的舒適度降低,通風不好,尤其是在夏季。住宅房間內部聚積的熱量很難散失,只能采取措施降溫,極大的增加建筑物的耗能。當前的許多住宅為了建筑造型犧牲了內部功能,窗戶面積開的過大,增加了冷熱損失,嚴重影響了建筑物的通風和隔熱。這些不良影響都是由于在設計中忽略了通風所致。

設計建筑時,整體建筑的體量和朝向是合理設計應該把握的主要方向。合理的建筑體形不僅可以獲得良好的室內微環境,還可以降低能耗。因此,我國標準規范也規定了建筑的體形系數要求。

2 圍護結構節能技術

建筑從發展伊始,其功能即為保溫和隔熱。隨著現代建筑的發展,此功能也在不斷向前發展,除了更好的完成建筑內外冷熱交換之外,還極大的降低了能耗量。目前圍護結構的節能技術取得了相當大的成果,更具時代意義,也更明晰了圍護結構在建筑體系中的巨大作用。

對于一棟建筑來講,圍護結構與建筑的冷熱損失息息相關,以多層住宅中的6層磚墻、混凝土梁樓板結構為例,如北京地區建筑全部熱損失的76%是圍護結構所產生的,而哈爾濱地區全部熱損失的70%是圍護結構所產生的。因此,圍護結構的處理安置是減少能量損失的關鍵。因此,節能從改變圍護結構的傳熱量開始——減小其傳熱系數。例如,采用熱阻大的材料,或者附帶保溫層的材料作為圍護結構的材料,降低窗墻比等措施減少熱量的傳導。采用中空玻璃,同時采用閉孔的空心材料以減小空氣對流。不同性質的建筑應根據不同的環境條件及經濟條件等外因,綜合考慮后采取不同的措施。

一般情況下,增加圍護結構的費用只是總造價的4%左右,而節能效果卻能增加近30%。這樣既改善了圍護結構的傳熱系數,又降低了建筑的冷熱損失,達到了冬季保溫、夏季隔熱的效果。目前,圍護結構的節能技術主要體現在墻體、門窗、屋頂等幾個方面。

2.1 墻體的節能技術

在建筑的節能設計中,首先要考慮的是建筑墻體節能技術,傳統設計方法通過重置材料只靠增加厚度來達到保溫的目的,已經達不到如今對能耗的要求,因此出現了復合墻體,而復合墻體也逐漸成為我們設計中的主要材料。這種墻體是用塊材或者鋼筋混凝土作為承重結構,同輕質的保溫隔熱材料組合,或者是框架中用薄壁材料加以保溫、隔熱等輕質材料組合成墻體。當前的建筑市場中,保溫隔熱材料主要是巖棉、玻璃棉、擠塑板、保溫砂漿等。這些材料的生產和制作都需要采用特殊的工藝和設備。保溫砂漿是墻體外部使用的保溫材料,這種材料保溫性能不穩定,因此,現在許多地方已經禁止使用此種保溫方法。墻體的外表面使用板材保溫,性能穩定,節能效果良好,我國也在逐步要求外墻保溫采用此種方法。

當前,國內外的外墻保溫技術迅速發展,節能技術也不斷更新。一些新型節能材料應運而生,材料和外墻保溫技術相結合,才能更好的達到節能效果。所以,外墻保溫技術在大力度推廣和應用的同時,相關的技術革新也不容忽視,新型材料的開發也應跟上更新的步伐,才能真正實現建筑節能。

2.2 門窗的節能技術

建筑物的圍護結構中,門窗也是節能設計中不可小覷的一份子。一棟建筑中,一般情況下門窗的面積大約占建筑總面積的30%,而門窗的冷熱損失可以達到整棟建筑的50%,門窗的設計對于建筑節能也起了很大作用。門窗可以采光、通風,起到圍護作用,也可以在建筑外形處理中起到一定的藝術效果?，F代建筑風格特點是增大門窗面積來增大采光和通風的面積,還出現了各種全幕墻的玻璃建筑,這種全幕墻的現代建筑對圍護結構的要求更高了。目前,對門窗的節能處理主要是改善材料的保溫隔熱性能和提高門窗的密閉性能。從門窗的材料來看,近年來出現了絕熱鋁合金型材、鋁木復合或者塑木復合UPVC塑料型材(硬質聚氯乙烯)等一些技術含量較高的節能產品。當前使用的硬質聚氯乙烯材料,生產和使用中無污染、熱阻大、保溫隔熱性能好,此種門窗已經在歐洲國家流傳已久,我國也正在廣泛的使用,并逐步代替鋁合金、型鋼等高能耗型材。現代建筑中出現的全幕墻建筑充分考慮了建筑玻璃的冷熱損失,也是解決能耗的關鍵前提,因此出現了高技術的中空玻璃、鍍膜玻璃等,很好的提高了建筑的節能效果。

2.3 屋頂節能技術

建筑的屋頂也是建筑物保溫、隔熱的重點。寒冷地區、嚴寒地區屋頂設計保溫層可以防止室內的熱損失,夏熱冬暖等地區屋頂設計隔熱層防止夏季太陽熱輻射傳遞到室內,夏熱冬冷地區建筑設計中要兼顧冬季保溫、夏季防熱。

保溫常用的節能屋面為倒置式屋面,聚苯乙烯泡沫設置在屋頂的防水層上面,與傳統的屋面做法中防水層與保溫層的位置相反。此種屋面構造的蓄熱能量較低,建筑內外的熱量交換也較低,這種屋面是一種相對較好的節能形式,如果利用生態技術可以達到節能的效果,更符合可持續發展的國策。于是相繼產生了一些生態環保的屋面形式,如我國南方地區應用較廣泛的通風屋面,利用屋頂花園的種植屋面,利用水的特性的蓄水屋面。

我們南方夏熱冬冷地區及夏熱冬暖地區廣泛應用的通風屋面,其特點是將原來屋面的混凝土屋面結構改變為帶有空氣隔層的結構形式。此屋面的內表面溫差變化比普通的混凝土屋面延遲3～4 h,通風效果良好,散發熱量速度快,室內舒適度提高。

種植屋面是指利用屋頂形成一個綠色微氣候園的種植屋面,不但可以增加屋頂的休憩功能,還可以調節建筑的溫度。種植屋面有種植覆土和種植無土兩種類型,因為植物自身的光合作用、呼吸作用及其自身的蒸騰作用,可以起到很好的熱量吸收作用,甚至對溫度的調節功能比通風屋面更勝一籌。

還有一種節能屋面是蓄水屋面,是通過在屋頂上設置貯水層來達到節能效果的屋面形式,利用水蒸發時需要吸收大量熱的特性,在夏季可以阻隔熱量傳導從而起到隔絕熱量的作用。但是此種屋面的貯水池,在設計中要考慮其會增加屋面荷載,要根據具體情況酌情采用。

3 建筑節能新技術

3.1 外墻的保溫技術

目前的建筑外墻保溫體系中,自保溫的外墻體系和復合保溫的外墻體系并駕齊驅,對社會經濟效益的提升起到了一定作用。從建筑節能角度來看,建筑的節能技術應該是追尋在建筑合理使用壽命中節能功效長期達標,原始材料投入應較低,居住室內環境舒適,建筑正常使用壽命長,本體維修費用應較低,從建設、使用、管理、維修等方面都應具備合理性。當然對不同建筑地點、不同性質的建筑類型、不同建筑高度及不同使用功能的建筑應根據地方特點及建筑的個性要求采用合理的外墻節能體系。

目前,建筑中大量使用的我國自主研發的各種節能型砌塊的導熱系數已經可以低于0.3 W/(m·K),甚至可以達到0.12 W/(m·K)的水平。我國北方50%的節能標準,采用砌塊墻厚300～370 mm;南方65%的節能標準,砌塊墻體厚度240 mm,均可以達到節能要求。自保溫體系應用廣泛,其特點是施工周期短,工程造價及圍護費用較低,使墻體使用壽命可以達到建筑主體結構使用壽命,也給建筑造型設計預留了更廣泛的發展空間。

3.2 節能型玻璃和節能型門窗

當前市場的節能型門窗生產材質已經從單一的型材發展到了復合型材,建筑玻璃也由原來單一的玻璃發展到了傳熱系數較低的中空玻璃及鍍膜玻璃等,大大提高了門窗的節能效果,減少建筑的熱量損失。

3.3 太陽能資源利用

太陽能是一種典型的可持續性能源,近年來被推廣使用,是目前人類可以利用的最理想的可再生能源,最豐富的大自然饋贈,潔凈無污染。因此,全世界都在開發太陽能技術,太陽能光能電能轉換技術的研發,使建筑物應用太陽能技術變成了現實。在歐美一些工業發達的國家對太陽能技術的應用非常重視,推出了各種“太陽屋計劃”。而我國取得的太陽能研發成果也是振奮人心的,由天津市奇信太陽能科技有限公司研發的太陽能集熱器在國內的太陽能領域成為了先驅者;太陽能建筑——北京北苑太陽能示范工程,此棟建筑的全部能源來自于太陽能,如今已運轉良好,成為了我國太陽能技術應用建筑的成功先例。

在建筑中充分利用以太陽能為代表的可持續能源,盡量取代傳統的污染性能源,同時考慮多功能轉換、余熱回收和自然空調等。多功能轉換一是使建筑構件成為多種能量形式的轉換器,如將太陽能轉換為熱能或電能以供利用,二是建筑物實現多種使用功能的轉換利用以節省資源。所謂“自然空調”,一是保護自然的生態環境,發揮綠色植物調溫調濕、防塵、減噪和改善大氣質量的功效;二是利用建筑材料和深層土壤的熱惰性,通過有效的氣流組織,對進入室內的空氣進行調溫調濕,以改善室內物理環境。因此,自然空調是一種既節能又沒有污染的空調方式。

4 結 語

總之,建筑的節能設計是涉及廣泛的系統工程,建筑的節能技術也涉及了諸多領域、諸多部門,需要各個部門的協調發展,才能更好的達到節能的效果。不僅要各個領域的技術支持,更需要政府部門強有力的支持,去過德國的人都會覺得德國城市綠化環境好、空氣質量高,究其原因,德國全社會對能源、對環境有一種近乎敬畏的態度。德國政府、民間機構及社會民眾的節能意識非常強。在推動生態節能建筑方面,德國更是不遺余力。因此,借鑒西方一些發達國家的經驗,中國當前應該抓緊推廣建筑節能技術,創造一個良好的人文環境。

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[4] 沈 雪,楊秋偉,李小琪.建筑節能及太陽能建筑應用研究綜述[J].門窗,2012,6(5):42-45.

Design of Building Energy Conservation Design

XU Xiu-li,YANG Chun-hui
(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Shenzhen 518054,China)

The building energy conservation design is a complicated system engineering,and also is an important research topic of building sustainable development,involving all problems aspects.From complex plan,retaining structures design to new energy using,this paper reduces consumption of non-renewable energy and promotes the sustainable development of our country building.

complex plan; retaining structure energy conservation technology; building energy conservation new technology

2014-06-16.

徐秀麗(1982-),工程師.E-mail:xxl@ctiec.net

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.027