哈爾濱市圍護結構對建筑能耗影響分析

時云鵬 謝 穎

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

能源危機問題日益加劇，涵蓋全球各個國家。中國正加快城鎮化建設腳步，必須將建筑節能高度重視起來。在我國，耗能量巨大的建筑占了所有已建成的400億m2建筑的90%以上，因此我國實際上面臨著嚴重的能源問題[1]。而哈爾濱市除近年來新建與改造的部分既有建筑外，大部分建筑節能水平低于現行標準要求。目前已知的建筑主要能耗量是由建筑圍護結構承擔，因此，有必要分析住宅圍護結構給建筑能耗帶來的影響。

1 圍護結構的發展現狀

近年來，國內學者研究成果有：張偉強研究了建筑在有遮陽、無遮陽情況下，不同厚度保溫層的圍護結構、不同節能玻璃對建筑能耗影響情況[2]。于昊發現北方寒冷地區需要采暖的住宅圍護結構在冬季采暖期間不方便在線監測耗熱量，于是研發了一款無線監測系統[3]。張麗娟等人利用DEST軟件，模擬了改良后的圍護結構的熱工性能給寒冷地區建筑能耗帶來的影響，最終提出了理想的熱工參數[4]。

2 哈爾濱市地理區域及氣候特征

哈爾濱位于中國的最北部，處于緯度最高(東經125°42′～130°10′、北緯44°04′～46°40′之間)的地理位置，氣溫在全國范圍屬于最低，是嚴寒氣候地區。在寒冷的冬季，1月份的平均室外氣溫低至-19 ℃左右；夏季7月平均氣溫高達23 ℃左右[5]。這里的建筑必須做好冬季保溫、防寒、防凍工作，一般可不考慮夏季高溫氣候給建筑帶來的不良影響。

3 圍護結構的能耗分布

據統計數據顯示，在我國寒冷地區，建筑能耗總量高出全國平均能耗水平的27%左右，占該地區所有能耗總量的30%～40%，建筑能耗以冬季采暖能耗為主，其中73%～77%通過圍護系統損失[6]，分布在墻體、屋面、門窗等各個部位，其中，墻體傳熱熱損失約占60%～70%；門窗約20%～30%;屋面約10%[7],如圖1所示。因此，提高這些部位的保溫性能和傳熱阻力，可有效減少圍護結構造成的熱量損耗量，實現建筑節能。

4 圍護結構節能技術措施

4.1 外墻節能技術措施

外墻耗能量在建筑總耗能量中占了很大比重，減少外墻能耗量是實現建筑節能的首要任務。

按保溫材料組成成分不同，外墻保溫系統一般被分為自保溫系統和復合墻體保溫系統。自保溫系統是通過單一的熱導率不高的建筑材料形成的，不需要做外保溫層，通過建筑材料本身的特性就能實現節能。復合墻體保溫系統按保溫層設置的位置不同分為外墻內保溫系統、外墻夾心保溫系統和外墻外保溫系統，如表1所示。

表1 不同外墻保溫系統的構造及其優缺點

類型構造優點缺點墻體自保溫墻體材料為保溫隔熱性能的建筑砌塊,配套輕質砌筑砂漿防火性能好,附著力強,抗沖擊性佳,安全可靠,構造簡單,施工容易,成本低,建筑質量通病少,經濟性好存在“熱橋”,且不易處理,整體保溫效果不佳外墻內保溫保溫材料安放在外墻內側對材料防水性、耐候性要求不高,保溫層壽命長,安全性好,對材料要求不高,施工方便,成本低室內空間的占用導致不利于二次裝修,懸掛重物困難,建筑物外墻容易出現凝結水析出現象外墻夾心保溫保溫材料安放在外墻中間絕熱性能較好,對材料要求低,成本較低避免“熱橋”困難,較厚的墻體減少了建筑有效使用面積外墻外保溫保溫材料粘貼在墻體外側保證節能效果同時使主體結構不受外界侵蝕,避免“熱橋”,且對室內使用面積影響很小,適用范圍廣保溫層材料耐久性較低,很容易脫落,有安全隱患,對材料要求高,成本高

常用外墻保溫材料有：EPS板薄抹灰、酚醛板、擠塑聚苯板、巖棉板、玻璃棉板、聚氨酯發泡材料等，如表2所示。

4.2 外窗節能技術措施

外窗屬于建筑外圍護結構中的薄弱環節，由于窗戶氣密性不好導致的滲透通風使窗戶的保溫性能達不到節能要求。在建筑能耗中外窗能耗所占比重最大，因此，需要研究外窗性能對建筑荷載產生的影響。

判斷外窗保溫性能如何可以從傳熱系數和遮陽系數兩個指標著手。通常我們可以不考慮外窗玻璃在寒冷地區冬季的遮陽效果。為了達到降低窗戶的傳熱系數目的，常常采用不同形式窗戶，其中屬單層玻璃、中空玻璃、雙層玻璃和鍍膜玻璃最為常用。但是單層玻璃很難達到節能要求。

1)熱反射鍍膜玻璃。

肉眼可見光可以較好地透過熱反射鍍膜玻璃，而不可見的紅外線則被其反射回去，保證了玻璃良好的隔熱性能，同時兼具良好的節能和裝飾效果，廣泛應用于受太陽輻射熱作用和需要安裝空調的建筑中。因為它只能降低遮陽系數，不能降低傳熱系數，所以它并不適用于冬天。因為本身的反射作用阻礙陽光射入，導致室內陰冷，住宅達不到取暖效果。另外該玻璃在夏天夜晚不能達到隔熱效果，導致室內悶熱，熱量出不去。

表2 不同外墻保溫材料分析對比表

2)低輻射鍍膜玻璃(Low-E)。

低輻射鍍膜玻璃(Low-E)將波長4.5 μm～25 μm之間的紅外線反射回外界環境。由Low-E玻璃形成的產品，能將肉眼可見光直接反射回去，可見光不能穿過玻璃，保證了室內明亮，防止了室內熱負荷過高造成的影響。

在悶熱的夏天，遮陽型Low-E玻璃除了能滿足熱反射鍍膜玻璃所起到的功能外，通過自己本身具有的散熱性能，使節能效果達到最佳。在寒冷的冬天，高頭型Low-E玻璃對太陽光的阻礙作用減弱，可以吸收太陽光，起到室內取暖的作用。同時進入建筑物的太陽能輻射接觸到物體后會形成遠紅外線，并通過玻璃反射回室內，使室內溫度升高，減少了冬季供暖壓力。

3)中空玻璃。

中空玻璃作為一種目前廣泛使用的建筑材料，自身擁有獨特的隔熱、防噪聲、美化建筑、減輕建筑物自重等性能。中空玻璃各種性能都較普通雙層玻璃性能優越，與單層玻璃比較，它可明顯使窗戶傳熱系數降低，熱能損失量通過溫差傳熱也比使用單層玻璃時減少了一半。冬季室內暖氣產生的阻擋效果得以改善，夏季太陽光熱輻射透射效果得到降低。如今中空玻璃多采用上述兩種玻璃相結合的組合形式，一般用“5+9A+5”表示，這種組合節能效果較好。

4.3 屋面節能技術措施

屋面直接受太陽輻射的影響,是建筑主要遮風擋雨的結構，屋面節能在整個建筑節能中起著重要作用。其中，屬蓄水屋面、綠化屋面和通風屋面在目前最具有發展前景。

1)蓄水屋面。

當太陽光照射到蓄水屋面時，它的短波部分穿過水層到達屋面而被屋面所吸收，而長波部分會被水直接吸收掉。另外,水蒸發吸熱會導致屋頂溫度下降。水吸收的熱量會在外界環境溫度下降后，會以長波輻射形式重新回到太空實現冷卻，而屋面吸收的熱量會進入室內，形成“熱延遲現象”。這不利于夏季夜間降溫。但可縮小晝夜溫差，在冬季，有利于夜間提高室內溫度。

2)綠化屋面。

綠化屋頂是指在屋頂防水層上種植大量的植被，達到美化城市，減少沙塵污染，隔熱降溫的目的。

3)通風屋面。

在屋頂中間設置間層，通過間層空氣循環流動帶走熱量，實現隔熱降溫。通風屋面外層可以阻止陽光直接照射到圍護結構，同時利用產生的風壓和熱壓作用帶走間層內存在的大量熱量，減少室外熱效應對內表面造成的不良影響。

5 結語

現階段進行圍護結構對建筑能耗的影響研究仍然處于初級階段，我們應該將各種各樣先進的技術和節能材料用于圍護結構節能設計當中，抓緊落實好這些節能技術措施，不斷通過實踐總結經驗，并結合嚴寒地區的氣候特征，有效合理利用資源。