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試論建筑節能設計

來源:中國智能建筑行業協會    最后更新時間:2018-07-17    內容閱讀次數:

窗。屋頂)以及采暖空調等各種節能問題。

  1建筑能耗狀況及節能意義自1973年世界能源危機以來,各國都十分重視節約能源的問題,興起了世界性的節能運動,并把節能稱為五大能源之一,與煤炭、石油、天然氣、水電四大常規能源相提并論。我國能源利用率不高,建筑能耗占全國總能耗的30%,建筑節能的潛力很大。所謂建筑能耗,是指建筑在使用過程中的能量消耗,主要包括采暖、通風、空調、照明、炊事、家電和熱水供應等能耗,其中以來暖和空調能耗為主。作為耗能大戶的建筑,節約能源將是今后發展的必然趨勢。建筑節能的技術途徑,主要依靠減少圍護結構的散熱以及提高供熱、制冷系統的熱效率兩個方面。前者要求加強門窗、外墻、屋頂和地面的保溫隔熱;后者則要求系統設備合理配套運行控制調節靈活,并有能量計量裝置。

  我國節能工作起步較晚,與發達國家相比。能源浪費又十分嚴重。如我國建筑采暖耗熱量:外墻大體上為氣候條件接近的發達國家的4~5倍,屋頂為2.5~5. 5倍,外窗為1.5~2.2倍;門窗透氣性為3~6倍,總耗能是3 ~4倍。造成這種狀況的主要原因是,過去由于節能意識淡薄,致使房屋設計不合理,只強調工程初始投資,而很少考慮建成后的日常運行能耗和費用;采用傳統建筑材料建造房屋時,建筑設計保溫標準偏低,加上設備效率不高,運行管理不善等等,導致了能量嚴重流失和浪費。如果聽任高耗能建筑大行其道,建筑能耗增長的速度將遠遠超過我國能源生產可能增長的速度,國家的能源生產勢必難以長期支撐這種浪費型需求,從而不得不組織大規模的舊房節能改造,將耗費更多的人力物力。了解我國建筑能耗現狀與發達國家的差距,就會覺得建筑節能工作任重而道遠。把建筑節能作為我國可持續發展戰略的一部分,在保證和提高建筑舒適性的前提下,有效地利用能源,盡量降低建筑物使用過程中的能耗。

  2優化建筑規劃設計在建筑規劃階段,要慎重考慮建筑物的朝向、間距、體型、體量、綠化配置等因素對節能的影響,改善室內熱環境。在建筑的平面布局方面,朝向選擇很重要,冬季應有適量的陽光射入室內,避免冷風吹襲;夏季則盡量減少太陽直射室內及外墻面,應有良好的通風。

  可見,從節能和熱環境考慮,建筑物以南北向或接近南北向為好,避免東西向,若不能都為南北向,主要房間宜設在冬季背風和朝陽的部位,減少圍護結構的散熱量。同時,注意建筑間距與節能的關系,使建筑南墻的太陽輻射面積在整個采暖季節中不因其它建筑的遮擋而減少。

  在建筑設計中,原則上應減少建筑物外表面積,適當控制建筑體型系數(即建筑物外表面積與其所包圍的體積之比)減少建筑面寬,加大進深或增加組合體建筑外形宜選用長條型,而體型復雜、凹凸面過多的塔式住宅對節能不利。應重視造型規整,如住宅應盡量采用多單元的“一”字型,特別是采暖住宅建設應增加層數,避免建造單元少特別是點式平面的低層住宅。

  現行住宅多為北入口、北樓梯,目的在于減少北側房間。但是,對于多數北方城市來說,冬季主要風向是北風,給入口造成的冷風侵入量太大,加大了住宅的采暖能耗。因此,寒冷地區多層住宅不應采用開敞式樓梯間,入口處設置門斗或采取其它避風措施,減少散熱。

  另外,要重視屋檐、挑檐、遮陽板、窗簾、百頁窗等的構造措施,對于調節日照節省能源是十分有效的,尤其是玻璃幕墻建筑,必須考慮良好的遮陽遮光條件。

  利用建筑周圍自然條件,可以改善區域環境微氣候,如適當地安排樹木花草,既起美化作用,也是建筑節能的一項技術措施。所種植的樹木應選擇長得較高,枝葉伸展較寬,夏日茂盛,冬天落葉的喬木,以便夏季利用樹木、爬藤遮擋陽光直曬,利用蒸騰作用降低環境溫度,節約空調能耗,到了冬季樹木落葉后又可讓陽光照進室內。國外有的建筑在南面設游泳池,夏季可使周圍空氣濕潤涼爽,到了冬季,水面將陽光反射至建筑物,可獲得更多太陽熱能。

  3提高圍護結構節能的科技含量建筑物的能耗是由其圍護結構的熱傳導和冷風滲透兩方面造成的。試驗表明,住宅圍護結構的耗熱量,要占建筑采暖熱耗的1/3以上,顯然,如果建筑圍護結構具有良好的保溫隔熱性能,便可減少冬季室內傳出室外的熱量和夏季室外傳入室內的熱量,從而減少因保持室內舒適熱環境所需要提供的采暖和制冷能量。

  為降低能耗,均從單項如墻、頂、門、窗等圍護結構著手,重視其熱工特性,設計中應該找出其經濟熱阻,同時還必須考慮其圍護結構的“吸熱性”和“熱容性”指標。

  3.1墻體節能墻體是建筑圍護結構的主體其功能主要是承重、防水、防潮、隔熱、保溫。節能建筑設計的關鍵,就在于承重結構設計的合理性,承重結構布局對于節能工程造價的高低影響極大。我國長期以實心粘土磚為主要墻體材料,用增加砌筑厚度來滿足保溫要求,這對能源和土地資源是一種嚴重浪費,一般單一墻體材料往往難以同時滿足保溫、隔熱要求,因而在節能的前提下,應進一步推廣空心磚墻或復合墻體技術,復合墻體越來越成為當代節能墻的主流。其一般做法是,用磚或鋼筋混凝土作承重墻,并與絕熱材料復合,絕熱材料主要有巖棉、礦棉、玻璃棉、聚苯乙稀、膨脹珍珠巖、加氣混凝土等。復合墻的做法有三種:①內保溫,將絕熱材料復合在外墻內,施工簡易,目前應用較廣泛;②外保溫,將絕熱材料復合在承重墻外側,這樣熱穩定性好,可避免冷橋,居住較舒適,但外保溫要經得起日曬雨淋和冰凍的侵襲;③中間保溫,將絕熱材料設在外墻中間,可取得良好的保溫性,但要填充密實,避免內部空氣對流,并要做好內外墻體間的拉結。

  當然,某些單一材料墻體同樣可以達到減少能耗的作用。比如,加氣混凝土外墻與傳統粘土磚墻相比,其計算導熱系數約為粘土磚砌體的29%,是一種保溫性能好、節能顯著的墻體材料。又比如,空心磚和空心砌塊外墻,既節省粘土用量,減輕自重,且有高于實心粘土磚熱阻值的優勢,特別是利用工業廢料的制品更是具有利廢、環保意義。

  在具體設計中,如果不論墻的朝向如何,各面墻均采用相同的傳熱系數,則需在每面墻上都增加相同厚度保溫層,這樣雖然也可節省能耗,但從經濟角度來看,由于各朝向所吸收到的太陽輻射量差別很大,特別是南向墻冬季得熱較多,西向墻增加保溫所得的效益不如北向墻保溫效益發揮得充分,而東西向墻的保溫效益則在南北向墻之間,因此不如將增加的保溫材料集中設置于北墻或東西墻,這樣可以減少保溫費用,在構造上也容易做得比較簡單。外墻保溫宜采用各朝向不均勻分布的原則,且用淺色飾面,這樣才能選出最佳方案,獲得最好的節能效果。

  3.2窗戶節能窗戶在建筑中的主要作用是采光、通風,同時也起圍護作用,即保溫、隔熱、隔聲、防火及室內外聯系等。

  窗戶也是薄壁的輕質構體是耗熱的薄弱環節。普通單層玻璃窗的能量損失約占建筑物冬季保溫或夏季降溫能耗的50%以上,改善其絕熱性能是節能的重點部位之一。應區別不同朝向控制窗墻比,盡量避免東西向開大窗,提高窗戶的遮陽性能(可用固定式或活動式遮陽)同時,要根據空調設備價格和制冷采暖費用的比較去確定合適的玻璃品種,從各種玻璃的太陽能阻隔特性和導熱性兩個方面去比較其節能效果,選擇吸熱玻璃、熱反射玻璃、低輻射玻璃和中空玻璃等等,并提高其氣密水平。此外,窗上加貼透明聚脂膜,也頗有效。近年來涌現的節能門窗(如聚氯乙烯塑鋼門窗、單框雙玻彩板鋼窗和鋁合金窗)的保溫性和氣密性都較好。但是,加強窗戶的氣密性以減少空氣滲透耗熱量,應保證室內空氣質量達到基本的衛生要求。

  3.3屋頂節能在不斷地改進建筑外墻、外窗的保溫性能后,還必須進一步加強屋面保溫隔熱的研究。屋面節能措施要點,其一是屋面保溫層不宜選用密度較大、導熱系數較高的保溫材料,以免屋面重量、厚度過大;其二是屋面保溫層不宜選用吸水率較大的保溫材料,以防屋面濕作業時因保溫層大量吸水而降低保溫效果,如選用吸水率較高的保溫材料,屋面上應設置排氣孔以排除保溫層內不易排出的水分?,F在,一些建筑的屋面保溫,采用巖棉板保溫層代替常規的浙青珍珠巖或水泥珍珠巖做法,就克服了常規做法的諸多缺點。

  高效保溫材料已經開始應用于屋面,以膨脹型泡(1)加強建筑節能意義的宣傳和國家及省市有關1994-2015沫聚苯板作保溫層、上鋪防水層的正鋪法為多,有的單位研究采用倒鋪法,即聚苯板設在防水層以上,使防水層不直接受日光曝曬,以延緩老化,但聚苯板應采用擠出法生產的閉孔型,不與屋面粘結,上用壓塊(卵石或混凝土薄板)固定。南方住宅用架空板隔熱也十分普遍。近年來坡頂屋面發展較快,這種屋面便于設置保溫層,可順坡頂內鋪釘玻璃棉氈或巖棉氈,也可在天棚上鋪設絕熱材料,還可噴、吹或直接鋪設玻璃棉、巖棉、膨脹珍珠巖等松散材料作為屋面保溫層。

  我國南方夏季日照時間長,而且太陽輻射強度大,通常水平屋面外表面的空氣綜合溫度達到60~80°Q頂層室內溫度比其下層室內溫度要高出2~4C.因此,提高屋頂的保溫隔熱性能,對提高抵抗夏季室夕卜熱作用的能力尤其重要。為防止大量輻射熱侵入室內,應在屋頂設高效隔熱層,這是減少空調耗能的一個重要構造措施。其實,屋面的利用是城市空間利用的一個重要方面,通常民用建筑約占城市土地面積的1/4充分利用屋面對開發城市、改善生態環境、完善城市化建設具有重大意義,蓄水屋面和屋頂花園就是其中多功能綜合利用屋面的形式。

  4對采暖系統及空調系統的節能要求采暖、空調的節能工作必須與建筑圍護結構的節能同步進行。居住建筑的共同特點是供人們居住使用,而且一般都是晝夜連續使用,對室溫和空氣質量有較高的要求,建筑節能的重點都是放在節約采暖和降溫能耗上。要從合理規劃和選擇采暖設備開始,改善采暖供熱系統的設計和運行管理,以提高鍋爐的運行效率;加強管道的保溫,以提高室外管道的輸送效率。

  總之,為提高采暖系統熱效率,應積極發展集中供熱,以最大限度地節省燃料消耗。對短期內不能聯網集中供熱的小區,應先著手建小區集中鍋爐房供暖,并留出接網余地。節能目標應符合國家民用建筑節能設計標準(采暖居住建筑部分)提出的具體要求,將采暖能耗控制在規定水平上。

  從盡可能節省制冷設備用能的角度考慮,最好的方法莫過于不使用制冷或通風設備即可降低室內溫度,如抑制在室內產生熱、促進室內的熱吸收、減少熱量進入室內、引導熱量向室外散失。即使采取設備措施,也要采用高效節能(耗電量少,制冷量大)的空調設備或系統,以及合理的運行方式等,以便提高空調設備的運行效率。

  5其它建議文件、標準的貫徹執行。節能不僅需要有力的政策、法規和健全的管理制度,更要在思想上提高認識引起重視。意識到能源問題的嚴峻性,把建筑節能作為國家的大政方針來抓,以建筑節能立法和節能技術的研究推廣予以保證,鼓勵節能,限制耗能,堵塞漏洞,反對浪費。這樣,大家有法可依,在經濟政策上予以引導,把節能放在優先地位、保證經濟的可持續發展。

  建筑節能設計必須依靠各專業的通力合作。

  建筑節能作為一個系統工程涉及到方方面面的問題。

  比如,建筑節能是一個綜合性的問題,它涉及自然環境、小區規劃、建筑設計以及居民生活方式等多種因素。作為建筑設計的技術人員,必須改變高能耗的建筑設計現狀,除了在實際設計中仍以使用功能與形式為主體外,要求增加一個重要內容一建筑節能。若使建筑技術各學科(規劃、設計、物理、結構、材料、水、暖、電等)通力協作,則潛能更大。所以需要多方面各種專業的互相支持配合和共同努力,創作出既符合建筑學原理,又符合節能原則的優秀建筑。

  采用高效經濟的節能型建材和先進的構造技術。建筑業承擔著節約建材生產能耗和房屋日常使用能耗的義務和責任。一些輕質墻體材料、屋面材料、門窗材料、保溫隔熱材料、密封材料等各種節能型建材,能夠大量節約建材生產能耗和房屋使用能耗。另外,只要選擇好適應當地條件的經濟合理的技術增加4%~ 7%的建筑造價,可以達到節能30%的效果;增加915%的建筑造價,達到節能50%的目標是完全可行的。

  借鑒國外建筑節能方面的成功經驗。

  建筑節能是當今世界最突出的科研課題之一,已成為世界性的大潮流,正引導著多方面的建筑技術、產品和組織發生重大變化。歐美各國認為,在實行建筑節能的各項措施中,隔熱保溫是最主要的節能措施,因而在設計中非常注意圍護結構的隔熱保溫,幾乎所有新建建筑都采用隔熱材料,大力研究和生產各種性能良好的保溫材料。一些大型辦公樓、展覽中心、會議中心、百貨商場等建筑物的空調系統,常采用節約能量的變風量系統、雙風道系統、變水流量系統等,它們可以根據冷熱負荷的變化而改變送風量,或調節雙風道的冷熱風混合比,或增減冷熱水流量來保持穩定而舒適的溫濕度條件,根據負荷變化而增減能量的供應,以節省能量消耗和減少浪費。在暖通空調設備方面,空氣熱源式熱泵、水熱源式熱泵、熱回收式熱泵、與鍋爐相結合的熱泵等。因此,應該借鑒發達國家建筑節能的經驗,包括建立節能政策、制定建筑節能立法,特別是采取的建筑節能措施方面(如自動控制技術在節能中的應用)大力推進建筑節能的技術進步。

  盡可能利用環境能源減少礦物能源的消耗量。

  建筑節能主要包括兩個方面:一是節約:即從提高供暖(空調)系統效率和減少建筑本身所散失的能源;二是開發,即開發利用新能源,從環境中獲得廉價的自然能源(熱能或冷能)。比如使用太陽能采集器,用于夏季制冷、冬季為室內提供補償熱量,提供熱水等。又比如,綠色建筑以建筑布局結構本身形成一個良好的能量循環系統,內部設高大中庭,其它空間圍繞布置,或設共享的室內外過渡空間。福斯特設計的世紀塔辦公樓和法蘭克福商業銀行就是很好的生態建筑范例。我們要借助系統論觀點從規劃、設計、構造、園林綠化等方面充分合理地利用當地氣候資源,尋求人、建筑、環境與經濟、節能之間的最佳結合,以提高建筑的整體效益。

  6結束語我國正面臨建筑產業現代化,同時要走可持續發展道路,推廣適合我國國情帶有先進性的節能建筑,是必須邁出的一步。我國的建筑節能有著巨大的潛力,前景是光明的。只要我們認真扎實地在以上各個環節中做好工作,就可以有效地降低建筑耗能量,利用“后發”優勢,迎頭趕上,為中國建筑業、能源業作出貢獻。

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