論我國建筑節能發展及建筑設計理念

崔海軍

摘 要:我國正積極倡導節約能源、可持續發展。節能型建筑已被建設部納入今后城市建設的重點發展方向,建筑節能設計已成為今后建筑設計的重要組成部分。但從建筑節能設計的實際情況分析,仍存在一些容易被忽視的問題有待進一步深化認識。本文分析了我國建筑節能的發展方向,并提出建筑設計、細部構造設計等節能設計策略,以充分利用自然能,降低不可再生能源消耗,促進我國建筑可持續發展。

關鍵詞:新能源 建筑節能 規劃節能

中圖分類號:F280 文獻標識碼:A

文章編號:1004-4914(2009)07-052-02

隨著科學技術的日新月異,能源短缺已不容忽視,節約能源已受到世界性的普遍關注,在我國亦不例外。目前,全世界有近30%的能源消耗在建筑物上,長此以往,將嚴重影響世界經濟的可持續發展。建筑節能是指在建筑物的規劃、設計、新建、改建和使用過程中,執行建筑節能標準,采用新型建筑材料和建筑節能新技術、新工藝等,提高建筑圍護結構的保溫隔熱性能和建筑物用能系統效率,在保證建筑物室內熱環境質量的前提下,減少供熱采暖、照明、熱水供應的能耗,并與可再生能源利用、保護生態平衡和改善人居環境緊密結合。

一、建筑節能發展現狀及其發展緩慢的原因

1.我國建筑節能發展現狀。我國建筑不僅耗能高,而且能源利用效率很低,單位建筑能耗比同等氣候條件下其他國家高出2~3倍。僅以建筑供暖為例,北京市在執行建筑節能設計標準前,一個采暖期的平均能耗為30.1瓦/平方米,執行節能標準后,一個采暖期的平均能耗為20.6瓦/平方米,而相同氣候條件的瑞典、丹麥、芬蘭等國家一個采暖期的平均能耗僅為11瓦/平方米。在400多億平方米的既有建筑中,城市建筑總面積約為138億平方米左右,普遍存在著圍護結構保溫隔熱性和氣密性差、供熱空調系統效率低下等問題,節能潛力巨大。

以占我國城市建筑總面積約60%的住宅建筑為例,采暖地區城鎮住宅面積約有40億平方米,2009年的采暖季平均能耗約為25公斤標煤/平方米,如果在現有基礎上實現50%的節能,則每年大約可節省0.5億噸標煤。空調是住宅能耗的另一個重要方面,我國住宅空調總量年增加約1100萬臺,空調電耗在建筑能耗中所占的比例迅速上升。

2.建筑節能發展緩慢的原因。多年來,我國開展了相當規模的建筑節能工作,主要采取先易后難、先城市后農村、先新建后改建、先住宅后公建、從北向南逐步推進的策略。但是到目前為止,建筑節能仍然停留在試點、示范的層面上,尚未擴大到整體,究其原因主要有以下幾個方面:建筑節能開發建設成本高;開發商追求的是以最小的投資換取最大的空間利益;建筑設計從圍護的結構、設計的角度、施工的角度、計算達到的系數等要比一般普通建筑復雜;政府考慮的是GDP在全國所占的位置,對建筑節能工作的重要性和緊迫性認識不足;建筑節能的建筑材料、工藝技術還沒有形成體系;國家對建筑節能的規范還沒有列入強制執行的范疇;國家及地方缺乏對建筑節能的實質性經濟鼓勵政策,建筑節能缺乏必要的資金支持。

二、我國建筑節能發展的基本途徑

1.墻體節能。墻體是建筑外圍護結構的主體,其所用材料的保溫性能直接影響建筑的耗熱量。我國以實心粘土磚為墻體材料,保溫性能不能滿足設計標準。因而在節能的前提下,應進一步推廣空心磚墻及其復合墻體技術。

2.門窗節能。外門窗是住宅能耗散失的最薄弱部位,其能耗占住宅總能耗的比例較大,其中傳熱損失為1/3,冷風滲透為1/3,所以在保證日照、采光、通風、觀景要求的條件下,盡量減小住宅外門窗洞口的面積,提高外門窗的氣密性,減少冷風滲透,提高外門窗本身的保溫性能,減少外門窗本身的傳熱量。其節能措施有:

(1)控制住宅窗墻比。住宅窗墻比是指住宅窗戶洞口面積與住宅立面單元面積的比值,JGJ26-1995《民用建筑節能設計標準(采暖居住部分)》對不同朝向的住宅窗墻比做了嚴格的規定,指出“北向、東向和西向、南向的窗墻比分別不應超過20%、30%、35%”。

(2)提高住宅外窗的氣密性,減少冷空氣滲透。使用新型的、密封性能良好的門窗材料。而門窗框與墻間的縫隙可用彈性松軟型材料(如毛氈)、彈性密閉型材料(如聚乙烯泡沫材料)、密封膏以及邊框設灰口等密封;框與扇的密封可用橡膠、橡塑或泡沫密封條以及高低縫、回風槽等;扇與扇之間的密封可用密封條、高低縫及縫外壓條等;扇與玻璃之間的密封可用各種彈性壓條等。

(3)改善住宅門窗的保溫性能。戶門與陽臺門應結合防火、防盜要求,在門的空腹內填充聚苯乙烯板或巖棉板,以增加其絕熱性能;窗戶最好采用鋼塑復合窗和塑料窗,這樣可避免金屬窗產生的冷橋,可設置雙玻璃或三玻璃,并積極采用中空玻璃、鍍膜玻璃,有條件的住宅可采用低輻射玻璃;縮短窗扇的縫隙長度,采用大窗扇,減少小窗扇,擴大單塊玻璃的面積,減少窗芯,合理地減少可開啟的窗扇面積,適當增加固定玻璃及固定窗扇的面積。

(4)設置“溫度阻尼區”。所謂溫度阻尼區就是在室內與室外之間設有一中間層次,這一中間層次象熱閘一樣可阻止室外冷風的直接滲透,減少外墻、外窗的熱耗損。在住宅中,將北陽臺的外門、窗全部用密封陽臺封閉起來,外門設防風門斗,防止冷風倒灌,樓梯間設計成封閉式的,對屋頂上人孔進行封閉處理等措施均能收到良好的節能效果。

3.屋面節能。在不斷改進建筑外墻、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。屋面節能措施的要點,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。現在,高效保溫材料已經開始應用于屋面,一些建筑的屋面保溫,采用膨脹珍珠巖保溫芯板保溫層代替常規的瀝青珍珠巖或水泥珍珠巖做法,就克服了常規作法的諸多缺點。

4.利用太陽能。地球攔截的太陽輻射能相當于目前全球電力消費量的1500倍。而在現有技術、經濟條件下可供開發利用的太陽能,只占理論資源量的很小一部分。據美國能源部評估,1990年美國太陽能經濟可開發資源量約為22Mtce/年,僅為技術可開發量的0.6%。所以,太陽能的開發利用有巨大的潛力。如果將太陽能源充分加以利用,不僅有可能節省大量常規能源,而且有可能在某些區域完全利用太陽能采暖。

三、關于建筑設計節能策略的幾點思考

1.規劃與節能設計。在以往的規劃設計中,設計人考慮的往往是容積率、日照間距、空間形態、以及建筑與周邊環境協調等問題,而很少從節能的角度來指導設計,節能設計只有在單體方案設計階段才有所重視,從而產生了許多單體設計難以解決的問題。所以,提倡建筑節能首先應該重視規劃節能。規劃節能是指在規劃設計當中充分考慮建筑與外部環境的關系,以節能作為指導規劃設計的主要原則,充分利用自然資源,實現從總體上為建筑節能創造先決條件的設計方法。其中,規劃節能對于居住建筑尤為重要。

2.建筑單體的通風與節能設計。建筑市場中,住宅開發商為了達到土地最大利用率的目的,往往要求建筑師按容積率的最高值進行設計,甚至超值設計,這樣導致許多新建住宅多為一梯六戶、一梯八戶,甚至一梯十戶以上都有。這種住宅單體平面在實際使用中通風將十分不利,特別是在夏季,室內積聚的熱量難以散失,必須采用人工通風或空調降溫,大大增加了建筑使用的能耗。而且目前的許多住宅設計,建筑立面窗戶的設計主要是從立面造型方面考慮——采光面積大,可開啟窗戶面積小,這樣的設計不但對隔熱不好,對通風就更加不利。這都是因為忽視建筑單體的通風設計所造成的。

3.建筑外遮陽的運用與節能設計。隨著節能技術的推廣,業界對建筑外遮陽也越來越重視。建筑外遮陽能有效地阻隔部分太陽光直接照射到建筑物的外圍結構,特別是防止太陽輻射穿過窗戶直接進入室內,從而有效降低室內溫度,達到節能的最終目標。在實際設計中,設計師經常會為了達到造型效果而刻意增加立面上的裝飾構板,這些構件由于并非從遮陽方面考慮,所以形式作用大于實際功能。這并不符合設計的經濟原則和節能原則。所以筆者認為,建筑立面設計應與建筑外遮陽設計相結合,并注意三方面的問題:一是要明確各種外遮陽的適用性。建筑外遮陽的設置與太陽的位置、建筑物的朝向都有著密切的關系。在窗戶遮陽方面,實踐證明:水平遮陽能遮擋高度角較大、從上方入射的太陽光,適用于南向的窗戶;垂直遮陽能遮擋高度角較小、從側面斜入射的太陽光,適用于東北向、西北向和正北向的窗戶;綜合遮陽(或稱柵格遮陽)則綜合了水平與垂直遮陽的優點,適用于東南向、西南向和正南向的窗戶。而對于建筑墻體和屋面的遮陽,目前較為有效的方法是通過柵格遮陽和綠化遮陽。二是要從構件的設計上合理處理好遮陽與隔熱的問題。傳統的實體構件——水平、垂直和綜合遮陽與墻體相連,其吸收的熱量會直接傳遞給外墻,而且容易構成半開放式空間,遮陽構件受太陽輻射后溫度上升,其一部分熱量通過表面傳熱由空氣帶走并向上傳遞,但由于其它遮陽構件的阻擋,反而容易產生積聚現象,在風的作用下通過窗戶導入建筑室內,從而不利于隔熱。解決的方法是——在水平遮陽構件的選擇上采用通透性的構件,目前較為先進的雙層玻璃幕墻系統中,為了利于熱空氣的上升,其兩層玻璃幕墻間的空氣夾層往往是一個可連續的整體,即垂直方向上的間隔均為通透的金屬構件,確保熱空氣能上升并帶走熱量。三是要合理設置遮陽板,避免影響室內空氣的流動速度。因為遮陽板的存在會對建筑物周圍的風壓產生影響,當其角度與風向不一致時,風速將會大大降低。而且,遮陽的設置方式也會對氣流產生不同的影響。

4.熱橋問題與節能設計。建筑圍護結構對建筑保溫起到決定性的作用,但其中的熱橋問題往往是人們所最容易忽略的。當代建筑由于追求造型的變化,立面上的凹凸進退增多,突出墻體、屋面的構件也越來越多,外飄窗得到了廣泛的使用,這些設計手法豐富了建筑造型,卻無形中增加了熱橋的產生,對建筑節能帶來不利的影響。產生熱橋的原因主要有兩個:一是因為該部位的傳熱系數比相鄰部位的傳熱系數大得多,熱阻小,保溫性能較差;二是因為該部位的受熱面積遠小于其散熱面積,從而失熱過多,內表面溫度較低。圍護結構中鋼筋混凝土梁、柱、板的相互交接處,外墻與外墻、內墻、以及窗戶的連接處,保溫門窗中的金屬門框,以及突出屋面的女兒墻、排氣孔與屋面交接部位等,都是圍護結構中熱橋形成的主要部位。在寒冷的季節,室內的熱能就會通過熱橋大量地流失。不妥善處理好這個問題,對于建筑節能會造成很大的影響。因此,在需要考慮冬季保溫的地區,必須要做好外墻、屋面以及門窗的保溫,構件自身的物理性能應滿足節能標準的要求。在防止熱橋產生的構造處理方法上,墻體的外保溫比內保溫更為有效,可避免室內外溫差加大,保持較為穩定的室溫和舒適度,防止保溫層受潮,避免熱橋的產生。實踐證明,在采暖期采用相同厚度保溫材料的外保溫要比內保溫減少約1/5的熱損失,而在夏季,墻體的外保溫做法還能減少太陽輻射熱和室外熱空氣與外墻的表面換熱,隔熱效果也優于內保溫做法。對于建筑中使用較多的鋁合金門窗,解決熱橋的方法是改采用新型的斷熱橋型鋁合金門窗或鋁塑復合門窗,且應同時配置三玻中空玻璃或Low-E中空玻璃,這樣就能保證門窗達到節能65%的要求。其它的如屋面、外墻角、挑出構件與主墻體的連接位等熱橋部位,應嚴格按照國家規范要求加強建筑局部的保溫措施,防止熱散失。從總體上講,防止熱橋的產生就要平衡建筑圍護結構的傳熱,控制各組成部分的傳熱系數相接近,保證各部位的傳熱均勻。這就需要建筑師熟悉各種建筑材料的物理性能,在設計時對用材要仔細研究,合理配置,從根本上減少熱橋的產生,最終達到節能的目的。

四、建筑節能設計的應變策略

建筑節能設計就是從分析地區的氣候條件出發,將建筑設計與建筑微氣候,建筑技術和能源的有效利用相結合

的一種建筑設計方法,也就是說在冬季最大限度地利用自然能來取暖,多獲得熱量和減少熱損失;夏季最大限度地減少得熱和利用自然能來降溫冷卻。

1.從建筑設計入手,綜合分析地區氣候特征,充分利用有利的氣候條件和防御不利氣候因素影響。(1)合理群體規劃布局。設計中要充分考慮夏季有利的主導風向(通風致涼)和避免冬季不利的主導風向(避風保暖),綜合考慮采光、通風、保溫和防曬等因素,合理安排群體布局和建筑朝向。(2)合理控制體形系數。體形系數就是指建筑物與室外大氣接觸的外表面積F0(m2)和其所包圍的體積V0(m3)之比值。也就是說,單位建筑空間的外表面積越大,體形系數越大,能耗就越高,反之亦然。因此,在考慮節能設計時,建筑平面外形不宜凹凸太多,力求完整,避免因凹凸太多增大而提高體形系數。(3)合理控制窗墻比。窗墻比就是建筑外窗總面積與外圍護墻體總面積之比值。由于外圍護墻體的熱工性能比玻璃窗戶要好。盡管外窗面積比外墻面積要小得多,但通過外窗得失熱量卻占外圍護結構得失熱量的40%左右,因此需根據不同地區氣候特征合理控制窗墻比。

2.從細部構造設計入手,有效利用隔熱保溫、遮陽和自然通風等被動式節能技術,改善建筑室內微環境。(1)外墻體的隔熱保溫與遮陽。目前,我國正提倡新型復合墻體自保溫系統和外隔熱保溫技術,外保溫的優點:建筑室內溫度受室外溫度波動影響小,有利于主體結構保護和避免熱(冷)橋的產生。(2)玻璃門窗的隔熱保溫與遮陽。外墻玻璃門窗是阻擋夏季太陽輻射熱進入室內和冬季室內熱量散失的最薄弱環節,其能耗是同面積墻體的4倍,屋頂的5倍,對建筑能耗影響較大。除控制窗墻比外,需增加玻璃門窗的熱工性能:一是設計選用單層或多層中空或低輻射玻璃(如Low-E鍍膜玻璃)和經熱斷橋處理的門窗型材,同時加強窗墻間、框扇間的接縫氣密性設計。二是增加外墻玻璃門窗遮陽設計,防止夏季太陽輻射熱透過玻璃門窗直接進入室內而耗能。(3)屋面隔熱保溫與遮陽。在夏季,屋面日照時間長,太陽輻射強度大,屋頂外表面溫度最高達到60～80℃,頂層室內溫度受其影響會提高2～4℃。在冬季,屋頂對外散失熱量,又增加了室內的空調熱負荷。屋面隔熱保溫除采用倒置式設計外,蓄水屋面和種植屋面越來越引起人們的重視。(4)自然通風。風壓與熱壓是實現自然通風的兩種手段,二者互為補充、密不可分。風壓通風是利用建筑的迎風面與具有良好外部風環境的地區,選擇有利通風的建筑朝向、控制建筑進深、“引導”自然通風等,可實現良好的風壓通風效果。

五、結語

建筑節能是一個復雜的系統工程,建筑節能研究是建筑可持續發展的重要研究課題,涉及方方面面的問題。在我國現階段,主要提倡運用與經濟發展水平相適應的簡單節能技術,同時注重太陽能、風能、地能等可再生自然能技術的研究和開發,降低可再生能源的利用成本,逐步從大城市與經濟比較發達地區向全國推廣運用,實現我國建筑節能既定目標。在設計中要多研究、多嘗試、多積累、多總結,在有限的條件下將建筑功能與藝術和技術更好地結合,使建筑設計的各個方面都能體現節能的原則,努力創造低成本、高效率的節能建筑。

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(作者單位:太原市建筑設計研究院 山西太原 030002)

(責編:達錫)