新型節(jié)能墻體系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)例

徐 立 蔚云武 倪壽勝

近年來我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,一次能源消耗越來越大,據(jù)統(tǒng)計(jì)中國煤炭消耗量占世界消耗總量的40%,石油消耗僅次于美國位居世界第二位,能源危機(jī)已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。在能源消耗眾多形式中,建筑能耗在我國能源消耗總量中的比例逐年上升,推廣節(jié)能建筑墻體,是建筑節(jié)能發(fā)展的一個主要趨勢。本文介紹兩種比較前沿的節(jié)能墻體。

1 雙(多)層立面墻體系統(tǒng)

雙(多)層立面墻體系統(tǒng)是近幾年發(fā)展起來的,被稱為“可呼吸的皮膚”。它主要針對以往玻璃幕墻能耗高,室內(nèi)空氣質(zhì)量差的問題,利用兩層(或多層)玻璃之間留有一定寬度的通風(fēng)道并配有可隨陽光及室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)的百葉。

在冬季,雙層玻璃之間形成一個陽光溫室,提高了建筑內(nèi)的表面溫度,節(jié)省了采暖能耗;在夏季,利用煙囪效應(yīng)對通風(fēng)道進(jìn)行通風(fēng),使玻璃之間空氣不斷被排走,達(dá)到降溫目的。特別是對于高層現(xiàn)代風(fēng)格建筑來說,幕墻和大面積玻璃是通常采用的建筑手法,據(jù)統(tǒng)計(jì)一般玻璃幕墻和墻的能耗比高達(dá) 5∶1,造成冬冷夏熱的情況,再加上直接開窗容易造成紊流,不易控制室內(nèi)通風(fēng)。雙層圍護(hù)結(jié)構(gòu)在除塵、降噪等方面都大大優(yōu)于直接開窗通風(fēng),再加上特性玻璃(如低輻射玻璃、電子變色玻璃、熱變色玻璃、光變色玻璃或全信息玻璃等)的應(yīng)用和自控設(shè)備的結(jié)合,能發(fā)揮更好的節(jié)能效果。

雙層立面的間距寬度設(shè)計(jì)主要指標(biāo),主要考慮以下因素：1)滿足公用垂直系統(tǒng)的要求,雙層系統(tǒng)通常把公用垂直系統(tǒng)的通道設(shè)在其中,提高建筑的有效使用面積。2)考慮自然通風(fēng)(煙囪效應(yīng))的通風(fēng)截面要求,這項(xiàng)指標(biāo)直接影響通風(fēng)的效果,一般樓高越高,通風(fēng)量越大,通常自然通風(fēng)風(fēng)速在1 m/s以內(nèi),換風(fēng)量根據(jù)國家暖通設(shè)計(jì)規(guī)范和衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)確定,如辦公室新風(fēng)量30 m3/(h?人)～50 m3/(h?人),換氣次數(shù)是3次/h,會議室 3次/h～8次/h。3)考慮檢修通道的寬度,為節(jié)約建筑空間高度,通常把通風(fēng)管道和設(shè)備放在夾層中,設(shè)計(jì)要考慮到檢修和維護(hù)的需要設(shè)置檢修通道,為節(jié)約空間設(shè)計(jì)檢修通道盡量選擇在柱中的位置,避免通道與柱交叉增大通道截面,通常選擇外挑結(jié)構(gòu)避開夾層空間,一般情況下此界面寬度為控制寬度,所以要充分優(yōu)化,包括設(shè)備的檢修方式和位置的選擇,盡可能壓縮寬度提高有效使用面積。盡管雙(多)層立面墻體系統(tǒng)在生態(tài)節(jié)能方面有著很大的優(yōu)勢,但是占有一定的使用面積,對建筑施工技術(shù)要求高,一次性投入高(盡管其投資能在使用過程逐步收回,但回收期較長,15年左右),維護(hù)技術(shù)要求高,對此項(xiàng)技術(shù)的推廣形成阻力,但隨著節(jié)能要求和玻璃技術(shù)的提高,以及相關(guān)配套產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化,經(jīng)濟(jì)指標(biāo)會有所提高,此項(xiàng)技術(shù)還是很有發(fā)展前景的。此項(xiàng)技術(shù)的典型建筑是德國漢諾威博覽會20層大樓,該建筑位于市展覽館北入口處。核心是24 m×24 m的辦公區(qū),對角線方向布置垂直交通和輔房,辦公房區(qū)域劃分靈活,內(nèi)部設(shè)計(jì)根據(jù)使用要求劃分成各種規(guī)模的辦公單元,各個工作區(qū)域都能得到很好的空間質(zhì)量。具體做法歸納如下：1)外立面的玻璃幕墻對內(nèi)部空間起了保護(hù)作用,有效地阻擋了高層的高速氣流對通風(fēng)的影響;2)內(nèi)立面安裝可開啟的大面積推拉窗,內(nèi)部可獲得潔凈的自然風(fēng),過渡季節(jié)節(jié)約能源;3)結(jié)構(gòu)柱布置在夾層中間,避免影響內(nèi)部空間的使用和劃分的影響,布置更為自由;4)雙層立面之間的夾層內(nèi)側(cè)安裝自動百葉,調(diào)節(jié)光輻射對室內(nèi)的影響,而且可以獲得清新的空氣;5)在樓層底部設(shè)風(fēng)口,塔樓頂部設(shè)置出風(fēng)口和風(fēng)機(jī),風(fēng)口處帶電動調(diào)節(jié)閥,可以根據(jù)情況實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié);6)辦公樓制冷和采暖系統(tǒng)埋設(shè)在樓板中,保證了溫度平衡,降低了層高,使得整個建筑更為節(jié)能。

2 太陽能空氣加熱墻體系統(tǒng)(簡稱SAH)

在國外,太陽能空氣加熱墻體被廣泛應(yīng)用在需要大量通風(fēng)空氣的各類建筑中,尤其在高緯度亞熱帶和亞寒帶冬季需要采暖和通風(fēng)的工業(yè)廠房運(yùn)用獲得很好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng),由于它在建筑中和外墻一體化設(shè)計(jì),又被稱為太陽能墻體。太陽能空氣加熱墻體系統(tǒng)實(shí)際上是在朝陽的墻上安裝太陽能集熱板將室外的新鮮空氣加熱后用于建筑通風(fēng),在改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的同時減少建筑供暖負(fù)荷。該系統(tǒng)具有原理簡單、收集太陽能效率高、造價低和回收成本時間短的優(yōu)點(diǎn),極大地節(jié)約能源和供暖費(fèi)用。

太陽能空氣加熱墻體的組成簡單,包括：太陽能集熱組件、通風(fēng)系統(tǒng)、空氣處理和控制元件三部分。

1)太陽能集熱組件主要是金屬的太陽能穿孔集熱板、固定支撐骨架和上下防雨雪板,金屬太陽能集熱板是鋁材和鍍鋅板材料上穿孔,選用轉(zhuǎn)換熱能達(dá)到80%的高科技涂層,設(shè)計(jì)選材要考慮集熱板的防腐以及冬季除雪霜輔助加熱系統(tǒng);

2)通風(fēng)系統(tǒng)包括保持一定風(fēng)速的進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)和風(fēng)扇前后用來輸送和分配熱空氣的風(fēng)管以及通風(fēng)系統(tǒng)中通常使用的電動風(fēng)閥;

3)空氣處理和控制單元,冬季和過渡季節(jié)確保送風(fēng)溫度,夏季有涼爽的新風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)。

太陽能空氣加熱墻體系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)很多,它是目前世界上最有效的太陽能墻體系統(tǒng)。系統(tǒng)不需要昂貴的玻璃,消除了暖空氣在天花板上聚積的現(xiàn)象,顏色多樣可供選擇。由于加熱板與墻體之間有空隙,所以不會把熱直接傳導(dǎo)在墻體上,減少了冬季冷空氣和夏季熱輻射的入侵。在陽光充足的冬季白天,可以提高溫升16℃～40℃,夏季遮陽可降低外墻溫度5℃。即使是多云天氣,系統(tǒng)也可以提供大量的熱量來預(yù)熱新風(fēng)。系統(tǒng)利用太陽能能達(dá)到75%～80%,且安裝方便,材料設(shè)備簡單,經(jīng)濟(jì)性很高,回收期在1年～6年,對環(huán)境無影響,適合在各類建筑上使用。

該系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定：

1)集熱板孔洞的密度計(jì)算公式：λ=η F/A。其中,λ為孔洞率,一般控制在10%以內(nèi);η為不均勻系數(shù),取1.2～1.3;F為設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)送風(fēng)量。如λ=4%,集熱板孔為1 mm2,每平方米集熱板上需要400個孔,每延長米22/23孔,孔間距 50 mm;A為集熱板面積。2)集熱板與墻體的安裝間距是根據(jù)送風(fēng)量確定,且不小于250 mm,寬度按以下公式計(jì)算：B=F/(3 600×V×L)。其中,F為設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)送風(fēng)量;V為風(fēng)速,取1 m/s～1.5 m/s;L為風(fēng)機(jī)集風(fēng)范圍寬度。當(dāng)計(jì)算寬度大于600 mm時,可與建筑設(shè)計(jì)協(xié)商采用變截面,可以節(jié)約造價和占地面積。

目前世界上最大的太陽墻是位于加拿大的一個飛機(jī)制造廠,廠房建筑面積116 000 m2,該地區(qū)年平均溫度6.1℃,年平均風(fēng)速4 m/s,年平均太陽輻射量為1.07 MW?h/m2。該廠房冬季采暖采用天然氣加熱器供暖,加熱器的效率為75%。由于飛機(jī)制造廠房有一定潔凈要求,按健康標(biāo)準(zhǔn)和工藝要求計(jì)算采用風(fēng)機(jī)總風(fēng)量為1 000 000 m3/h,全天候運(yùn)行,該廠房工藝設(shè)備發(fā)熱量大,送風(fēng)溫度控制在15℃左右,如送風(fēng)溫度大于20℃,室內(nèi)溫度會超過30℃,部分設(shè)備會因過熱而保護(hù)停機(jī)。設(shè)計(jì)中在朝陽的兩個墻面安裝8 826 m2的SAH灰色集熱板,經(jīng)實(shí)際檢測,每平方米空氣流量為113 m3,空氣溫度可平均升高7.5℃。節(jié)省能源費(fèi)用約每年達(dá)167 000加元,該系統(tǒng)單位平方米造價35加元相當(dāng)于人民幣220元,系統(tǒng)安裝費(fèi)回收期僅有1.8年。

我國第一個采用此項(xiàng)技術(shù)的是2004年山東建筑工程學(xué)院和加拿大國際可持續(xù)發(fā)展中心合作的生態(tài)學(xué)生公寓,使用了加拿大技術(shù)專利的太陽墻技術(shù),顯著提高了北向房間的冬季舒適度,降低了采暖能耗。它是在南立面窗間和檐口墻上使用143 m2的太陽墻,風(fēng)機(jī)根據(jù)規(guī)范要求選擇5 800 m3/h的風(fēng)量,為北側(cè)36間公寓送風(fēng),冬季最高送風(fēng)溫度可達(dá)35℃。按每年8個月計(jì)算,每年產(chǎn)生212 GJ的熱量,相當(dāng)于59 000度電,按0.8元/度計(jì)算,每年節(jié)約電費(fèi)47 200元,一年就可收回安裝成本,經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

[1] 李軍干,杜紅珍.談建筑節(jié)能[J].山西建筑,2008,34(6)：241-242.