四步建筑節能——我國未來建筑發展值得研究探索的課題

□文/劉瑞光 王敏杰 閆春霞 李志國

□王敏杰/天津大學建筑工程學院土木系。

□閆春霞、李志國/天津大學建筑工程學院土木系、濱海土木工程結構與耐久性教育部重點實驗室。

四步建筑節能
——我國未來建筑發展值得研究探索的課題

□文/劉瑞光 王敏杰 閆春霞 李志國

隨著國家經濟的持續發展，城市化進程的逐步加快，我國部分城市建筑“三步節能”試點已取得成功，相關技術措施也在全國部分地區全面推進并取得顯著成效。建筑節能發達城市經過“三步節能”的實踐，已經具備了開發、研究建筑“四步節能”的基礎和能力。隨著城市建設綜合技術的進一步發展和社會整體的飛躍，推進建筑節能第四階段的研究與工程實踐勢在必行。

四步節能；建筑；圍護結構；墻體

隨著國家城市化進程的逐步加快，我國的建筑節能戰略也在全面推進。為大力推進建設領域節能減排，降低民用建筑能耗，“十一五”期間，國家加強了建筑節能法規和強制性標準體系建設，嚴格執行建筑節能標準，實施財政激勵政策和目標考核制度，重點從新建建筑、既有建筑節能改造、可再生能源建筑應用、國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監管、供熱計量等5個方面全面推進建筑節能，取得了顯著成效。我國建筑節能發展經歷了3個步驟，第一步是以1980—1981年當地通用設計的采暖能耗為基線，實現節能30%的目標，1986年建設部頒發了JGJ26—1986《民用建筑節能設計標準(采暖居住建筑部分)》；第二步是從1996年開始推行二步節能設計標準，是在第一步節能目標的基礎上再節能30%，節能率累計達到50%；第三步是在第二步節能目標的基礎上再節能30%，節能率累計達到65%，采取以北京、天津等重點城市率先推行三步節能設計標準，逐步向其他省市擴展的策略，目前吉林、黑龍江、山東、沈陽、青島等省市相繼實施三步節能設計標準，建筑節能逐步向不斷提高標準的趨勢發展。目前我國大規模的城鎮化建設還將持續很長一段時間，建筑能耗已與工業能耗、交通能耗并列成為我國能源消耗的三大“耗能大戶”，建筑能耗約占總能耗的30%，其中最主要的是采暖與空調能耗，占到20%左右。新建建筑預計每年新增10億m2以上，建筑總能耗將呈不斷增長趨勢，進一步降低建筑用能負荷，提高建筑節能標準是非常必要的。

目前，我國北方采暖地區推行三步節能設計標準取得了長足進步，經過多年實踐，無論是在設計、施工、建筑材料，還是在建筑節能的檢測和評價機制以及監督管理方面都積累了一定的經驗，建筑節能的基本體系和模塊單元已經開發并投放到建筑市場，取得了初步的效果。由于我國城市發展的不均衡，有些城市的建筑節能正處于開展第三步節能的初期階段，而部分發達城市則具備了進行下一階段節能開發的基礎條件，隨著社會的進一步發展和國家“十二五”規劃的實施，實現建筑的進一步節能也必將被提上日程。

1 我國的建筑節能現狀

1.1 “三步節能”技術標準指標情況

我國實行的“三步節能”戰略，與北方采暖地區二步節能標準相比，主要是通過提高圍護結構保溫性能和門窗的氣密性能，同時提高供熱熱源和管網系統的效率，達到降低建筑耗熱量指標的目標。具體做法是將保溫材料科學的加厚，發展新型的保溫材料以降低其傳熱系數，基本可以實現墻體的高效保溫，以達到“三步節能”的效果。

在建筑圍護結構的外墻、門窗、屋面、地面的四大圍護部件中，相比較而言控制門窗的絕熱性能是難點，這是影響室內熱環境質量和建筑節能的主要因素之一。據統計我國門窗的能耗約為墻體的4倍，屋面的5倍，地面的20多倍，約占建筑圍護結構總能耗的40%～50%。

屋頂傳熱耗熱量大于任何一面外墻或地面的耗熱量，因此提高建筑物屋面的保溫隔熱能力，能有效地抵御室外冷熱空氣的傳遞，減少供熱空調能耗。目前，屋頂的節能技術主要有利用保溫隔熱材料改善屋面層的熱工性能，阻止熱量的傳遞；隔離太陽輻射熱，架空通風屋面；對屋面進行綠色覆蓋等。

在建筑圍護結構中，通過地面向外傳遞的熱量約占圍護結構傳熱量的3%～5%。地面主要包括3部分：一是直接接觸土壤的地面；二是與室外空氣接觸的架空樓板地面；三是地下室、半地下室與土壤接觸的外墻。

1.2 三步節能與發達國家現行標準比較

我國國家現行建筑節能標準與氣候相近的發達國家相比還有一定差距，建筑總耗熱量為發達國家的4～5倍，外墻耗熱量為1.5～2.2倍，門窗耗熱量為3～6倍，屋頂耗熱量為2.5～5.5倍左右。從建筑結構的傳熱系數角度講，即便按三步節能建成的建筑，在我國寒冷地區（B）建筑圍護結構的傳熱系數（以9層居住建筑為例）仍高于發達國家的水平。我國建筑三步節能之后的傳熱系數大概是瑞典的1.3倍，加拿大的1.1倍，美國的1.41倍，德國的1.63倍，所以我國的建筑節能還有很大地提升空間。見表1和表2。

表2 北京天津地區住宅圍護結構傳熱系數設計標準比較W/(m2·K)（9層居住建筑）

2 四步建筑節能設計標準的探索

按照國家確定的居住建筑能耗基線和每一階段節能的比例來看，四步節能應該是在三步節能標準的基礎上再節能30%，累計節能率達到75%，基本達到同緯度發達國家現行的建筑節能標準水平。實現四步節能主要是從提高圍護結構保溫性能、采暖熱源和管網效率，最大程度使用可再生能源等三個途徑，合理確定圍護結構和采暖系統的分擔比例。

2.1 圍護結構的節能潛力

1)最大限度提高屋面保溫性能。屋面占建筑總面積的比例較小，對整體建筑造價影響較小，目前保溫材料和施工技術比較成熟，將屋面傳熱系數降低到0.30 W/(m2·K)以下是最簡便的技術途徑。

2)適度提高墻體保溫性能。按照國家現行居住建筑節能設計標準要求，結合目前普遍使用的外墻保溫系統，對于寒冷地區選取導熱系數為0.025～0.030W/(m·K)的保溫材料，保溫材料厚度控制在100mm左右，針對不同高度建筑墻體平均傳熱系數要求，可以控制在 0.40W/(m2·K)左右。

3）提高門窗保溫性能。根據我國門窗型材、中空玻璃、五金件、密封材料和安裝技術水平，制作中空三玻窗的技術條件比較成熟，使門窗傳熱系數達到1.8W/(m2·K)左右相對容易實現。

現有的技術水平上，可以使圍護結構分擔節能率達到20%以上。

2.2 熱源和管網在進一步建筑節能中的潛力

鍋爐效率是指煤炭、石油或燃氣能量與能轉換成熱水或蒸氣能量的百分比。大多數爐排鍋爐的效率在65%～85%，所以尋求減少15%～35%熱損耗的途徑和方法，是提高建筑進一步節能的關鍵點之一。

目前鍋爐的損耗主要包括：排煙損耗、輻射損耗、排污損耗以及其他損耗。可以研究：使鍋爐在符合系統和鍋爐制造商要求的前提下，在最低溫度下運行；對鍋爐外表面進行有效絕熱處理，設計新型的管網保溫系統以減小熱輻射損耗；保證燃料和空氣精確的混合比，使燃料充分燃燒以減少排污損耗；對現有的鍋爐進行整定，用高效率的鍋爐替換現有鍋爐，使用多功能鍋爐，利用太陽能、熱泵、地熱、光伏技術，盡可能讓熱源、管網系統承擔更多的節能分額，從而達到節能目的。供熱系統可以分擔5%～8%。

2.3 降低建筑物的體形系數

在節能設計中，建筑的外表面積與建筑體積的比值，即建筑的體形系數。體形系數反映單位建筑空間熱散失面積的大小，對建筑的節能有重要意義。體形系數越大，單位建筑體積對應的外表面積越大，能耗就越高。因此要實現建筑物的進一步節能，設計單位一定要通過計算來控制建筑物的體形系數。

首先要使建筑的平面形狀盡可能規整，減小凹凸變化；另外，圓形平面或是正方形平面也是一種理想狀態下的有利于節能的平面形式，有研究資料表明，建筑物的體形系數每增加0.01，耗熱量指標約增加2.5%，一般應控制在0.30以下；從夏季得熱的角度來說，建筑應有合適的長寬比。加大進深由8m增加到14m，可以使建筑耗熱指標降低11%～33%，對于lO00～8000 m2住宅，進深控制在12～14m有利于建筑節能；同時應盡量減少外墻的凸凹面和架空樓板，不應設置外墻洞口處無窗戶的凸(飄)窗，坡屋頂宜設置結構平頂棚或降低坡度，應采用封閉式樓梯等。

以一個半徑為10m的圓形建筑物和邊長為20m的正方體建筑為例，其體形系數大約為0.3左右；一個底面半徑為10m，高為10m的圓柱形建筑物，其體形系數為0.2。相比較規范限定的0.4而言，耗熱量指標大約可以減少25%和50%左右，所以在設計階段把體形系數控制在0.3以下是實現“四步節能”的關鍵點之一。

2.4 加強對建筑物圍護結構細部的節能設計

圍護結構的細部構造，對整個建筑物的節能設計而言是不可忽視的，正確處理好細部節點設計，能大大提高節能設計效率。對于墻體熱橋部位應該采可靠的保溫與“斷橋”措施，外墻出挑構件及附墻部件，如陽臺、雨罩、靠外墻陽臺欄板、空調室外機擱板、附壁柱、凸窗、裝飾線等均應采取隔斷熱橋和保溫措施；窗外側四周墻面，應進行保溫處理；門、窗框與墻體之間的縫隙，應采取用高效保溫材料填堵；門、窗框四周與抹灰層之間的縫隙，宜采用保溫材料和嵌縫密封膏密封，避免不同材料界面開裂，影響門、窗的熱工性能。

2.5 加大可再生清潔能源的利用

1）太陽能利用與建筑的一體化

太陽能是清潔能源，在建筑節能方面可以發揮極其重要的作用。通過將太陽能的集熱系統與建筑有機的組合起來，形成一個有機的整體，而避免將太陽能系統作為一個附加構件。

2）地熱資源

地熱資源是可再生資源，每年從地球內部傳到地面的熱能相當于100PW·h，應充分利用地熱資源為建筑提供熱源，減少化石能源消耗，提高節能效率。也是實現“四步節能”的關鍵步驟。

2.6 大力發展熱泵技術

熱泵是一種把熱量從低溫端送向高溫端的專用設備，是節能的新裝置。在建筑供熱空調中采用熱泵技術可以有效提高一次能源的利用率，具有高效節能的特點。將地熱資源與熱泵組合并與建筑有機的結合，可以大幅提高供熱效率并且供暖區無污染，環保效益好，是一種有益于環境保護和可持續發展的“綠色空調技術”，同時更是一種高效的節能方式。

3 結語

1）目前國家的“三步節能”發展戰略正在全面推進，而北京、天津、吉林、黑龍江、山東、沈陽、青島等省市“三步節能”標準實施取得較好效果，及時發展和推進四步節能，有利于推進城市化進程，提高人民的生活水平，是建筑節能減排領域的重要組成部分。

2）要實現建筑的四步節能，就要合理提高圍護結構保溫性能，進一步減小墻體的外表面積；重點研發保溫隔熱、傳熱系數小的新型墻體材料；降低建筑物的體形系數，減少能耗；提高供熱系統效率，加大對太陽能、淺層地能、深層地熱能等清潔能源的科研投入，促進清潔能源的推廣與普及。

3）積極推進四步節能戰略，不僅有利于節約有限的資源，緩解日趨緊張的能源壓力，而且可以使我國的建筑節能逐步接近并達到發達國家水平，提高我國人民的生活質量，也是構建資源節約型與環境友好型社會的重要組成部分。因此，注重對“四步節能”的理論研究與工程實踐都具有十分重要的意義。

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TU201.5

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1008-3197（2011）03-01-03

2010-12-08

劉瑞光/男，1956年出生，高級工程師，天津市城鄉建設和交通委員會建筑節能和科技處處長，從事工程技術管理工作。

□王敏杰/天津大學建筑工程學院土木系。

□閆春霞、李志國/天津大學建筑工程學院土木系、濱海土木工程結構與耐久性教育部重點實驗室。