建筑外維護節(jié)能策略研究

鄭州大學(xué)建筑學(xué)院 李文倩

中原工學(xué)院 張淑潤

建筑外維護節(jié)能策略研究

鄭州大學(xué)建筑學(xué)院 李文倩

中原工學(xué)院 張淑潤

我國每年新增建筑面積達18億～20億m2，是世界上最大的建筑市場，而每年的能源消耗則高達27.5%，外維護部分的節(jié)能系統(tǒng)占其總能耗的絕大部分。外維護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能是改善室內(nèi)外熱環(huán)境及提高建筑節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵。無論是嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)還是夏熱冬冷地區(qū)等，外維護結(jié)構(gòu)的設(shè)計都與其氣候特征有明顯關(guān)聯(lián)，夏季應(yīng)阻擋室外熱輻射，并通過遮陽技術(shù)和自然通風(fēng)來為建筑降溫，冬季則應(yīng)加強保溫隔熱和提高氣密性來防止室內(nèi)熱量流失，另外太陽能技術(shù)的利用也是其重要方面。

一、建筑外維護系統(tǒng)節(jié)能構(gòu)造設(shè)計原則及要求

要實現(xiàn)建筑外維護的節(jié)能構(gòu)造系統(tǒng)，首先應(yīng)按照氣候分區(qū)的節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行。應(yīng)充分利用冬季日照并避開冬季主導(dǎo)風(fēng)向，利用夏季自然通風(fēng)，在建筑總體布局、外環(huán)境設(shè)計和建筑體型設(shè)計等方面提供有效條件。對外維護部分所涉及的墻體、門窗、屋面以及樓地面等，通過節(jié)能型的材料選擇和合理的構(gòu)造技術(shù)，才能有效改善外維護的保溫、隔熱和氣密性，從而保證室內(nèi)的熱環(huán)境和減少能源消耗。

二、外維護節(jié)能要素分析

良好的外墻保溫系統(tǒng)、合理的開窗面積、門窗氣密性的提高、屋面綠化等都是提高圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能的主要途徑，隨著建筑技術(shù)、材料和構(gòu)造的進步，這些方面對降低建筑能耗的意義越來越大，成為建筑設(shè)計不可忽視的環(huán)節(jié)。外維護部分節(jié)能要素主要分為外墻系統(tǒng)、屋面系統(tǒng)和門窗系統(tǒng)3部分。

1.外墻系統(tǒng)節(jié)能。外墻的節(jié)能在外維護中是至關(guān)重要的，因為它不僅面積大，而且構(gòu)造復(fù)雜，涉及外墻形式、材料，以及保溫、隔熱、防水、防風(fēng)、防火和安全性等的處理。

（1）實體外墻保溫材料和形式。實體外墻保溫材料根據(jù)磚、塊、板、幕墻的不同分單一材料和復(fù)合材料。單一材料如空心磚、加氣混凝土等，混合材料由不同材料來承擔(dān)，更好地兼顧了保溫和隔熱，使用較為普遍。

外墻的保溫隔熱形式可分為外墻外保溫、內(nèi)保溫、自保溫、加芯保溫和組合保溫5種，但外保溫隔熱應(yīng)用更為廣泛，內(nèi)保溫次之，中間保溫則較多使用于寒冷地區(qū)。

這幾種保溫隔熱系統(tǒng)原理都是使用導(dǎo)熱系數(shù)較小的材料來增加對熱量的阻隔能力。外保溫隔熱系統(tǒng)絕熱性能優(yōu)越，消除熱橋，不占用室內(nèi)面積，但對防水、抗裂和抗腐蝕性能提出了較高要求。

另外，外維護結(jié)構(gòu)的蒸汽滲透主要為了防止維護結(jié)構(gòu)的結(jié)露現(xiàn)象，避免造成室內(nèi)潮濕、墻體發(fā)霉等，可通過設(shè)置隔氣層來解決，可用卷材、隔氣涂料、鋁膜等材料。

（2）幕墻形式。幕墻（圖1）作為一種新穎、通透性強、簡潔美觀的建筑形式，是外維護結(jié)構(gòu)中現(xiàn)代藝術(shù)與建筑技術(shù)最完美的結(jié)合，但因其消耗能量較大，目前國內(nèi)外推廣使用較多的是雙層通風(fēng)玻璃幕墻和光電玻璃幕墻系統(tǒng)。雙層通風(fēng)玻璃幕墻為智能化、呼吸式、熱通道式的新型幕墻，由內(nèi)外兩道幕墻組成，中間設(shè)有空氣間層，最大程度上達到節(jié)能，冬季可利用自然能來獲取熱量和減少損耗，夏季可利用遮陽、通風(fēng)來降溫，還可改進為真空玻璃雙層通風(fēng)幕墻，更節(jié)能舒適。而光電幕墻則集合了光伏發(fā)電和幕墻技術(shù)的綠色環(huán)保幕墻，可將光能轉(zhuǎn)化為電能。

圖1 玻璃幕墻

2.屋面系統(tǒng)節(jié)能。屋面是建筑外維護結(jié)構(gòu)中接受陽光輻射幾率最大的部位，特別是對于頂層室內(nèi)熱環(huán)境的影響尤為重要。節(jié)能方式主要分為保溫隔熱、通風(fēng)、架空以及屋頂綠化。

（1）保溫隔熱屋面。保溫材料的選取和屋面的構(gòu)造方式?jīng)Q定了屋面的保溫隔熱效果。保溫隔熱材料的選取要求材料吸水率低或不吸水、導(dǎo)熱系數(shù)小、重量輕、性能穩(wěn)定、使用年限長。目前有正置式和倒置式兩種，倒置式較為常用，將保溫層設(shè)于防水層上，有效延遲防水層老化。

（2）架空屋頂。通風(fēng)屋頂是利用熱壓或風(fēng)壓產(chǎn)生的動力驅(qū)動室內(nèi)外空氣流過通風(fēng)間層將熱量帶走，具有隔熱好、散熱快的特點，一般通風(fēng)間層兩端完全敞開，通風(fēng)口應(yīng)設(shè)于迎向夏季主導(dǎo)風(fēng)向，可將屋面的熱量帶走，提高屋面的隔熱能力，一般情況下通風(fēng)間層高度以100～250mm為宜。

（3）蓄水屋面。蓄水屋面為在屋面防水層上蓄一定高度的水，多為150～200mm，利用水的蒸發(fā)以及反射作用，將熱量散發(fā)到空氣中，從而減少屋蓋吸收的熱量。同時還可保護防水層，延長其壽命。

（4）屋頂綠化。屋頂綠化（圖2）是屋面冬暖夏涼的綠色空調(diào)，在綠化的同時還可降低頂層房間的室內(nèi)溫度。即由于使用的人工土壤具有優(yōu)良的保水性與保溫性，由植物的光合作用帶走熱量，降低了周邊氣溫。同時拓展了室外活動空間，為工作人員提供舒適的休閑場所，起到美化環(huán)境、休閑娛樂的作用。屋頂綠化的常見形式有屋頂種植、屋頂花園、屋頂棚架等。

圖2 屋頂綠化

3.外窗系統(tǒng)節(jié)能。外窗系統(tǒng)主要滿足通風(fēng)、采光和建筑造型的需求，也是建筑維護系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，在外維護結(jié)構(gòu)所有熱損失中，外窗的熱損失大致占40%，主要因窗框、窗玻璃的熱阻太小，經(jīng)縫隙滲透的冷風(fēng)使熱損失進一步增大。

（1）控制外窗的保溫隔熱性能。提高外窗的保溫隔熱性能主要是提高外窗的熱阻，選擇導(dǎo)熱性能較小的窗框材料，如塑鋼窗框，經(jīng)斷橋處理的鋼或鋁合金窗框都有良好的保溫性能，低輻射玻璃或Low-E玻璃，與普通玻璃相比，它可反射太陽光譜中40%～70%的紅外長波熱輻射，同時遮擋少量的可見光，可改善玻璃的保溫性能。另外，外窗的密閉性應(yīng)良好，在嚴寒、寒冷及夏熱冬冷地區(qū)不應(yīng)低于國家標(biāo)準(zhǔn)的4級，夏熱冬冷區(qū)7層及以上不少于3級，門窗四周應(yīng)用密封條或密封膠密封。

（2）控制窗墻面積比。在滿足建筑使用功能的前提下，外窗面積不應(yīng)過大，合理控制窗墻面積比是外窗節(jié)能的重要措施之一。對于我國北方地區(qū)公共建筑，規(guī)定南向不能超過0.35，北向窗墻面積比不能超過0.25，東西向不超過0.3，對于夏熱冬冷地區(qū)，既要考慮冬季日照，又要考慮夏季防熱。

（3）遮陽的設(shè)置。外窗遮陽設(shè)計應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c，綜合考慮立面設(shè)計和使用功能等。一般根據(jù)建筑的朝向，可利用外廊、陽臺、挑檐等構(gòu)件作為建筑構(gòu)件，外窗的遮陽設(shè)計次序一般為外遮陽、內(nèi)遮陽、中間遮陽和玻璃遮陽，其中外遮陽節(jié)能效果明顯，應(yīng)用十分廣泛，可分為水平式、垂直式、綜合式和擋板式。水平遮陽效果好，常用于東西立面；垂直遮陽利于導(dǎo)風(fēng)，綜合遮陽可整體固定，局部調(diào)節(jié)，用于任何立面造型；擋板遮陽為整體固定，但遮擋視線，影響采光。從節(jié)能的角度看，外遮陽（圖3）是防止太陽熱輻射進入室內(nèi)效果最好的遮陽做法，它吸收或反射的太陽輻射絕大部分散發(fā)在室外。

圖3 外窗遮陽

綜上，通過對建筑外維護系統(tǒng)節(jié)能策略的分析，可以看出建筑外維護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能是改善室內(nèi)熱環(huán)境和提高建筑節(jié)能水平的重要因素，也是建筑節(jié)能的關(guān)鍵。節(jié)能設(shè)計的主要內(nèi)容包括外墻保溫系統(tǒng)、屋頂以及外窗等方面。