建筑節能新技術在工民建中的應用研究

王振南（鄭州工業應用技術學院，河南　鄭州　451100）

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建筑節能新技術在工民建中的應用研究

王振南
（鄭州工業應用技術學院，河南鄭州451100）

摘要：工業與民用建筑是建設施工量最大、數量最多的建筑物，開展對其建筑節能方面的研究具有重要意義.本文針對建筑節能新技術展開論述，從節能建材新技術和太陽能應用新技術兩方面對節能減排技術在工民建中的應用進行深入研究，為建筑節能技術的應用和推廣提供技術支撐.

關鍵詞：工民建；建筑節能新技術；節能建材；太陽能應用

1　引言

我國的建筑行業在21世紀發展迅速，工業與民用建筑作為建設量最大的建筑工程，建筑數量增長迅猛.然而隨著工民建數量的不斷增多，建筑能耗問題也逐漸顯現出弊端.我國的建筑行業能耗一直居高不下，數據顯示，我國現有建筑400多億m2，但其99%屬于高耗能建筑.在節能減排成為社會發展主流的今天，研發和推廣建筑節能技術具有廣闊的市場應用前景.

本文對建筑節能技術在工民建中的應用進行研究，基于物理傳熱學相關知識，探討節能建材新技術和太陽能應用新技術在建設施工中的實際應用問題.

2　建材節能新技術

工民建的外墻面、門窗和屋頂是熱量傳遞、擴散、交換面積最大的建筑構件，實現建筑的節能化必須從這三個部位入手進行研究.夏季時，要減少外界熱量向室內的傳遞，達到室內制冷效果；冬季時，要減少熱量向外傳遞，達到室內保溫的目的.建筑材料的制造、選擇和使用是減少室內外熱量交換的重要途徑，通過建材與屋面的緊密結合，實現節能環保的目標.

2.1新型墻體砌塊材料

新型墻體砌塊材料使用空心加氣砲塊，砲塊熱介質被中間的空氣隔斷，顯著降低了熱量傳遞性能，減少室內外熱流通交換量，保溫性能良好.此外，制造砌塊材料的原材料來源多是以廢棄混凝土為骨料，水泥粉煤灰等為添加劑而制成，充分利用了建筑垃圾和生產廢棄物，實現了節能降耗、資源循環利用目的.

再生混凝土空心砲塊是新型節能墻體砌塊材料的典型代表，應用廣泛.它以混凝土為再生骨料，加入粉煤灰、礦渣、砂石、冶煉渣、硅酸鹽水泥等制成，中空加氣.不僅具有墻體材料應有的強度，抗震抗裂，具有良好的保溫隔熱效果，重量輕易于運輸和施工，還可以起到建筑廢料充分回收利用、解決建筑垃圾污染破壞環境的突出問題.表1為某再生混凝土空心砲塊的具體參數[1].

表1　再生混凝土空心砲塊性能參數

以廢棄混凝土塊制造的再生混凝土空心砲塊墻體材料，比市場上天然骨料的原料價格要低20～30元/m3，加上所使用的其它材料如粉煤灰、礦渣、水泥等，使得混凝土空心砲塊的整體造價要比一般的空心砲塊低10%～20%左右，顯著降低了建筑成本.此外，混凝土空心砲塊由于中間填充了空氣，降低了整體的導熱系數，降低了熱量傳遞，再加上混凝土加氣性優于天然骨料，使得混凝土空心砲塊的隔熱保溫性能顯著優于一般空心砲塊.應用于墻體材料時，由于自重較輕，減少了對墻體的壓力，外墻可以進行其它的美化加工，為墻體的觀賞性施工提供空間.

2.2高效節能窗

外墻面上的窗戶是工民建筑物中大面積傳熱構件，占據墻面相當大的比例.窗戶的采光要求導致窗戶材質的選擇受到很大限制，基本上只能用玻璃，因此只能改變玻璃的制作工藝，制造出符合要求的節能窗.類似于空心砲塊的制造技術思想，在玻璃中添加氣體進行填充，利用氣體的隔熱性能實現玻璃的保溫隔熱效果，這就是基于中空玻璃的高效節能窗.

高效節能窗是雙層玻璃的一種，兩層玻璃中間裝有透明隔熱層，透明層使用BOPET簿膜若干層進行分布，將分隔層空間進行等距排列支撐，周邊密封粘結，形成“玻璃—BOPET薄膜層—玻璃”的干燥氣體夾層玻璃.該節能窗具有優良的隔熱保溫效果，以圖1為圖示進行分析：

圖1　高效節能窗雙層玻璃導熱示意圖

如圖1所示，雙層窗內層玻璃的外側溫度為Ta，外層玻璃的內側溫度為Tb，玻璃導熱系數為k1，空氣導熱系數為k2，則單位時間單位面積的熱量傳導為：

對于一般厚度為2d的單層玻璃，其熱量傳導為：

通過兩者的比較，可知制作雙層玻璃雖然工藝復雜會增加一些費用，但它減少的熱量損失相當可觀，當建筑要求L/d=4時，雙層玻璃比同樣多的玻璃材料制成的單層玻璃節約熱量97%左右.主要是雙層玻璃間的干燥氣體層導熱系數較玻璃層小一個數量級（某些惰性氣體的導熱系數更低），顯著降低了熱量傳導量，達到阻隔傳熱的目的.

2.3屋頂綠化技術

屋頂同樣是建筑物外部很大的傳熱平面，屋頂綠化技術成為人們逐漸應用的節能減排方式[2].屋頂面除了具有支撐防水等基本功能外，現代化節能技術又賦予了屋頂面新的功能，即以綠化方式營造全新的屋頂整體環境效果.由綠色植物在屋頂面構筑綠色空間，借助于綠色植物能夠改善環境的天然特性，不僅降低熱量在屋頂的傳遞，又可以加快室內氣體的流通交換，改善氣體環境.

屋頂綠化技術的植草水泥以火山巖菜為骨料，配合一定的添加劑，調和硅酸鹽水泥，混合草種后成型種植.火山巖衆骨料內含植物生長所需養分，骨料質輕多孔，孔隙率高，氣體流通順暢，還可保持水土和營養，有利于種子的生長.植草水泥通過灌溉護理，兩三周便可長成一片綠蔭，種子成活率高，四季常青，全年綠化期可達十個月以上，青草壽命可達7～10年左右.此外，由于草坪草根深在混凝土縫隙中深藏，外部載荷對其影響較小，可以承受巨大的壓力而不損壞.

植草水泥在綠地廣場或屋頂的應用逐漸廣泛，屋頂綠化技術的節能減排優勢也逐漸顯現出來.根據測試結果，使用了屋頂綠化技術后室內氣溫普遍降低3-5攝氏度，空氣的流通量增加也較為明顯，PM2.5等顆粒物也有一定程度的降低.屋頂綠化技術可以在夏季降低空調的使用率，顯著節約能源.由于新型植草水泥不需要在建筑物屋頂堆積土壤，所以它不僅可以綠化屋頂，還可以在建筑垂直立面上進行鋪設，這樣就增加了建筑物綠化效果的立體感，增強外墻的保溫隔熱效果，顯著改善室內空氣流通環境，營造全方位的綠色氛圍.

3　太陽能應用新技術

太陽能作為一種可再生資源，取之不盡用之不竭，大力開發太陽能資源對實現節能減排具有重大意義.被動式采暖、窗的集熱采光和屋面太陽能利用是工民建太陽能利用的主要方面.工民建施工過程中，合理反射幕墻光線，將自然光引進室內，有效利用自然光線的柔和特征，不僅可以減輕陽光直射的傷害，又可以降低照明用電帶來的費用.工民建的屋頂可以架設太陽能熱水器，進行集熱供暖，窗戶可以配合太陽光的入射方向，選擇引入光線和阻擋光線，靈活利用自然光.通常，工民建筑物要同時考慮保溫隔熱、通風換氣和遮陽等因素，因此夏季要有適當的措施進行遮陽，并借助建筑物結構自行降溫和通風；冬季可以很好的采光，提高室內溫度，降低空氣相對濕度.

3.1被動式采暖

利用冬季太陽直射南半球，太陽高度角低的特點，通過建筑自身的構架特點收集光線、儲存熱量和向室內空間釋放熱量的一整套采暖系統稱為被動太陽能采暖.該方法在建設中就將太陽能的利用考慮在內，使得房屋建設和太陽能利用有機結合，具有顯著的節能效益.依照獲取太陽能方式的不同，被動式太陽能采暖系統可分為直接受益式、間接附加式和Trombe Wall式三種[3].

直接受益式是指室內構件將透過窗戶進入房間的太陽光進行吸收，當室內氣溫低于構件時，這些構件就將吸收的熱量釋放出來，利用熱輻射使整個房間的溫度上升，達到采暖效果.室內的地板、墻面和家具等都是吸收熱量的構件，這種方法無需額外設施就可以完成熱量的收集和釋放.該方式構造簡單，房間升溫較快，投資少管理方便，易于推廣和應用.

間接附加式是在建筑南側附加陽光間，陽光間南側安裝大面積玻璃來收集太陽光，利用太陽能對陽光間的空氣進行加熱，陽光間的熱量通過通風口傳遞到相鄰房間，從而達到熱交換傳遞采暖的目的.陽光間作為收集和散布熱量的中轉站，對熱量進行緩沖處理.夜晚可以關閉通風口來切斷熱量交換，從而減小室溫的波動.除了捕獲熱量外，陽光間還可以種植花草，供人們活動使用.

Trombe Wall式，Trombe Wall是一種利用建筑物外部圍護對熱量的吸收貯存來進行采暖的方式.該方式使用涂有深色涂層的墻面作為向陽集熱面，吸收太陽光的熱量并減少輻射散失熱，白天吸收熱量，夜晚時放出熱量，從而達到溫度調節作用.白天陽光照射時，集熱外墻面外玻璃或塑料薄片間的空氣層被加熱，通過通風口將熱量從集熱墻頂部流向室內進行供暖；夜晚時集熱墻體內部存貯的熱量通過通風口進入室內，開始釋放熱量對室內進行供暖.

3.2窗的集熱采光

窗戶是收集太陽光的重要部件，短波輻射作為高溫輻射源可以透過玻璃射入室內，熱量在室內通過各種設施的吸收從而成為新的低溫熱源.低溫熱源釋放出的長波輻射不能穿透玻璃而被阻擋在室內，使室內氣溫不斷上升，因此實現了保溫功能.窗的集熱采光方式分為直接受益窗和雙層玻璃加百葉窗兩種[4].

直接受益方式不需要額外的集熱設施，構造方式簡單易于實施，與建筑物結構相似，施工建設靈活方便.落地窗模式是將門與陽臺向南面的窗戶改為一體化的落地窗，增大透熱的面積，淺陽臺可以使房間充分接收到太陽輻射而直接得到熱量.低窗臺模式的設置是將窗臺、窗戶、上檐的空間圍合，立面造型豐富，結構設置簡單.冬季可以將更多的輻射引入室內，夏季可以利用上檐將強烈的太陽輻射遮擋在室外.

雙層玻璃加百葉窗方式是在雙層玻璃中間增設威尼斯窗鏡，該鏡是弧形反射鏡，可以有效聚集太陽光，提高太陽能的收集率.玻璃外安裝了百葉窗，可以靈活調節角度，冬季可以反射引入需要的陽光，夏季可以反射陽光到室外.此外，百葉寬度為百葉間距的2倍，以保證采光效果.

3.3屋面集熱

屋面集熱系統可以緊貼在屋頂上，還可以選擇架空安置，不影響建筑物的側立面.屋頂面日照條件好，接收到的太陽光照持續且穩定，不容易受到周圍環境遮擋影響，這為屋面集熱提供特有的優勢.如今，太陽能熱水系統已經走進千家萬戶，在農村地區也發展迅速，成為太陽能技術應用最成功的途徑.

圖2　太陽能集熱器在建筑屋面上的安裝示意圖

如圖2所示，表示太陽能集熱器安裝在具有一定坡度的建筑屋面上的情況.分為結構層、防水層、保溫層、集熱器、熱風通道、采光保溫蓋板幾層組成.該方式是在有防水處理的屋面上鋪設具有防滲功能的隔熱保溫層，其上再安裝太陽能集熱器的集熱部件，頂部架設采光保溫蓋板.

這種安裝方式利用了整體集熱器的大面積吸熱特點，降低了成本，還提高了屋面面積利用率，提高了單位面積發熱量，降低了后期維護頻次和難度.太陽能與工民建筑物的一體化設計較為復雜，需要兼顧和協調的關鍵點較多.首先，建筑外觀設計和太陽能集熱器的搭配要符合建筑學美學原則，太陽能系統的嵌入不能顯得過分生硬，使系統與建筑美觀協調，實現相應的功能，達到真正的一體化；然后太陽能系統與建筑物的一體化不僅局限于屋頂面，還可以將其擴展到整個建筑外表面，在墻面、窗戶以及陽臺等可以接收到陽光照射的地方.

4　結語

節能建材新技術和太陽能應用新技術作為最主要的建筑節能新技術，在工民建施工建設中應該得到大力的推廣和應用.在不同地區的實際應用中，要結合當地的氣候環境特征，使節能技術與建筑設計和施工建設有機結合，并不斷創新出富有地域特色的節能技術，研發和應用新型節能建筑材料和工藝，適應科技進步和時代發展的潮流，推動建筑節能減排事業不斷向前發展.

參考文獻：

〔1〕蔣杰.基于新型節能建材的綠色建筑技術的經濟研究[D].西南交通大學,2014.

〔2〕王偉,楊豪中,陳媛.建筑節能技術在新農村建設中的應用分析與研究[J].西安建筑科技大學學報:自然科學版,2014(3):412-415.

〔3〕徐明磊.青島市居住建筑節能技術應用研究[D].天津大學,2006.

〔4〕顧放,王卉.天津地區居住建筑節能設計技術發展研究[J].建筑學報,2013(9):176-179.

收稿日期：2015-11-30

中圖分類號：TU201.5

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）01-0091-03