嚴寒地區公共建筑節能65%關鍵技術研究

王麗穎，牛雪柔，周廣忻

(長春工程學院建筑與設計學院，長春 130021)

?

嚴寒地區公共建筑節能65%關鍵技術研究

王麗穎，牛雪柔，周廣忻

(長春工程學院建筑與設計學院，長春 130021)

通過對公共建筑節能影響因素的分析，探討了建筑圍護結構墻體、地面、屋頂等部位保溫材料的選取及構造做法，提出了嚴寒地區公共建筑節能65%的關鍵技術。

公共建筑；建筑節能；圍護結構

0　引言

隨著社會的發展，城市化的步伐大大加快，公共建筑建筑節能的相關性問題已經越來越受到人們的重視。自2005年GB 50189—2005《公共建筑節能設計標準》頒布實施以來，對我國公共建筑節能設計起到了規范和約束的作用。節能設計規范的頒布，反映了我國建筑節能的發展軌跡。住房城鄉建設部于2012年6月組織修訂編制工作會議，并于2013年11月通過標準審查。在住房城鄉建設部發布的《關于進一步推進公共建筑節能工作的通知》中，倡導并正式提出了“十二五”期間我國公共建筑力爭實現單位面積能耗下降10%，大型公共建筑能耗降低15%的目標。本文主要針對公共建筑節能的現狀，開展對嚴寒地區公共建筑節能65%關鍵技術的研究與探索。

1　公共建筑節能的主要影響因素

1.1自然環境因素

溫度是建筑節能設計中重要的指標。在嚴寒地區，夏季太陽高度較大且日照時間長，氣溫較高，冬季太陽高度較低且日照時間短，氣溫偏低。影響溫度的因素除了日照還有自然風，對于溫度的把控應具體分析公共建筑的風環境，有效避免冬季冷風對建筑造成的熱損失。在嚴寒地區，冬季低溫會使一些建筑材料、結構甚至是設備受到損壞。當空氣濕度大時，空氣中或材料中的水分含量增大，會影響建筑材料的強度、耐久性和傳導系數等。在嚴寒地區，冬季室內外溫差較大，容易產生結露的現象，結露會導致墻壁發霉、發臭，甚至裂變。因此，需要采用高效率的保溫材料提高室內的溫度。

1.2建筑自身因素

1.2.1建筑布局

建筑宜采用南北朝向布置，避免東西朝向。南北向的建筑不僅可以取得高質量的太陽光，夏季還可利用夏季風對建筑進行散熱降溫，同時能有效降低西曬對建筑的影響。建筑宜建設在南低北高的地勢上，當建筑的北向有遮擋物時，可抵御冬季風的侵襲。在受到地形條件限制時，可利用種植樹木來對建筑的風環境進行改善。利用植物配合建筑布局不僅可以達到通風、節能的效果，選擇適宜當地氣候的植物還可起到美化環境的作用，改善建筑周圍的微氣候。另需注意的是，不應在山谷、洼地等處安置建筑，因為易出現冷空氣聚集在低洼地帶造成的氣溫低于地面上空氣溫度的現象。洼地建筑還不利于自然通風和采光。

1.2.2體形系數

體形系數往往反映出建筑形體的復雜程度，當體形系數過小，建筑會顯得過于呆板，增加平面布局的難度系數；體形系數過大，則單位建筑面積所對應的外表面積越大，外部圍護結構的傳熱損失越大。在GB 50189—2005《公共建筑節能設計標準》中第4.1.2條規定，位于嚴寒、寒冷地區的建筑，體形系數應小于或等于0.40。突破了限值則需按照圍護結構熱工性能的情況進行權衡判斷。建筑體型系數受到長、寬、高等諸多因素的制約影響，必須綜合考量，適當取舍，探尋最佳、最節能的體形系數。

1.2.3窗墻面積比

窗墻面積比是公共建筑節能設計中的重要指標，對建筑能耗有重要影響。門窗的能耗大約占建筑總能耗的57%左右，在夏季，窗墻比越大，采光率越高，空調的冷負荷就越大；在冬季，窗墻比越大，則室內接受太陽輻射越多，可彌補部分因窗墻比增大而產生的熱損耗。嚴寒地區窗墻比過大易導致熱量從門窗散失。應盡量選擇較好的朝向設置窗戶，保證高質量的陽光和夏季風的引入。

2　公共建筑節能65%技術措施

2.1外墻

2.1.1外保溫材料的選擇

復合墻體是嚴寒地區建筑物圍護結構節能保溫的必然選擇，共分為外墻內保溫、夾芯保溫、外墻外保溫3種形式，其中嚴寒地區主要選擇外墻外保溫。最新的防火規范中要求公共建筑的保溫層采用A級防火材料，現行市場上A級防火保溫材料都是無機保溫材料，其密度大、自重大，若大面積用作外墻保溫容易脫落，且保溫性能不如有機保溫材料。常用的保溫材料——EPS聚苯板、擠塑聚苯板、石墨聚苯板都是B級防火保溫材料，在嚴寒地區公共建筑中無法使用。現在市面上常用的A級保溫防火材料有4種，表1是對這4種材料的性能和優缺點的總結分析。

表1　4種A級防火保溫材料對比

2.1.2集成式中間夾芯保溫板

集成式建筑模式主要是研究采用鋼結構預制保溫板裝配式結構形式。公共建筑是人流比較集中的場所，因此，在墻體保溫材料上，必須采用A級防火材料，這種復合墻體構造可應用在嚴寒地區公共建筑的外墻上，保證了安裝時不會因為保溫材料過厚而出現連接不牢的弊端。保溫板由50厚火山灰混凝土，200厚EPS板保溫層，50厚火山灰混凝土組成。火山灰混凝土具有非常好的蓄熱功能，預制的夾芯保溫板具備A級防火等級防火性能優良，預制板可以在現場直接安裝。傳熱系數可達到0.17 W/(m2·K)，如果將預制夾芯板與其他保溫材料復合，可增加墻體的保溫效果，其傳熱系數可達到0.15 W/(m2·K)，能夠達到被動式建筑對墻體傳熱系數的要求。建筑采用預制夾芯板、鋼結構墻體，施工速度快、噪聲小、操作簡單、更加環保。

2.2門窗

隨著我國對建筑節能要求的提高，尤其在嚴寒、寒冷地區，建筑對門窗的要求也越來越嚴格，包括材料的選擇、門窗的性能參數以及門窗安裝的氣密性等方面。

2.2.1門窗材料的選取

門窗材料的選取影響著窗戶的傳熱系數、太陽的熱系數，窗戶的傳熱系數越大，則透過窗戶的能量損失就越大。隨著建筑材料的發展，窗戶材料也具有越來越多的選擇。較早時期，我國較多使用的窗戶種類有鋼窗、鋁合金窗、塑料窗、玻璃鋼窗等，這些材料都各有優勢。隨著節能觀念的深入人心和科研人員的不斷探索，具有節能優勢的窗戶材料越來越多。目前，可以用在節能門窗中的玻璃有：Low-e漫反射玻璃、中空玻璃、真空玻璃、夾層玻璃等。這些特種玻璃的光學特性、光線透過率均較好，其導熱系數低，具有優越的保溫隔熱性能、隔聲性能，同時還能夠防止結露，抵抗惡劣的氣候環境，具有耐高溫、耐低溫的特性。

2.2.2門窗型材

在我國嚴寒地區，傳統建筑中使用較多的是實木門窗，因其浪費大量的木材，逐漸被鋼門窗、鋁合金門窗所取代。目前在我國嚴寒地區使用最成熟的是PVC塑鋼復合門窗。在建筑門窗中選用性能優良的玻璃，同時不能忽略建筑門窗的支撐系統。門窗的支撐系統是由各種型材構成，型材種類有:木材、鋼材、鋁合金型材、PVC塑料型材、玻璃鋼型材等。嚴寒地區值得推廣的為復合型材。由兩種或兩種以上材料構成的型材，各種材料之間能夠優勢互補，其中鋼材和PVC塑料組合優勢最為明顯。在塑鋼復合型材中，金屬材料起到骨架支撐作用，塑料起到保溫隔熱的作用，而且能夠保護金屬骨架防止銹蝕。因此，復合型材能夠保證門窗具有很好的壽命，同時又有優異的保溫性能。

2.3地面

地面作為建筑結構的一部分，在對室內環境的維護中起到至關重要的作用。本文談到的地面節能優化既包括地板、地面的保溫性能，也包括通過一些地面節能優化的技術手段改善室內的熱環境和減少能量的消耗。

我國嚴寒地區冬季地面表面溫度較低，尤其是靠近外墻附近的地面，常會因為低溫而產生結露的現象，對房間的美觀性和使用功能都產生了極大的影響，應做成保溫地面，甚至做成采暖地面的形式。根據對公共建筑節能率提高到65%的要求，對公共建筑節能標準和使用經驗，我們對嚴寒地區擬定了建筑地面熱阻的參考值。我們對嚴寒地區擬定了建筑地面熱阻值在1.8～2.0之間，對周邊地面和非周邊地面的熱阻值要求有所不同，對于周邊地面要求的熱阻值更高，因此，當進行地面的節能優化時，應加強對周邊地面的保溫做法。對嚴寒地區的非采暖型地面，僅需要做好保溫措施，確保達到規定的地面熱阻值即可。地面保溫主要依靠增設保溫層來實現，地面保溫選用的保溫材料需具有較高的密度和較大的抗壓強度，必要時可使用半剛性或剛性的保溫材料。其剖面構造通常由絕熱層、加熱層、填充層(輻射層)和面層組成，樓面通常處于室內環境，無需進行節能處理，但對于出挑部分或裸露于室外環境的樓板，在我國嚴寒地區必須做好保溫節能處理。

2.4屋面

屋頂作為建筑物的頂蓋，除了建筑造型，還具有承重、防水、保溫、隔熱等作用。例如，在南方濕熱的地方降水量較大，為了方便排水和遮陽，多選用坡度較大的坡屋頂。而在寒冷干旱的地區，降水多以降雪的形式出現，而降雪會加重屋頂的負擔，因此，屋頂形式的影響因素更為復雜。對于保溫型屋頂，常用的有正置式屋頂和倒置式屋頂。

3　太陽能和空氣源熱泵聯合采暖系統

在公共建筑中可采用太陽能和空氣源熱泵聯合采暖系統，其由太陽能集熱器、空氣源熱泵、儲熱水箱、循環水泵、散熱末端(散熱器、地熱等)以及控制系統組成。太陽能是指將太陽能通過集熱器(如平板太陽能集熱板、真空太陽能管、太陽能熱管等吸收太陽能的收集設備)把太陽能轉換成方便使用的熱水，通過熱水輸送到發熱末端(如地熱、散熱器、毛細輻射板等)提供房間采暖的系統。太陽能作為清潔和可再生的能源，在能源日益短缺的今天，有著非常廣闊的應用前景。在寒冷地區利用太陽能技術不僅能有效緩解生活用能緊張，還能改善能源結構、提高生活質量和減少環境污染。由于太陽能的輻射在寒冷地區時空分布不均勻，冬季日照率較低，因此，采用空氣源熱泵輔助太陽能是必要的手段之一。空氣源熱泵是吸收空氣中的低溫熱能，經過壓縮機壓縮后轉化為高溫熱能，加熱水溫。

工作原理是：太陽能在陽光較好的白天，充分利用光熱作用，吸收太陽能，將熱水加熱并儲備在儲水箱中。在夜間和天氣不具備使用太陽能條件的時候，啟動空氣源熱泵，加熱水箱中的熱水，水箱溫度在達到設定值后熱泵自動停止工作。儲水箱中的水由另外一套設備向外輸送熱量到室內，通過地熱或毛細輻射板進行散熱。太陽能與水箱之間、空氣源熱泵與水箱之間、水箱與室內散熱末端之間都有循環水泵，能夠實現自動切換或起停。

4　結語

我國的建筑節能步伐正在不斷加快，建筑節能工作的重心也由住宅擴展到公共建筑。研究意義在于順應公共建筑節能的發展趨勢，引導我國公共建筑按新觀念、新技術、新方法和新材料建造節能房屋、生態房屋。改變現有條件，使使用者更真實真切地體會到了節能所帶來的好處。

[1] 陳保建，李昊，陸宇.建筑的全過程節能初探[J].安徽建筑，2008(4)：47-49.

[2] 菱美.太陽能系統在建筑節能中的一體化應用[J].住宅產業，2008(8):77-81.

[3] 劉學來，李永安.居住建筑外墻保溫作法及經濟分析[J].建筑技術，2005，36(10):731-733.

[4] 韓愛興.中國建筑節能政策[J].中國能源，1999(2):23-25.

[5] 中國建筑科學研究院.GB50189—2015公共建筑節能設計標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[6] 金占勇，武涌，劉長濱.基于外部性分析的北方供暖地區既有居住建筑節能改造經濟激勵政策設計[J].暖通空調，2007，37(9):14-19.

[7] 宋蕾.略論可持續發展中的環境成本[J].云南環境科學，2000，19(1):7-8.

[8] 劉偉.綠色建筑生命周期成本分析研究[D].重慶：重慶大學，2006.

[9] 仇保興.中國建筑節能主要障礙與基本對策[J].住宅產業，2009(4):12-14.

[10] 蔡偉光.中國建筑能耗影響因素分析模型與實證研究[D].重慶：重慶大學，2011.

The Study on 65% of Key Technology on Energy Saving for Public Buildings in Severe Cold Areas

WANG Li-ying，etc.

(SchoolofArchitecture&Design，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130021，China)

Through the analysis of the factors affecting the energy efficiency of public buildings，this paper has discusses the thermal insulation materials selection and construction method of envelope structure such as walls，floors，and roofs of public buildings，and puts forward 65% key technology on energy saving for public buildings in severe cold areas.

public building；building energy efficiency；envelope structure

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.012

2016-06-30

吉林省科技發展計劃項目(201403005SF)

王麗穎(1962-)，女(漢)，吉林通榆，教授

主要研究建筑設計。

TU201.5

A

1009-8984(2016)03-0051-04