圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)淺談

余奉卓 曹雙華 楊 兵 呂 靜

上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院

1 引言

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2015年在我國(guó)的能源消費(fèi)中，建筑能源消費(fèi)總量為8.57億t標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的20%。當(dāng)今城市化發(fā)展的進(jìn)程越來(lái)越快，全國(guó)建筑能耗總量每年以5%的增速增加[1]，建筑節(jié)能問(wèn)題迫在眉睫。其中，通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失占建筑總損失的70%～80%，因此，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能將是建筑節(jié)能的重要途徑之一。圍護(hù)結(jié)構(gòu)是指建筑物及房間各面的圍護(hù)物，通常情況下，是指外墻、屋面、窗戶、地面等。外墻是圍護(hù)建筑物，使之形成室內(nèi)、室外的構(gòu)件；外門窗是聯(lián)系室內(nèi)外空間的屏障，在室外環(huán)境良好時(shí)建立室內(nèi)外的聯(lián)系，在環(huán)境惡劣時(shí)阻斷其聯(lián)系，保障室內(nèi)環(huán)境。

在我國(guó)每年近20億m2的竣工房屋面積中，97%是高能耗建筑，節(jié)能建筑只有3%[2]，建筑節(jié)能水平相對(duì)滯后。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)多數(shù)地區(qū)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能，差距明顯：外窗傳熱系數(shù)為發(fā)達(dá)國(guó)家2～3倍，外墻的傳熱系數(shù)為3～5倍，屋面為3～6倍，門窗的空氣滲透為3～6倍[3]，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能水平有較大的提升空間。

2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能是開(kāi)發(fā)高效經(jīng)濟(jì)的保溫、隔熱材料和先進(jìn)的構(gòu)造技術(shù)，以提高結(jié)構(gòu)的保溫、隔熱性能和門窗的氣密性能等，從而改善建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能，達(dá)到隔熱保溫的效果（夏季防止熱量進(jìn)入室內(nèi)，冬季阻止室內(nèi)熱量散出室外），減少室內(nèi)采暖和制冷設(shè)備的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的最終目標(biāo)。本文分別就墻體節(jié)能技術(shù)、門窗節(jié)能措施、屋面隔熱保溫技術(shù)與被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑四個(gè)方面進(jìn)行介紹。

2.1 墻體節(jié)能技術(shù)

墻體是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，墻體的傳熱損失約占圍護(hù)結(jié)構(gòu)的25%，因此墻體的節(jié)能措施十分重要。目前主要是提高墻體的保溫隔熱性能來(lái)達(dá)到節(jié)能目的。

外墻保溫按材料組成的不同可以分為兩類，墻體自保溫技術(shù)和復(fù)合墻體保溫技術(shù)。墻體自保溫是由單一的低熱導(dǎo)率材料構(gòu)成，無(wú)外保溫層，僅依靠材料自身的性能達(dá)到節(jié)能的技術(shù)。墻體自保溫技術(shù)所用的材料目前有：空芯磚、混凝土承重空芯砌塊和加氣混凝土砌塊等。復(fù)合墻體技術(shù)目前可以分為外墻外保溫、外墻內(nèi)保溫和外墻夾心保溫3類，其中膨脹聚苯板（EPS）薄抹灰外保溫是目前應(yīng)用最廣泛的保溫技術(shù)。

外墻隔熱技術(shù)有通風(fēng)外墻，管道嵌入式墻體等。通風(fēng)外墻的通風(fēng)形式有自然通風(fēng)，主動(dòng)通風(fēng)。Patania等對(duì)通風(fēng)外墻進(jìn)行完整的熱流體動(dòng)態(tài)分析，利用FLUENT對(duì)三種不同材料外飾面板的通風(fēng)外墻進(jìn)行數(shù)值模擬與比較研究，提出了在強(qiáng)對(duì)流的情況下最適合的通風(fēng)外墻[4]；劉琳等采用CFD模擬，分析了利用室內(nèi)排風(fēng)的主動(dòng)通風(fēng)式外墻的傳熱過(guò)程，比較研究了不同空氣間層通風(fēng)量與外墻面溫度對(duì)墻體隔熱性能的影響，結(jié)果表明該墻體具有很好的隔熱特性[5]。

沈翀等提出了嵌入冷卻管道的外墻，采用綜合數(shù)值模式模擬夏季通過(guò)管道嵌入式外墻的共軛傳熱，分析在中國(guó)三個(gè)典型城市不同朝向的表現(xiàn)，結(jié)果表明此結(jié)構(gòu)可以降低傳熱，提高舒適性[6]。

2.2 門窗節(jié)能措施

外窗的能耗占圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總能耗的40%至50%，因此外窗的節(jié)能顯得格外重要。對(duì)外窗的節(jié)能主要從三個(gè)方面入手：控制滲透量，傳熱量和太陽(yáng)輻射。

控制滲透量，改善外窗的密閉性。可以使用聚氨酯發(fā)泡材料填充窗框與洞口的空隙；使用發(fā)泡膠條在玻璃與窗框之間的密封；提高窗框材料的規(guī)格精確度和和組裝精確度等。

減少傳熱量，提高外窗的保溫性。可以采用中空玻璃：由兩層玻璃組成，中間充入干燥的惰性氣體，如氬氣，并使其內(nèi)部保持一個(gè)穩(wěn)定合理的氣壓，達(dá)到傳熱系數(shù)低，保溫隔熱性能良好的目的。

采用low-e玻璃來(lái)減少太陽(yáng)的輻射。low-e玻璃是在玻璃表面鍍一層表面輻射率極低的薄膜，對(duì)紅外線具有很高的反射率。夏季時(shí)，阻擋室外的遠(yuǎn)紅外熱輻射進(jìn)入室內(nèi)，減低室內(nèi)的冷負(fù)荷。冬季時(shí)，將室內(nèi)的熱輻射反射回屋內(nèi)，以降低熱量散失。

結(jié)合門窗的氣密性、保溫性和減少輻射等性能，節(jié)能門窗與遮陽(yáng)一體化可以是節(jié)能門窗的一個(gè)發(fā)展方向。夏磊等提出了內(nèi)置可調(diào)遮陽(yáng)膜的中空玻璃窗，論述了該中空玻璃窗的構(gòu)造形式、工作原理和控制模式[7]；蓋凱凱研究了LOW-E真空中空復(fù)合玻璃，用Design Builder軟件計(jì)算采用不同組合玻璃時(shí)的建筑全年的能耗，證明了此復(fù)合玻璃的優(yōu)勢(shì)[8]。

2.3 屋面隔熱保溫技術(shù)

屋面能耗在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總能耗中占比8%～10%，它的保溫隔熱對(duì)建筑的節(jié)能也有著重要的意義。蓄水屋面、綠化屋面與通風(fēng)屋面是屋面隔熱節(jié)能技術(shù)中具有廣闊發(fā)展前景的技術(shù)，因此針對(duì)這三類屋面提出相應(yīng)的優(yōu)化方法。

蓄水屋面:在屋面上蓄積一定高度的水，太陽(yáng)輻射因?yàn)樗恼舭l(fā)吸熱而消耗，從而降低屋面的溫度，減少傳熱量。從磚蓄水深度方面來(lái)研究蓄水屋面的隔熱保溫性能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析三種屋面溫度的變化規(guī)律及特征，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水深為8cm時(shí)性能最佳[9]；蓄水屋面存在著補(bǔ)水，夏季夜晚降溫慢和水質(zhì)變壞的問(wèn)題，一種結(jié)合了遮擋、綠化和蒸發(fā)冷卻并帶有通氣孔的新型蓄水屋面漂浮蓋板可以解決此類問(wèn)題。同時(shí)為了利用雨水，提出把蓄水屋面水池與中水系統(tǒng)相連取代溢流管的設(shè)計(jì)方法[10]。

綠化屋面：主要由植被層，保溫層，防水層等組成。屋面的種植環(huán)境特殊，抗旱、耐瘠薄的植物是綠化屋面的首選，而佛甲草綠化屋面隔熱性能良好、內(nèi)表面溫度波幅較小，可以將此類綠化屋面進(jìn)行推廣[11]；綠化屋面的防水問(wèn)題復(fù)雜，運(yùn)營(yíng)維護(hù)投入大，采用硫化型橡膠防水卷材（三元乙丙、EPDM等），以及剛性防水與柔性防水相結(jié)合的防水方案，可以解決防水層滲漏的問(wèn)題[12]。

通風(fēng)屋面：帶有通風(fēng)空氣間層的雙層屋面結(jié)構(gòu)形式，利用風(fēng)壓和熱壓將間層的空氣帶走，減少傳入室內(nèi)的熱量，達(dá)到隔熱目的。增強(qiáng)空氣間層的隔熱性能是通風(fēng)屋面可以優(yōu)化的一個(gè)方向。采用在平屋頂通風(fēng)道上表面或下表面貼鋁箔的措施，利用CFD針對(duì)不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)鋁箔在間層中任何位置放置都可以提高屋頂?shù)母魺崮芰13]；在通風(fēng)間層增加低發(fā)射率的金屬片，進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得出雙層屋頂最佳效率的參數(shù)是：0.15反射率的金屬片，5cm的保溫層，10cm寬的腔體和超過(guò)30°的傾角[14]。

近年來(lái)，共享經(jīng)濟(jì)十分流行，共享單車的出現(xiàn)有效打通了城市交通最后一公里，給市民的出行帶來(lái)了極大便利，得到了廣大市民的認(rèn)可，但隨之而來(lái)的涉自行車事故數(shù)量不斷攀升，問(wèn)題日益凸顯，給城市道路交通管理帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。我們統(tǒng)計(jì)單車事故得出，事故發(fā)生造成傷亡一大原因就是，騎行者沒(méi)有任何安全措施的保護(hù)。由此可見(jiàn)，騎行佩戴頭盔的重要性。而計(jì)劃在新領(lǐng)域推動(dòng)本來(lái)普及度就不高的騎行頭盔，產(chǎn)品本身則顯得至關(guān)重要。

3 被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑

除了以上相關(guān)技術(shù)，被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑也有著廣闊應(yīng)用的空間。被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑不使用機(jī)械設(shè)備,只依靠加強(qiáng)建筑物的遮擋功能,通過(guò)建筑上的方法,達(dá)到隔熱保溫，使室內(nèi)環(huán)境舒適的環(huán)保型建筑[15]。該技術(shù)是在20世紀(jì)80年代德國(guó)低能耗建筑的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，也稱為“被動(dòng)房”。它構(gòu)造簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)越，運(yùn)行費(fèi)用較低，主要有直接受益式、附加陽(yáng)光間式和蓄熱集熱墻式三類。

直接受益式的設(shè)計(jì)比較普遍，與普通住房建筑幾乎沒(méi)有差別。它主要是通過(guò)較大面積的南向玻璃窗,使太陽(yáng)射入房間內(nèi)的熱量盡可能的增大，室內(nèi)溫度升高。采用這種方式的建筑，窗戶的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。李靜等運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，對(duì)昆明地區(qū)某直接受益式太陽(yáng)房的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，得出結(jié)論：改變南面玻璃幕墻的窗墻比可以改變室內(nèi)溫度分布不均的情況[16]；于濤等運(yùn)用DeST-h對(duì)北京地區(qū)的農(nóng)宅模擬，結(jié)果表明：直接受益式太陽(yáng)房南墻窗墻比以0.3～0.5最佳，玻璃選擇普通6mm的單層玻璃并增加窗簾保溫，圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)外保溫[17]。

附加陽(yáng)光間式設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)是在房屋南側(cè)設(shè)立陽(yáng)光間，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的全部或部分由玻璃等透光材料構(gòu)成，陽(yáng)光間與房間之間的公共墻上開(kāi)有門、窗等孔洞。陽(yáng)光間得到陽(yáng)光照射被加熱，通過(guò)空氣對(duì)流將熱量傳送到建筑主體。李恩等以拉薩地區(qū)附加陽(yáng)光間為基礎(chǔ)建立模型，研究結(jié)果表明：陽(yáng)光間進(jìn)深1.2m為佳、外窗不適用單玻璃、外墻應(yīng)有保溫設(shè)計(jì)[18]；陳明東等將附加陽(yáng)光間與節(jié)能火墻耦合，得出耦合房屋節(jié)能率為72.8%，證明了可行性[19]。

集熱蓄熱墻式設(shè)計(jì)主要是利用南向蓄熱墻的蓄熱能力和延遲傳熱的性能吸收太陽(yáng)輻射，將熱量傳送至建筑空間。王臣臣等提出在該墻體空氣夾層中懸掛百葉窗簾的百葉型太陽(yáng)能集熱墻，測(cè)試了不同葉片角度下集熱蓄熱墻對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，葉片角度為45°時(shí)，集熱效果最好[20]；莊智等利用模型計(jì)算，得出適當(dāng)增大體型比、百葉角度和風(fēng)口尺寸有助于提高新型百葉太陽(yáng)集熱器的熱性能的結(jié)論[21]。

4 相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

以上對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)和被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑進(jìn)行了介紹，并論述了相應(yīng)的優(yōu)化方法，隨著建筑節(jié)能發(fā)展的日趨成熟，提出相關(guān)技術(shù)可以考慮的發(fā)展方向。

（1）外墻外保溫技術(shù)目前在大規(guī)模推廣，相應(yīng)缺點(diǎn)隨之暴露：初期投資較高，耐火性、耐久性差。而自保溫技術(shù)避免了以上問(wèn)題，同時(shí)考慮將自保溫技術(shù)與隔熱技術(shù)相結(jié)合是節(jié)能墻體的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)；

（3）屋面節(jié)能可以將隔熱技術(shù)相互結(jié)合，如將自然通風(fēng)屋面與綠化屋面相結(jié)合、在通風(fēng)屋面安置蓄水塊等，是未來(lái)屋面節(jié)能的一個(gè)發(fā)展方向；

（4）被動(dòng)式建筑發(fā)展的核心問(wèn)題是通過(guò)合理的布局，有效利用自然光和自然通風(fēng)，采用太陽(yáng)能技術(shù)和室內(nèi)非供暖熱源的熱等被動(dòng)式技術(shù)手段，解決夏季室內(nèi)過(guò)熱和室內(nèi)熱環(huán)境舒適性等問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

建筑節(jié)能直接關(guān)系到國(guó)家的資源戰(zhàn)略、可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)，同時(shí)可以擴(kuò)大內(nèi)需、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、改善人民生活水平。本文針對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能技術(shù)，從墻體、門窗、屋面方面進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述并提出相應(yīng)的優(yōu)化方法，隨著節(jié)能技術(shù)的逐步成熟和工程實(shí)踐中經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，對(duì)建筑的可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)都有著極為重要的意義。