中國建筑節能關鍵技術應用與發展趨勢

尹婧

中國建筑節能關鍵技術應用與發展趨勢

尹婧

（紐約大學坦登工程學院，美國 紐約 112202）

運用文獻資料法、比較分析等研究方法，針對建筑節能關鍵技術中有關建筑圍護結構、建筑設備、采光照明及太陽能利用等方面的節能設計以及節能設備技術的應用現狀進行系統研究，進而探析BIM技術、新能源、建筑材料、規劃設計等在未來建筑節能技術應用領域的發展趨勢。

建筑節能；關鍵技術；太陽能；圍護結構

隨著中國經濟發展及建筑業行業的擴大，建筑能耗在國家總能耗中所占據的比例在逐年增長，目前建筑總能耗在社會終端能耗中約占20.7%，并且隨著人們生活水平的提高這個數值還在不斷增長。要緩解建筑高能耗的現狀，必須重視節能技術的發展，開發研究新型節能技術以減少能源的浪費，有效解決人類面臨的生存發展問題。本文著重從圍護結構、建筑設備和太陽能設備等關鍵技術的應用現狀進行系統研究，進而探析未來建筑節能技術的發展趨勢。

1 圍護結構節能技術的應用

建筑圍護結構的節能是建筑節能設計中非常重要的部分，圍護結構的能耗在建筑總能耗中約占70%，因此建筑圍護結構的節能設計對降低建筑能耗而言至關重要。

1.1 墻體節能技術的應用

墻體是圍護結構最為重要的部分，墻體的傳熱所造成的熱能損失占圍護結構的總能耗的25%，由此可見提高墻體保溫技術的重要性。目前較常見的墻體保溫技術有外墻外保溫技術、外墻內保溫技術及外墻夾心保溫技術。

1.1.1 外墻外保溫技術

外墻外保溫技術是通過在墻體外側布置保溫材料以增強墻體保溫性能。目前EPS板（可發性聚苯乙烯板）是應用較普遍的保溫材料，通常是將EPS板用聚合物水泥砂漿作為膠黏劑粘在外墻上，再在EPS板表面鋪設玻纖網后抹上聚合物水泥抹面膠漿，最后再涂抹飾面砂漿并貼上面磚。EPS板的導熱系數小、質量較輕且易于施工，因此在國內外的使用都十分普遍。EPS板保溫系統如圖1所示。

1.1.2 外墻內保溫技術

外墻內保溫技術是將保溫材料布置在墻體外側以提高墻體保溫性能的方法。在外墻內保溫工程施工過程中，通常選用傳熱系數較低且性能較好的材料如EPS板、石膏聚苯復合板、膨脹珍珠巖版等，向材料中添加水泥外加劑、高分子聚合物并結合合理的保溫設計方案，從結構上盡可能消除冷熱橋，加快升溫降溫的速度。通過保護層將冷熱橋阻斷從而減少氣體的流入，使室內熱環境達到一個穩定的狀態，以此達到節能的目的。

1—粘結層；2—EPS板；3—抗裂砂漿；4—網絡布或熱鋒鋼絲網；5—抗裂砂漿；6—面磚飾面。

1.1.3 外墻夾心保溫技術

外墻夾心保溫技術是在外墻片與內墻片之間用保溫材料進行填充從而保溫的技術。其中外墻片和內墻片的厚度分別為24 cm和12 cm，填充材料可選擇EPS板、XPS板或巖棉等。外墻夾心保溫技術有較好的防水性和防火性，且不受施工季節和條件的影響，但是存在較為嚴重的冷熱橋現象。

1.2 門窗節能技術的應用

門窗起著連接室內外熱量、光線和通風的重要作用，其在圍護結構總能耗中約占40%，門窗的節能技術主要有三個方面：控制窗墻比、采用高效節能玻璃和提高門窗的保溫性和氣密性。

1.2.1 控制窗墻比

窗墻比指建筑窗戶面積與該朝向建筑外墻面積的比值，需要綜合建筑所處地區氣候環境和窗戶朝向而確定。根據《民用建筑節能設計標準》規定，建筑各朝向的窗墻比應小于0.7，北向應小于0.45，南向應小于0.5，東、西向應小于0.3，天窗面積應小于屋頂面積的4%。

1.2.2 采用高效節能玻璃

low-e玻璃可降低門窗的太陽輻射，因為low-e玻璃表面鍍了一層對紅外線具有較高反射率的薄膜，這層薄膜可以在夏季阻擋大部分室外的遠紅外熱輻射，在冬季屋內的熱輻射也會被這層薄膜反射回室內，從而降低室內熱量的流失。

中空玻璃可以減少門窗傳熱量，在兩層玻璃間沖入干燥的惰性氣體并使其保持穩定的氣壓值，從而降低外窗的傳熱系數，改善其保溫隔熱性能。

1.2.3 提高門窗的保溫性和氣密性

為提高門窗的保溫性，可以在門和門框中間添加絕熱材料如巖棉或聚苯乙烯，將窗與窗框間的縫隙進行密封，另外在窗戶的保溫措施上除了可以增加玻璃的層數外，也可以選用塑鋼窗以避免冷橋現象。

提高門窗氣密性可以通過使用聚氨酯發泡材料填充在窗框與洞口的間隙中，也可使用發泡膠條在玻璃與窗框之間進行密封從而減少滲透量。同時，通過提升窗框材料的規格和組裝精確度提高窗戶密閉性也可以很好地增加窗戶氣密性，從而達到節能的目的。

1.3 屋面節能技術的應用

在圍護結構總能耗中，屋面的能耗約占其10%，屋面節能技術目前主要有蓄水屋面、綠化屋面和通風屋面三類。

1.3.1 蓄水屋面的應用

蓄水屋面節能技術是通過在屋面存蓄一定量的水，通過水的蒸發吸熱為屋面降溫的方法。但蓄水屋對防水要求較高，并且存在水源補給不及時的問題，因此這種節能技術使用率相對較低。

1.3.2 綠化屋面的應用

綠化屋面節能技術是目前應用較普遍的方法，它通常選用抗旱的草本或蕨類植物布置在屋面上以達到隔熱降溫的目的，在美化屋頂環境的同時降低建筑能耗。并且這些植物價格低廉又易于維護，是今后屋面節能技術發展的主要趨勢。

1.3.3 通風屋面的應用

通風屋面節能技術是較為傳統的屋面設計。在兩層屋面間存在一個間層，在風壓和熱壓的作用下間層的空氣被抽出從而為建筑隔熱。通風屋面節能技術具有構造簡單、價格低廉的優點，但是其隔熱效果要差于蓄水屋面和綠化屋面。

1.4 相變儲能建筑材料的應用

相變儲能建筑材料是由普通建筑材料與相變材料相結合而成的，這種材料能從環境中吸收或釋放熱能，具有較高熱容。低溫相變材料可用于蓄冷和跨季節蓄冷，中溫相變材料可用于提高房屋熱惰性，使室內溫度維持在一個穩定的區間，在保證室內人員的舒適度的同時降低空調能耗。

2 建筑設備節能技術的應用

2.1 空調系統節能技術的應用

空調能耗約占總能耗的50%，是建筑節能設計中需要重點研究的對象，因此發展空調節能技術，盡量降低運行能耗對建筑的節能起著十分重要的作用。

2.1.1 熱能再回收技術的應用

當空調為房間提供熱能時，由于用戶的個體差異和時間段的不同，會出現所需的熱能不同的情況，因此會導致提供的熱能無法充分利用而浪費。為避免這部分熱能的損失，可在空調的制冷機處安裝一個熱能回收裝置來回收余熱，從而達到節能的目的。

2.1.2 水源熱泵技術的應用

由于地下水的溫度常年維持在一個穩定的溫度，因此在夏季，水源熱泵技術利用地下水與空調冷卻水之間的溫差進行換熱，由此使冷卻水溫度降低為室內供冷。在冬季則是從地下水中吸收能量為室內供熱。水源熱泵運行穩定、效率高且有很好的節能效果，近年來被廣泛使用。

2.1.3 蓄冰空調技術的應用

蓄冰空調采用的是冰蓄冷技術，其工作原理是利用夜間低谷負荷電力制冰，將能量以冰的形式存蓄，到了白天再將冰用能量轉化裝置為空調系統供冷。冰蓄冷技術很大程度上均衡了電力負荷，提高了發電設備的利用率并降低了系統的運行費用，是一個一舉多得的節能技術。

2.1.4 變頻調速系統的應用

變頻調速系統是在不同時間不同要求下相應調節空調系統的冷量。在室內溫度達到舒適度時減少冷量的輸出，避免了夏季由于室內溫度過低而導致的能源浪費，由此達到節能的目的。相比于傳統的閥門調節，該技術在降低能耗的同時也減少了系統的折舊損耗。相關數據表明變頻調速系統在提高室內舒適度的同時可節約30%的能耗。

2.2 照明系統的應用

照明系統的能耗是建筑能耗中重要部分，在商用建筑中和住宅建筑中照明系統分別占到總能耗的30%和10%。照明系統不僅消耗了建筑內的部分電能也增加了房間的冷負荷，因此，提高照明系統的效率不僅可以減少電能消耗，也可以在夏季減少空調系統的冷負荷，有效節約能耗。

2.2.1 節能燈泡的應用

節能燈是由熒光燈和鎮流器組成，其尺寸與白熾燈相近，然而在同樣光能輸出的情況下節能燈的耗電量要遠遠低于白熾燈。在發光效率方面節能燈泡也具有明顯的優勢，白熾燈和熒光燈的發光效率約為10%和30%，而高效節能燈的發光效率可達到70%。由此可見，節能燈泡在提高室內照明質量的同時可以大幅度節約電能。

2.2.2 智能照明系統的應用

智能照明系統具有節能、管理方便的優勢，它不僅可以改善光環境，并且可以很大程度上延長燈具的壽命。通過照度傳感器和調光器的控制，更加合理利用照明以減少額外的損耗，十分有效地節約能源。

2.2.3 天然光源采光技術的應用

天然光是人們習慣的光源，在室內盡可能利用天然光作為光源不僅可以節約用電量，也可以提高室內的采光質量。現在各種新型的采光技術層出不窮，導光棱鏡窗、采光板、光導纖維等都是現在得到普遍應用的采光技術，這些技術利用光反射、折射、衍射的特性將室外自然光傳輸到室內需要光源的地方，降低了照明設備所造成的能源消耗。

3 太陽能設備的應用

在當今眾多可再生能源中，太陽能的應用較為廣泛和普及，它是自然界中最為豐富的可再生能源。對太陽能進行合理利用和開發并降低轉化的成本是建筑節能工作中的重點。太陽能設備的工作原理是把太陽能轉化成電能和熱能，進而將其用于采暖、照明等方面。

3.1 太陽能熱水器的應用

太陽能熱水器是眾多太陽能設備里比較常見的節能設備，它的類型很多且應用十分廣泛。在人們日常中最為常見的是平板熱水器，它一般被放置于屋頂供樓內用戶洗澡使用。太陽能熱水器技術的發展現如今已經十分成熟，在建筑設計時將太陽能設備與之相結合是今后研究的重要方向，前景十分廣闊。

3.2 太陽能供暖系統的應用

太陽能供暖系統大致可以分成兩種：主動式系統、被動式系統。主動式系統由集熱器、儲熱體、散熱器和管道組成，還需要配有水泵或風機等電動機械，因此投資較大，一般較少被采用。

被動式系統是將建筑物作為集熱器、儲熱器和散熱器對太陽能進行采集，主要分為間接得熱系統和直接得熱系統兩種。

3.2.1 間接得熱系統墻體的應用

間接得熱系統的墻體由熱惰性材料制成，在夏季則通過活動隔熱層和空氣循環層為室內進行降溫。在冬季則是利用墻體收集的太陽輻射熱作為室內供熱源為室內供暖。

間接得熱系統的墻體基本型式有：特朗博墻、充水墻、水墻等。這些方法的構造較為復雜，需不定時地打開通氣孔和隔熱層，使用較為煩瑣。

3.2.2 直接得熱系統的應用

直接得熱系統是通過在建筑與環境之間設置一個緩沖層，以減小天氣對建筑內環境的影響。現在應用較為普遍的有雙層玻璃幕墻系統，它在滿足室內自然光照和太陽能吸收的情況下可減少室內的熱損失并防止過度熱輻射。

在夏季，空氣腔中的氣體因受太陽輻射吸熱溫度升高而后上浮，由此排出室內熱空氣。在冬季則可打開遮陽裝置，通過吸收太陽輻射吸熱提高室內溫度。該系統具有優于雙層窗的隔熱、隔音的特性，并且還能將室內的能量進行回收，是非常實用的節能設施，目前應用領域也最為廣泛。

4 建筑節能技術發展趨勢

4.1 BIM技術的應用呈加速趨勢

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息模版技術，近年來在國內工程設計中得以廣泛應用和快速發展。設計人員利用BIM技術可以建立虛擬模型進行節能設計，例如在設計室內采光時可以非常直觀展現實體建筑完成后的節能效果，BIM技術對建筑節能技術的發展有重要意義。

4.2 新能源利用更趨廣泛

自然可循環新型能源的開發和使用可以很大程度上節約能源，實現建筑節能的目的。其中太陽能作為應用最廣且技術相對成熟的一種清潔能源，可在建筑施工及后期充分利用，將其轉化為建筑所需的能源。此外，也可以考慮充分利用風能以節約建筑能源。例如確保自然風在建筑中對流換氣，或是安裝風力發電設備，將風能轉化為建筑直接需要的能源。另外還可以在建筑中設計雨水收集裝置，用雨水對建筑內的植物進行灌溉，從而實現水資源的二次利用。

4.3 科學利用建筑材料

建筑材料是建筑工程中的基石，在節能建筑的設計中應盡量選擇節能高效的建筑材料，也可通過回收利用舊的建筑材料以提高材料的利用率。這樣不僅緩解了廢棄的建材可能造成的生態污染，也可以減少建材被浪費的情況。

4.4 合理的規劃設計

在對建筑進行設計和規劃時，建筑所處的地理環境、建筑朝向及外部形體都是需要重點考慮的因素。結合不同地區的實際環境及氣候特點，考慮通風采光等因素對建筑節能的影響，以此更好地實現建筑節能的效果。高溫地區的建筑要做好散熱和遮陽工作，寒冷地區的建筑要做好保溫工作，減少建筑能源的消耗。

5 結語

建筑節能對一個國家的發展而言起到至關重要的作用，它直接影響到國家的可持續發展、資源戰略、環境保護等諸多問題。隨著中國建筑行業的發展，中國的建筑能耗也在逐年上升，消耗了很大部分的社會能源。雖然近年來中國在建筑節能方面所做的許多工作都卓有成效，但在技術、理念和管理方面與發達國家相比仍然較為落后。建筑節能技術的發展需要國家的重視和建筑行業人員的共同努力，在設計施工時牢固節能的理念，研發出更多新型的節能材料和技術并不斷更新建筑節能標準。加快建筑節能技術的研究不僅可以利于建筑行業的發展，也有利于中國可持續發展的順利進行。

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TU201.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.22.003

2095－6835（2020）22－0006－04

尹婧（1997—），女，北京人，現在美國紐約大學坦登工程學院（New York University Tandon School of Engineering）攻讀機械工程專業碩士學位，主要從事建筑節能技術研究。

〔編輯：嚴麗琴〕