低碳經濟背景下綠色建筑節能的發展方向及技術措施

徐 蛟

(中交一公局集團建筑工程有限公司 北京 100024)

1 低碳經濟背景下綠色建筑的節能發展方向

1.1 能耗模擬

建筑節能設計是一項專業性較強的活動,涉及到建筑布局、朝向、當地氣候條件等多項因素。在傳統設計模式下,憑借設計人員工作經驗來制定設計方案、論證節能設計措施可行性,難免會出現錯誤決策問題,無法取得理想的建筑節能效果,或是設計方案實施情況和預期要求產生明顯出入。而隨著信息化時代的到來,BIM 等信息化工具在建筑設計領域中得到廣泛應用,可以替代人工完成信息收集等基礎性工作,并通過模擬試驗手段來真實反映設計成果,幫助設計人員在初步設計方案中找出不合理問題、明確深化設計方向。

1.2 強化熱工性能

在建筑物使用期間,室內外環境熱量會通過圍護結構體系中的外墻、門窗、屋面等部位進行交換,在寒冷冬季導致室內熱量持續逸散,在炎熱夏季導致室內冷量向外滲透。為滿足建筑物使用需求、營造恒定的室內環境條件,需要長時間開啟空調系統或是暖通系統,由此產生高昂的用電成本[1]。因此,為降低建筑總體能耗水平,減少因熱損失而產生的能耗量,建筑企業需要把強化熱工性能作為節能發展方向,具體可采取選用新型窗戶、鋪設外墻與屋面保溫層等措施,增強圍護結構熱工性能,阻隔室內外熱量交換,最終通過維持室內恒溫狀態來減少空調系統冷負荷量、暖通系統熱負荷量(見圖1)。

圖1 新型中空百葉窗

1.3 利用可再生能源

在早期建筑工程,主要依賴外部能源來維持建筑運行,通過市電向建筑用能設施提供電源。一方面,市電網與建筑物用能設施的間隔距離較遠,電能在傳輸期間會產生一定比例的線損量,造成能源浪費。另一方面,我國當前主要采取火力發電方式,持續消耗煤炭等不可再生的化石能源進行發電,在建筑物投運使用期間,會間接造成加劇化石能源供需矛盾、破壞生態環境的后果,違背了可持續發展理念。因此,建筑企業需要把利用可再生能源作為建筑節能發展方向,充分利用建筑物周邊環境中分布的風能、地熱能、太陽能等自然能源,由可再生能源逐漸取代傳統電能,將打造“近零能耗建筑”、“零能耗建筑”作為最終目標(見圖2)。如此,建筑物在全壽命周期內,可以降低對市電網的依賴程度,把總體使用成本、碳排放量控制在較低程度。

圖2 太陽能零耗能建筑

2 低碳經濟背景下綠色建筑的節能技術措施

2.1 BIM 節能技術

在建筑設計階段,需要應用到BIM 技術,在軟件內導入設計方案與工程資料來搭建能耗模擬模型,設定冬季室溫、夏季室溫、圍護結構材料熱工特性、配套系統運行負荷及時長等關鍵參數。隨后,開展模擬試驗,模擬建筑物在不同假定條件下的運行過程,統計空調通風、暖通、照明、電梯等系統的運行能耗,根據統計結果來判斷建筑節能系數是否達到設計要求,如果未達到要求則對高能耗部位的設計方案進行優化改進,如在圍護結構熱損失量超標時著手更換圍護結構材料材質,在照明系統能耗超標時更換高效光源和改善室內自然采光條件。最后,待方案深化設計完畢后,再把方案導入軟件開展模擬試驗,直至能耗統計結果完全達到設計要求為止[2]。

此外,設計人員還可以應用BIM 技術開展專項模擬試驗,用于反映建筑在單個方面的節能設計效果,并判斷建筑是否存在尚待挖掘的節能潛力(見圖3)。例如,開展日照模擬試驗,在模型內加載當地地理環境與設定日照標準,模擬建筑物在使用期間的當地日照情況、所接收太陽能量,掌握建筑物自然采光條件,以及日照情況對建筑物室內溫度變化造成的具體影響。后續,調整布局朝向來改善自然采光條件、縮短照明系統運行時長。以及調整圍護結構保溫構造形式、增加保溫層厚度、選用新型鍍膜玻璃和設置遮陽設施,消除太陽光照射對室內溫度造成的影響。

圖3 場地日照分析

2.2 圍護結構節能技術

第一,對于外墻部位,具體采取墻體保溫、預留空氣間層兩項節能措施。其中,墻體保溫是在外墻的內側或是外側加鋪保溫層,或是在內外墻葉中間部位設置保溫芯板,利用保溫層來阻隔室內外熱量交換,通過減少熱損失量來降低空調與暖通系統的能耗水平,優先采取外保溫或是夾芯保溫形式,不推薦采取內保溫形式,這會占用室內空間。預留空氣間層是把建筑外墻分為雙層表皮結構,在內外側表皮間隔部位預留空氣間層,空氣間層保持通風狀態。在炎熱夏季開啟通風口,外部新鮮冷空氣通過空氣間層吹入室內,起到降低室內溫度、改善空氣質量的作用,可以減輕空調通風系統的運行負擔。而在寒冷冬季,則關閉通風口,并利用空氣間層來增強外墻熱工性能,進一步減小熱損失量[3]。

第二,對于門窗部位,具體采取控制窗墻比、保溫隔熱、遮陽防曬三項節能措施。其中,控制窗墻比是遵循相關規范與結合工程情況來計算最佳窗墻比,由于窗戶熱阻較小,窗墻比過大會削弱圍護結構熱工性能,窗墻比過小則會影響到室內自然采光與通風條件。例如,對于住宅建筑,遵循GB50352-2019 民用建筑設計規范。保溫隔熱是選用具備阻擋紅外線功能的鍍膜玻璃作為外窗,或是選用LOW-E 雙層中空玻璃作為外窗,阻擋室內外熱量交換,減少室內太陽光攜帶的熱輻射量。遮陽防曬是在外窗內側或是外側安裝遮陽百葉,炎熱夏季開啟遮陽百葉來阻隔太陽光輻射熱量進入室內,寒冷冬季則關閉遮陽百葉,起到改善室內自然采光條件、利用太陽光提高室內溫度的效果。

第三,對于屋面部位,具體采取保溫屋面、蓄水屋面、綠化屋面三項節能措施,這也是屋面構造的主要形式。其中,保溫屋面是在屋面防水層上方加鋪保溫層,起到保護防水層、阻隔室內外熱量交換的作用,主要使用聚乙烯泡沫塑料作為保溫材料。蓄水屋面是在防水層上方蓄水,采取普通蓄水或是深蓄水方式,在水體流動、水分蒸發期間帶走熱量、調節屋面溫度。綠化屋面是在屋面上方鋪設種植土層與栽植綠化植物,憑借植物枝葉來遮擋太陽光照射屋面,并在植物生長期間營造微氣候、調節屋面溫度。同時,綠化屋面還具備防噪功能,避免室外噪音對使用者的日常生活造成干擾。

2.3 光伏建筑一體化技術

第一,光伏幕墻。以玻璃幕墻作為建筑圍護結構形式,并在玻璃面板內部嵌入PVC 膠片電池片,通過導線連通光伏組件與轉換器等配套裝置。在建筑物使用期間,光伏組件持續把玻璃幕墻上照射的太陽光輻射能量轉換為直流電,再轉換為交流電供給至供配電系統。此類光伏建筑有著無需占用額外空間、外立面造型美觀、光伏組件覆蓋面積大的優勢,但系統發電容量及輸出功率略有不足[4]。

第二,光伏屋面。在建筑屋面 部位鋪設光伏屋面瓦,瓦片內置光伏電池,持續把太陽光輻射熱量轉換為電能,或是搭設支架結構與擺放光伏組件。根據應用情況來看,此類光伏建筑有著系統結構簡單、造價低廉、發電容量大、發電效果穩定的優勢,光伏區域基本不會受到周邊建筑物遮擋,但光伏組件裸露在外,容易出現故障問題。

第三,光伏采光頂。在屋頂部位安裝半透明光伏組件來替代傳統的屋面構造形式,取消原有的防水層、保溫層、混凝土基層。此類光伏建筑有著光伏發電容量大、室內采光條件號、外立面造型美觀的優勢,但由于光伏玻璃組件的熱工性能較差,會增加室內熱損失量。

2.4 用能設施節能技術

第一,對于照明系統,具體采取選用高效光源、智能控制兩項節能措施。高效光源是選用熒光燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈或是LED 白燈作為照明光源,取代傳統的白熾燈,此類照明燈具有著光通量好、能耗低的優勢。智能控制是在照明系統內加裝控制器,定時啟閉照明燈具,或是安裝感控燈,檢測到周邊環境有人時自動開啟燈具,無人時關閉燈具。

第二,對于空調系統,采取變頻調控、動態蓄冷節能措施。變頻調控是在系統內加裝變頻控制器與傳感器,通過傳感器來感知室內環境,再通過變頻器來調節空調系統運行狀態,避免因空調長時間維持恒定運行負荷而產生過高能耗。動態蓄冷是在電力負荷低谷期把水分凍結成冰,在電力高峰期通過冰塊融化來向外釋放冷量,以此來減少建筑用電成本[5]。

第三,對于暖通系統,具體采取地熱盤管、熱能回收兩項節能措施。其中,地熱盤管是在房間地面上鋪設盤管,盤管內循環流通熱水,通過盤管持續向外釋放熱量,由于熱空氣具備上升特性,可以把熱量擴散到室內房間的各處區域,提高熱能利用率。熱能回收是在暖通系統內加裝板式顯熱交換器、轉輪全熱交換器等裝置,把暖通系統運行期間釋放的部分熱量進行回收處理,后續可用于淋浴水加熱、制冷機組冷凝熱等用途。

3 結語

綜上所述,為保證低碳經濟發展理念得到貫徹落實,建筑企業需要把低碳節能理念有效融入到建筑設計與建造技術體系當中,推動綠色建筑向能耗模擬、強化熱工性能、利用可再生能源、優化用能設施方向發展,推動我國建筑行業邁入全新發展階段。